Способ нагрева заготовок

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советскнв

Соцнаектн ческий

Реснубпнм

К АВТОРСКОМУ CB ТИЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 170779 (2!) 2798018/22-02 (51)M с присоединением заявки ¹â€” (23) Приоритет—

С 21 0 1/42

Государствеииый комитет

СССР

so делам изобретеинй и открытиfi

Опубликовано 23g581. Бюллетень М (53) УДК 621 ° 78.012.,5 (088. 8) Дата опубликования описания 230581 (72) Авторы изобретения

Е.С. Виноградов, Н.А. Кудри н, В.И. Маз аев, В. С. Суров и В.С. Чудновский т

1 (7! ) Заявитель (54 ) СПОСОБ НАГРЕВА ЗАГОТОВОК

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано при трехстадийном нагреве металла под горячую пластическую деформацию.

Известен способ индукционного на-: грева металла с использованием токов двух частот. Двухчастотный нагрев предусматривает последовательный нагрев заготовок из ферромагнитных материалов при двух частотах - промышленной - до 600-700 С и повышенной - до 1200-,1300 С f1).

Однако этот способ позволяет расширить область. использования токов промышленной частоты лишь 15 на заготовки диаметром менее

180 мм.

Известен способ нагрева иэделий, включакций последоВательный нагрев заготовок в трех зонах(2.(. 20

Недостатком известного способа является большой расход энергии.

Известен способ нагрева заготовок,,вклкчаюший предварительный нагрев токами высокой частоты, термостатирование и высокотемпературный нагрев токами высокой частоты 3 .

Однако при нагреве заготовок (обычно цилиндрической форьы) током промашленной частоты (ТПЧ) максималь- ЗО но достигаемые температуры нагрева определяются диаметром заготовок.

Так, при диаметре загововок 50-60 мм максимальная температура нагрева составляет около 600 С, при 70-100 мм

700-800 С при 100-130 мм - 800900оС и только при диаметрах более

150 мм можно нагреть заготовки до температуры пластической деформации.

При нагреве ТПЧ чем меньше диаметр заготовки и чем ближе температуры заготовки к заданному верхнему пределу, тем ниже КПД установки ТПЧ, Максимальная скорость прогрева заготовок определяется теплофиэическими свойствами металла и градиентом температуры между поверхностью и центром заготовки. Поскольку температура поверхности не может- преввваать определенной величитва, например для стали 1150-1250оС, и поскольку при нагреве ТПЧ упомянутый гради ент температуры незначителен, постольicy скорость нагрева ТПЧ относительно невелика и значительная часть тепловой энергии в этот период уйосится водой, охлаждакщей индуктор.

Применение .нагрева ТПЧ приводит к необходимости использования громоздких батарей .конденсаторов ТПЧ.

831812

Интенсивное окисление и обезугле- роживанив металла, характерное для температуры нагрева вьиае 800-900ОС, имеет место на двух (втором и третьем) этапах нагрева.

Цель изобретения - создание температурного поля заданной форьы и

5 профиля по сечению и длине заготовки, уменьшение глубины обезуглероженного слоя, сокращение окисления и расхода энергии при нагреве под горячую пластическую деформацию заготовок любого сечения, в том числе и полых, в широком диапазоне размеров, изготовленных как из магнитных, так и немагнитных металлов.

Для достижения поставленной цели .35 предварительный нагрев ведут до

750-800ьС, тврмостатирование проводят до величины градиента температур между поверхностью и сердцевиной 50-100 С с сохранением температуры поверхности рО заготовки 800-850 С, а высокотемпературный нагрев ведут при неизменном перепаде температуры по объему заготовки

Предварительный нагрев заготовок осуществляют. током частоты 8-10 кГц, а высокотемпературный — током частоты, определяемой по формуле ь 3,з- ъ,в. о

30 а-"

x ée d - диаметр цилиндрической заготовки или меньшая сторона сечения заготовки прямоугольного профиля, ай. 35

На фиг. 1 изображен график, характеризующий изменение температуры поверхности и центра заготовки; на фиг. 2 — график зависимости времени объемного нагрева заготовок различных диаметров.от частоты токар на фиг,3 - 40 установка для осуществления предлагаемого способа.

Способ осуществляется следующим обравом.

Подлежащие нагреву заготовки 1 с наклонного лотка 2 или какого-либо другого подакщего устройства толкателем 3 (механическим, пневматическим либо другого типа) подаются в зону предварительного нагрева, 50 представляющую собой индуктор 4, питавмай током повышенной частоты (8-10 кГц) от источника питания 5, в качестве которого наиболее целесообфэно использовать либо машинный, либо тиристорный преобразователь частоты тока. Длина индуктора 4 выбирается.минимальной, но кратной длине заготовки, с тем, чтобы обеспечить быстрый нагрев поверхности и равномерное по длине заготовки распреде- 60 ление температуры. Величина подводимой к индуктору мощности и темп толкания заготовок задается вручную или автоматически так, что за время нахождения заготовки 65 в ударной зоне поверхностный слой заготовки прогревается до 750-800 С.

На первом этапе нагрева поверхность заготовки нагревают током повышенной частоты до определенной температуры, не превышакщей температуру, при которой теряются магнитные свойства материала заготовок (с тем, чтобы глубина проникновения тока была минимальной и, чтобы при наименьших затратах энергии был обеспечен максимально возможный градиент температуры между центром и поверхностью заготовки), и температуру начала интенсивного окисления и окалинообразовання.Для большинства черных металлов температура магнитных превращений, так называемая точка Кюри, составляет 740-780 С. Интенсивное окисление металла, нагреваемого без защитной атмосферы, начинаетая при температурах выше 850-900 С.

Поэтому с учетом укаэанных ограничений на первом этапе нагрева поверхность заготовок нагревают до 750800 С.

Толкателем 3 с установленным ранее темпом заготовки 1 периодически подаются в индуктор 4, при этом нагретая в первой зоне заготовка перемещается в камеру 6, являющуюся зоной термостатирования. Температура камеры 6 поддерживается на уровне

800-860 С либо нагревателем 7 сопротивления, либо другими средствами нагрева. По мере перемещения заготовок через зону термостатирования происходит выравни..-:ание температуры по сечению заготовки при сохранении температуры ее поверхности на уровне, достигнутом в зоне предварительного нагрева, или при некотором ее повьааении в пределах рабочей температуры камеры б. Заготовки находятся в зоне термостатирования до тех пор, пока градиент температуры между поверхностью и центром заготовки не снизится с нескольких сотен градусов Цельсия в начале камеры до 50-100ОС в конце камеры.

Расход энергии в зоне термостатирования определяется из условия поддержания постоянной температуры на поверхности заготовок, а длина камеры устанавливается, исходя из условия достижения укаэанного градиента температуры по сечению заготовки, В этой зоне заготовка прогревается по сечению практически без повьыения температуры поверхности, чем обеспечивается мннимапьное окисление и обезуглероживание. Наличие большого градиента температуры между центром и поверхностью заготовки, вошецшей в зону термостатнрования, обеспечивает высокую начальную скорость нагрева заготовки. Возможное повьааение температуры поверхности до 800-850 С допустимо, так как

831812 при этих температурах скорость

° окисления практически равна скорости окисления при 750-800ОС, а начало интенсивного окисления отмечается при температурах выше 900 С.

Поскольку температура поверхности заготовок в течение первых двух периодов нагрева не превышает 800-850 G постольку окисление и обезуглероживание металла в эти периоды практически отсутствует.

После выравнивания до заданной величины температуры по сечению заготовки, последняя подается в высокотемпературную зону, где подвергается воздействию токов такой частоты, при которой обеспечивается достижение необходимой температуры пластической деформации при неизменном перепаде температуры по объему з аготовки.

Заготовки проталкиваются в ин- 20 дуктор 8 (высокотемпературная зона), который питается от источника 9 с регулируемой частотой тока, например от тиристорного преобразователя частоты тока. Возможность изменения частоты индуктирующего тока позволяет устанавливать оптимальное соотношение между частотой тока и диаметром нагреваемых заготовок в соответствии е приведенной формулой. Величи- З0 на подводимой к индуктору мощности и длина индуктора должны быть такими, чтобы к. выходу из индуктора заготовка была нагрета до температуры пластической деформации. Нагретая заготовка выталкивается на приводные ролики 10, которые извлекают ее из индуктора для передачи к деформирующему оборудованию.

Нагрев заготовок в высокотемпературной зоне до заданной температуры 40 с наименьшими затратами времени и энергии осуществляется, как правило, при частоте тока, определяемой по формуле

5, 3 — 3,8.<О

% = 1

Ф где d — диаметр цилиндрической заготовкии или меньшая сторона сечения заготовки прямоуголв- ного профиля, мм.

Это соотношение вытекает иэ экспериментальных данных, полученных при определении зависимости времени нагрева заготовок от частоты тока при постоянной мощности и заданном (не более 50OC) градиенте температуры по сечению заготовки.

Предварительно нагретые до 800 С заготовки нагревают в индукторе от

8009С до 1200О С. Получают графики 60 зависимостей времени объемного нагрева заготовок различных диаметров от частоты тока (фиг.2) с ярко выраженными экстремумами, которые соответ.ствуют оптимальным частотам тока при 65 индукционном нагреве стальных заготовок от 860 С до температуры пластической деформации (1200 С). Кривая, проведенная через экстремальные точки, соответствует оптимальному со» отношению между диаметром заготовки и частотой индуктирукщего тока, например, для нагрева заготовок диа" метром 50 мм оптимальная частота тока составляет 1400-1600 Гц.

При использовании в высокотемпературной зоне токов, частота которЫХ определена по приведенному соотношению, нагрев происходит при высоком (0,7-0,8) КПД; Кроме того, при такоВ частоте тока к моменту окончания нагрева градиент температуры между поверхностью и центром заготовки сохраняется на уровне, достигнутом в зо" не термостатирования.

Предлагаемюй способ нагрева металла под горячую пластическую деформа-. цию обеспечивает нагрев заготовок с более низким, по сравнению с достигаежим в настоящее время,. перепадом температур, что способствует повышению качества деталей, получаеьнх пластической деформацией, повышению стойкости и, следовательно, срока службы инструмента для осуществления пластической деформации ° Нагрев заготовок предлагаемым способом обеспечивает.снижение в 2-3 раза окисления и обезглевароживания, за счет чего может быть достигнуто уменьшение в 1,5-2 раза припусков на механическую обработку деталей, что выражается в зкономии металла. Кроме того, установки, осуществляющие нагрев по предлагаемому способу, обладают более высоким КПД,.что выражается в снижении расхода энергии, такие установки требуют меньшей производственной площади. Экономический эффект при использовании изобретения составляет около 10 тыс.руб на одну нагревательную установку производительностью 1-,1,5 т нагретого металла в час.

Формула изобретения

Способ нагрева заготовок, включающий предварительный нагрев токами высокой частоты, термостатирование и высокотемпературный нагрев токами высокой частоты, о т л и ч а ю щ и йс. я тем, что,с целью повыаения качества нагрева и уменьшения расхода энергии, предварительный нагрев ведут до 75.0-800ОС, термостатирование проводят до величины градиента температур между поверхностью и сердцевиной 50-100 С с сохранением температуры поверхности заготовки 800-850О С, высокотемпературный нагрев ведут при неизменном перепаде температуры по объему заготовки..831812

Фи@ 1

tЕеек3

2. Способ по п.1, о т л и ч а юшийся тем„ что предварительный нагрев осуществляют током частоты.

8-.10 кГц, а высокотемпературный— током частоты, определяемой по формуле Ъ Ъ- В- о4

У= а где d - диаметр цилиндрической заготовки или меньшая сторона сечения заготовки прямоугольного профиля, мм.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Шамов А.Н. и Водажков В.А.

Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок. Л., "Машино» строение", 1974, с. 113.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 367160, кл..С 21 D 9/00, 1973.

3. Авторское свидетельство СССР

Р 322374, кл. С 21 0 1/42 . 1970.

831812 фиаЯ

Составитель А. Денимова

Редактор И. Николайчук Техред Е. Гаврилешко Корректор М Демчик

Заказ 3524/58 Тираж 618 . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4