Способ управления поверхностным нагревом заготовок

 

(72) Авторы изобретения

3. Я. Рапопорт и В. В. Сабуров (71) Заявитель. (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫМ НАГРЕВОМ

ЗАГОЧ ОВОК

Изобретение относится к области управ.ления тепловыми процессами при нагреве заготовок путем передачи тепла с поверхностных слоев заготовки к центральным, например, при индукционном нагреве и может . бьггь использовано для ускорен5 ного достижения заданной температуры с допустимой неравномерностью по толщине заготовки перед обработкой заготовки давлением. о

Специальные методы управления мошностью нагрева в интервалах непосредственного нагрева и выравнивания температу позволяют сократить суммарное время нагрева заготовки до заданной температуры с заданной равномерностью по толшине заготовки.

При нагреве заготовок с выделением тепла в ее поверхностных слоях температура боковой поверхности заготовки растет быстрее чем температура центра, поэтому требуется дополнительная фаза

15 процесса нагрева заготовки с пониженной мошностью нагрева, в течение которой температуры по толшине заготовки выравниваются до заданной конечной техноло20 гической температуры с заданным перепадом: В процессе выравнивания температур поверхностные слои заготовки, нагретые до этого выше заданной, температуры, отдают тепло центральным слоям, нагретым до этого ниже заданной температуры.

В результате температура поверхности падает, а температура центра растет, чем и достигается требуемое выравнивание темпера тур.

Известен способ управления поверхностным нагревом заготовок, при котором нагрев ведут в два этапа, сначала при полной мошности, а затем при мощности компенсируюшей тепловые потери футеровки печи, Такой способ характеризуется большим временем полного цикла нагрев-выдержка, так как процесс выравнивания температур в нем затянут.

1 5

3 738

Известен способ управления, при котором включают источник питания для нагрева заготовки, затем его выключают и выдерживают заготовку в зоне нагрева, выравнивая при этом температуру по сечению заготовки, во время нагрева и выдержки контролируют температуру поверх- . ности и центра заготовки.и при достижении этими температурами конечной вели -" чйны с заданным перепадом по сечению заготовки, выгружают заготовку. Недостатком известного способа является увеличенное время нагрева по сравнению с минимально возможным, так как в процессе нагрева стабилизируется значение средней температуры заготовки, а это не обязательно по физическим свойствам заготовки. Перегрев средней части заготовки над конечной температурой позволил бы создать в заготовке за первый. интервал больший aagac тепла и затем сократить время выравнивания температуре

Целью изобретения является повышение производительности путем сокрашения времени нагрева. Указанная цель достигается за счет тдго, что выгружают заготовку при равенстве контролируемых температур центра и поверхности заготовки и достижениии ими при этом нижнего допустимого значения конечной температуры.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображены кривые изменения Во времени температур по толщине заготовки без достижения температурой поверхности максимально допустимого значения; на фиг. 2 — кривые изменения во времени температур . поверхности и центра при достижении температурой поверхности максимально допустимого значения; .:. на фиг. 3- конечное распределение температур по толщине заготовки; на фиг. 4 заданная совокупность температур в виде линии в системе координат контролируемых температур и текущая траектория нагрева.

Процесс нагрева ведут до заданной температуры и два интервала управления.

В первом интервале нагрева мощность нагрева поддержйвают на максимально допустимом уровне, а температуру поверх ности перегревают относительно заданной температуры заготовки Т . Если в процессе интервала нагрева температура поверхности Тд не достигает максимально допустимой температуры Т,, (кри196 ф вая Т„(, < ), фиг. 1) ио условиям физического состояния материала эаготовкй (оплавление, необратимые изменения и пр.), то максимально допустимая мощность нагрева определяется максимальной мощностью нагревательной установки. Если же в процессе интервала нагрева температура поверхности Т„ достигнет максимально допустимой температуры Тмц,с (кривая Т фиг. 2), то после этого максимальнодопустимая мощность нагрева определяется уровнем, обеспечивающим поддержание максимально допустимой температуры поверхности, регулирование мощности нагрева при этом производится либо уменьшение количества источника тепла (например, газа), либо изменением времени включения и отключения полной мощности нагревательной установки (например, индукционной), т.е. регулированием средней мощности нагрева.

В течение времени интервала нагрева

Т (фиг. 1, 2) температура поверхности Т растет быстрее температуры центра Т

Если после достижения некоторых значений температур Т, „и Тцд(фиг. 1)закончить интервал нагрева и начать интервал выравнйвайия температур при уменьшенной мощности нагрева, то за счет отдачи тепла от более нагретых слоев заготовки к менее нагретым температура поверхности будет падать, а температура центра — расти, при этом падение температуры поверхности будет происходить и за счет потерь тепла. Процесс выравнивания температур приведет к такому состоянию, когда температуры центра и поверхности сравняются, при этом распределение температур по радиусу заготовки примет вид фиг. 3, где R — радиус заготовки. Как видно, в некоторой точке близи поверхйос ги при г=г имеет место максимум кривой распределения температур, что объясняется меньшей интенсивностью охлаждения слоев заготовки ,при v=r. по сравнению с поверхностью.

Процесс нагрева слоев заготовки при

1 =г приведен на фиг. 1 (кривая „() чтя Т„,„ 1 Т„„, но при выравнивании температур эти слои охлаждаются медленнее, чем поверхность, так как поверхностные слои целиком отдают свое тепло к центру и в виде потерь, а слои при г=г не только отдают тепло, но и

m ч&стичнО получают РГО с повГ )х ности.

7381

I) опис:ьцлсмом способе интервал выравнивания температур проходит при отключенной мощности нагрева, т.е. рост температуры центра (а достижение именно этой температуры заданного значения определяют длительность нагрева) происходит только за счет накопленногово время интервала нагрева запаса тепла в наружных слоях. Преимушества проведения интервала выравнивания при отклю- щ

1. ченной мощности нагрева заключается, во-первых, в ускорении достижения равенства температур поверхности и центра и, во- вторых, в независимости процесса выравнивания температур отвозмож- 35 ных помех йри изменении моШности нагрева (пзменения расхода газа, напряжения в сети).

Конец второго интервала управления и процесса нагрева в целом определяется 20 достижением температурой центра нижнего допустимого значения, т.е. Т> ц где Т вЂ” заданная температура; 6,д, Зло допустимый конечный период температур по толщине. Очевидно, что организацйя И окончания процесса управления при Т„„=Т„„=

= Т с, -Е, будет наиболее целесообразная

ЗО ов с точкй зрения ускорения нагрева, так как во-первых, поверхностные слои успели отдать весь запас тепла, т.е. длительность0 интервала нагрева была минимально возможной, а, во-вторых, снижение температуры поверхности до нижнего допустимого значения приводит и к снижению максимума конечного pacIIpellelleHBH температур (фиг. 3), т.е. величина Т = Tn = 2 Е, ха рактеризующая неравномерность нагрева, минимально возможная. Естественно, что

Ф данный способ полезен лишь при условии < оп > т.е. допустимый перепад + буй„, 40 при двухинтервальном управлении вообще достижим. Однако расчеты и эксперименты показали, что величина E. достаточно мала и в большинстве случаев технологические требования к равномерности 43 нагрева заготовок, перед обработкой давлением, вполне обеспечивается.

Конечное значение кон гролируемых темнератур Ток= ТА„=Тиар 2 о может быть достигнуто в интервале выравнивания с отключенной мощностью нагрева только в том случае, если. совокупность температур поверхности и центра в начале интервала выравнивания удовлет» воряют условию такого одновременного

55 достижения. Эта совокупность может быть рассчитана по известной конечной температуре и известных условиях протекания

1 процесса выравнивания температур пли получена экспериментально.Такихвзаимосвязанных значений температур поверхности и центра, при которых процесс выравнивания приводит к Тц, =Т „= Тт — e, бесчисленное множество, и заданная совокупность температур может быть представлена в системе координат Tn T u, (фиг. 4) линий -(т„„,т „)=O, которая может быть реализована техническими средствами.

Когда текущая траектория нагрева (фиг.4), начатая в точке с координатами (Т„„„ц,Ти науч, пересечет линию заданной совокупности температур F (nq > Tqq) интервал нагрева закончен, а интервал выравнивания обязательно закончится в заданной конечной точке, так как процесс выравнивания проходит при измененных заранее известных условиях. В то же время прогнозировать начало интервала выравнивания и, следовательно, программировать процесс нагрева практически невозможно, так как переменные факторы: йачальнйе темйературд, изменения MolIlности нагрева, могут существенно изменить траекторию нагрева (пунктирные. кривые, фиг. 4). В предлагаемом способе эти переменные факторы приведут лишь к различным значениям температур начала интервала выравнивания, различным време-

1 нем интеРвала нагРева 1 н и выРавниваниЯ 1 4.,,но общий процесс нагрева заготовки закончиФся в заданной точке. Суммарное время нагрева t +1, при этом ока:жется меньше, чем у известных способов, так как за счет перегрева средних слоев заготовки (кривая Т (t ), фиг. 1) в интервале нагрева создается повышенный запас тепла, и интервал выравнивания проходит быстрее.

Реализация способа производится с помощью функционального блока, где задается найденная расчетом или экспериментально совокупность температур поверхности и центра в виде функции двух переменных.

Реализация способа может быть упрощена в случае, когда нагреватель имеет значительный запас мощности, что приводит к обязательному достижению температурой поверхности максимально допустимого значения Т,„,„,. в процессе интервала нагрева (фиг2). В этом случае при поддержании технологической мощности нагрева на максимально допустимом уровне, обеспечивающем стабилизацию температуры поверхности Т„- м . 1

7 738196 8 о

po конца интервала нагрева, одна из поверхности и центра величины 338 Г контролируемых температур известна эа- максИмальная температура заготовки по ранее, а TBK как заранее известна и сечению составляла 342"С. Суммарное совокупность температур, начиная с ко- время цикла нагрев-выдержка составило торой интервал выравнивания ведет к > 11 + 4,46 = 15,46 мин. Время нагре зада йюй точке, то известна и -темпера- ва по известному способу составило тура Т „, при достижении которой ц т

17,6 мин, причем допустимое значение дадо начинать интервал выравнйвания. по технологии отклонение температуры, Переменные начальные тем ературы по сечению заготовки составляло + 10 и мошность нагрева приведут лишь к из- ip Следовательно, использование предменению времени первого интервала уп- ложенного способа сократило время на-, равления t. н, а совокупность темпера- грева на 14%. тур T « g це (фиге 2) сохранится.

Поэтому реализовать данный способ можно ф о р м у л а и э о б р е т е н и я без достаточно сложного функционального д блока по простой схеме совпадения тем- Способ управления поверхностным напературы центра с заданной температурой гфевбм заготовок, преимущественно инно описанной выше совокупности. дукционным, при котором включают исПрактическая реализация описанного точник питания для нагрева заготовки, способа была проведена на ийдукционной jp эатЖ его ifpziuiiomazov и выдерживают запечи типа ИН-800 при 2х-интервальйом готовку в eose нагрева, выравнивая управлении. при этом температуру по сечению эагоНал заготовке диаметром 480 мм товки, во время нагрева и выдержки процесс нагрева вели до заданной конечной контролируют температуру поверхности и температуры 340 С. В первом интервале 2s центра заготовки при достижении этими о мошность была максимальной 2500 квт. температурами конечной величины с ahДопустимая величина отключенйя тем- данным перепадом по сечению заготовки, пературы составляла + 2 С. выгружают заготовку из эоны нагрева, В конце первого интервала температура о т л и ч а ю m и и с я тем, что, с

-пентра равнялась 282 С, а поверхности zp целью повышения производительности пу420оС. тем- сокфййейий времени нагрева, выгруВо втором интервале источнйк питания жают заготовку при равенстве кончролиотключался., руемых императур и достижении ими

Момент окончании интервала вЫдержки zips этом нижнего допустимого значения определяли по достижению температуры З конечной температуры., 7381.96

rnHO4r

r«

Ънац Ч Ч

/Ч

Заказ 2834/39 Тираж 885 Подписное

БНИИПИ Государственного комитета СССР по де:-.1&м иэосретении и открытии

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г . Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель О. Турпак

Редактор B. Левятов Техред Д, Теслк к Корректор Г. Решетник