Индукционные кузнечные нагреватели

Преимущества транзисторных индукционных установок

Применение индукционных нагревателей для кузнечного наргрева заготовок перед горячей штамповкой, ковкой, пластической деформацией или высадкой более технологичен по сравнению с электрическим печным нагревом, индукционный нагрев имеет ряд неоспоримых преимуществ:

  • Значительное снижение энергозатрат, времени нагрева заготовок, что резко повышает производительность работ.
  • Автоматизация подачи заготовок, улучшает точность их нагрева до заданной температуры и темп их выдачи.
  • Снижение количества окалины, что увеличивет ресурс штамповой оснастки.
  • Улучшаются условия труда рабочего с точки зрения эргономичности и безопасности работы, повышается культура производства и освобождаются дополнительные площади в цеху, за счет меньших габаритов индукционного оборудования.

Грамотный выбор частотного диапазона работы нагревателя создаст условия для оптимального режима прогрева заготовок без зон (слоёв металла) с перегревом и образования окислов и окалин. Аппаратный метод выставления заданной температуры перед штамповкой облегчает контроль за нагревом и стабильность показателей в серии по градиенту сечения детали с разницей по слоям не превышающей 80°С (для углеродистых сталей).

Приняв за базу расчёта максимально возможную скорость нагрева заготовки и эту разницу температур, рассчитывается время разогрева заготовки. Проще говоря, индукционный нагрев с завышенной удельной мощностью может расплавить поверхность заготовки, при холодной сердцевина. Очевидно - чем толще сама заготовка, тем большее время потребуется для ее равномерного нагрева. Для сокращения времени нагрева заготовок большого диаметра предпочтительнее использовать более низкие частоты, чем для нагрева тонких заготовок (уменьшение частоты увеличивает глубину проникновения магнитного поля в металл и следовательно обеспечивает большую равномерность прогрева. Для повышения производительности при постоянной мощности нагревателя необходимо увеличить одновременное нахождения в поле индуктора число заготовок. Что и позволяет обеспечить механизированный многоместный проходной индуктор.

Сводную информацию по удельной мощности на квадратный сантиметр, времени нагрева, рабочей частоте и диаметре заготовок вы можете увидеть в Таблице №1.

Диаметр заготовки мм Время нагрева с Удельная мощность Вт/см2 Диаметр заготовки мм Время нагрева с Удельная мощность Вт/см2
Частота = 6000 Гц (Глубина горячего проникновения индукционного поля в металл = 7 мм)
15 5 505 45 90 82
20 7,5 400 50 125 67
25 13,5 300 60 227 -
30 22,5 205 70 405 -
35 35 149 80 650 -
40 58 108      
Частота = 2000 Гц (Глубина горячего проникновения индукционного поля в металл = 12 мм)
40 30 195 75 207 58
45 45 162 80 250 51
50 58 133 90 345 40
55 77 110 100 460 33
60 102 93 120 850 24
65 132 78 140 1340 17
70 167 68 160 1910 13
Частота = 500 Гц (Глубина горячего проникновения индукционного поля в металл = 20 ММ)
70 97 190 110 320 53
75 115 143 120 120 43
80 136 116 130 600 34
85 157 100 140 775 28
90 181 87 150 985 23
95 207 76 160 1200 20
100 240 68      

Для примера:

Нагрев заготовки диаметром 50 мм на частоте 2000Гц потребует 58 секунд при удельной мощности 133 Вт/см2.

Для нагрева той же заготовки при частоте 6000Гц потребуется 125 секунд при удельной мощности 67 Вт/см2.

Вывод:

В данном случае увеличение частоты в 3 раза приводит к снижению примерно в 2 раза разрешенной удельной мощности с увеличением времени нагрева заготовок в 2 раза.

Таблицы №1 несет обобщённый характер и мы понимаем, что для расчета площади нагрева берется только боковая поверхность заготовки, за исключением торцов. Существуют потери передачи энергии от индукционной катушки к нагреваемой детали, доходящие до 30-50%, в зависимости от конструкции индуктора и соотношения диаметров катушки и нагреваемой заготовки определяющих " Добротность " рабочего индуктора. Меньшая разница диаметров нагреваемой детали к внутреннему диаметру индукционной катушки даёт меньшие потери энергии на рассеивание электромагнитного поля и повышению эффективности работы. Качество применяемого материала для футеровки индуктора и его толщина между индукционной катушкой и нагреваемой деталью определяет количество тепла, теряемого отводом з катушки охлаждающей ее водой, что сказывается на эффективности нагрева и сроке службы индуктора.

Нормальным соотношением максимальных и минимальных диаметров заготовки считается на уровне 1,5-1,7раза. Т.е. при максимальном нагреваемом диаметре 50мм, допускается греть заготовки диаметром до 30-35мм. Меньший диаметр греть в этом индукторе не оправдано.

Сводная таблица данных для подбора частоты генератора и глубины проникновения в металл магнитного поля

Таблица №2.

Рабочая частота, Гц Глубина горячего проникновения, мм Оптимальный диапазон диаметров заготовок, мм Вт/см2
50 76 266-608
500 25 88-200
1000 17 60-136
2500 11 39-88
4000 9 32-72
8000 6 21-48
10000 5 18-40

Действуют следующие правила:

  • Для нагрева большей массы металла в единицу времени требуется большая мощность.
  • Чем больше диаметр заготовки, тем ниже должна быть рабочая частота и больше время нагрева.
  • Чем жестче требования по однородности температурных полей в заготовке, тем меньше должна быть удельная мощность и больше время нагрева.

Виды индукционных кузнечных нагревателей нагрева металлических заготовок для их дальнейшей объемной деформации

  1. С ручной подачей и выемкой заготовок из индуктора, поштучно или коллективно. Применяются в основном с транзисторными индукционными преобразователями малой мощности, и в случае невысокой производительности оборудования. В них может нагреваться заготовка целиком или только ее часть, конец или середина. На один преобразователь может нагружаться одна или несколько параллельных индукционных катушек, для увеличения производительности при нагреве толстых заготовок. В простейшем случае может использоваться индуктор с подкладкой из волокнистых огнеупоров или асбестом. большая производительность требует индуктор, футерованный жаропрочным бетоном или с керамической, разрезная втулка для исключения растрескивания от контакта с нагретой заготовкой.

    Для замены кузнечного горна применяют индукционный нагреватель с индукционной катушкой по профилю нагреваемой детали. Индукционная катушка при этом не охватывает всю нагреваемую поверхность. Рабочий вручную перемещает заготовку и регулирует степень нагрева той или иной ее части.

    Для нагрева прутков 10-16 мм вполне подойдет нагреватель мощностью 25 кВт. Более универсальные возможности для кузни предоставит высокочастотный индукционный нагреватель 60-100кВт.

  2. Для увеличения производительности и стабилизации температуры нагрева, применяют нагреватели с полуавтоматической и автоматической подачей заготовок в футерованный индуктор с помощью пневматических и гидравлических цилиндров либо механических толкателей. В полуавтоматическом варианте заготовка укладывается на направляющие вручную, а в автоматическом, подается на направляющие из бункера. Контроллер управления задает периодичность подачи заготовок.

    Выдача заготовок из индуктора так же осуществляется цепным или роликовым транспортером. Движение нагретой заготовки в индукторе осуществляется по направляющим, выполненным из нержавеющих водоохлаждаемых трубок или нихромового уголка. Потери мощности нагрева на направляющих непосредственно в зоне нагрева составляют до 8%.

  3. Нагрев очень массивной заготовки с длиной многократно превышающей индуктор применяют, вынесенные за пределы индуктора водоохлаждаемые рольганги, а индуктор делают многосекционным. Иногда до десяти секций и более. Питание на раздельные секции индукторов может подаваться от одного мощного генератора или нескольких независимых, что увеличивает надежность устройства в целом.
  4. Для линейного нагрева сплошных заготовок- проволоки или прута из бухты. Схема построения такого нагревателя примерно такая же, как и в предыдущем случае. Индуктор секционируют на 3-20 частей, а между секциями располагают водоохлаждаемые ролики. Как правило, для питания индуктора линейного нагрева используют достаточно мощные тиристорные преобразователи. Небольшой диаметр заготовки и небольшая производительность позволяет построение для линейного нагрева на одном индукторе. Такие нагреватели хороши для навивки пружин из прута малого диаметра(8-14мм).
  5. В зависимости от габарита и геометрии заготовки, применяют различные схемы подачи заготовок в индуктор. Короткие заготовки , обычно, подают в круглый индуктор вдоль, располагая как вагоны в поезде. Регулируя производительность нагрева с помощью длины индуктора.

    Длинные подают в щелевой индуктор боком или поперек. Индуктор при таком способе подачи становится значительно короче, заготовки в нем перекатываются с боку на бок, что улучшает равномерность их нагрева.

Транзисторные и тиристорные преобразователи частоты

  1. Для питания индукционных кузнечных нагревателей используют машинные генераторы, ламповые, транзисторные и тиристорные преобразователи частоты. Машинные и ламповые генераторы сняты с производства как устаревшие и не эфективные.
  2. Тиристорные преобразователи частоты применяются достаточно давно. Они очень хороши, когда необходимая мощность нагрева приближающаяся к одному МВт и более. В настоящее время доступны тиристорные преобразователи частоты мощностью 20-25 МВт, применяемые для плавки до 110 тонн стали. Для питания подобных монстров применяют специальные понижающие трансформаторы с выходным напряжением, достигающим 1000 и более Вольт, и количеством фаз до 12-ти. Преобразование таких больших мощностей сопровождается борьбой с электрическими наводками в электросетях, попросту говоря, возникают сильные помехи, мешающие работе систем управления преобразователем.

    КПД тиристорных преобразователей достигает 92%. Однако они, как правило, имеют большие, чем у транзисторных моделей габариты и вес, обычно имеют фиксированную частоту генерации(либо частота подстраивается в небольших пределах). Когда необходимо согласовать рабочую частоту тиристорного преобразователя с различной по индуктивности нагрузкой применяют переключаемые банки водоохлаждаемых конденсаторных батарей. Есть устройства автоматического переключения емкости. Тиристорные преобразователи частоты традиционно используют для питания мощных кузнечных нагревателей и индукционных плавильных печей, с весом плавки от 0,1 до 110т.

  3. Транзисторные преобразователи обладают рядом преимуществ: повышенная надежность, меньшие габариты и вес.

    Только транзисторные преобразователи имеют автоматическую подстройку частоты генерации в очень широких пределах от 1-го до 20-ти кГц, это практически 2000%. Это дает возможность нагружать их на индукционные катушки с большим разбросом индуктивности, что важно в случае использования транзисторного генератора для питания нескольких устройств индукционного нагрева или в том случае, когда на одном устройстве применяются индукционные катушки различного диаметра и количества витков. Например, для питания индукционных трубогибов, применяемых при производстве отводов труб различного диаметра. Следует иметь ввиду, что для питания трубогибов, производящих крутоизогнутые стальные отводы бывает необходимо локализовать зону нагрева. Подобную локализацию можно обеспечить только при использовании мощного закалочного трансформатора. В этом случае можно выдать всю энергию генератора всего в один широкий виток индукционной катушки.

Индукционные катушки (индукторы)

Индуктор для мощного индукционного кузнечного нагревателя представляет собой следующую конструкцию. К навитой с необходимым диаметром и шагом прямоугольной медной трубке припаивают медные шпильки с резьбой. Затем индукционную катушку обматывают киперной лентой из стеклоткани и пропитывают изолирующим лаком. После высыхания лака, на медные шпильки крепят медными гайками стеклотекстолитовые направляющие. Они служат для исключения разрушения катушки от вибрации, создаваемой мощными индукционными полями и придания жесткости всей конструкции. Припаивают (приваривают) вводы-выводы электроэнергии и воды. Внутрь катушки для уплотнения и теплоизоляции вставляют асбест или микалит в виде рулона толщиной несколько мм, а затем задвигают в кольца или трубу из жаропрочного материала (жаропрочный бетон, керамика, глинозем, окислы редкоземельных элементов и т.п.). Как уже описано выше, внутри футерованного индуктора размещают направляющие для движения заготовок.

Чем лучше футеровка держит высокую температуру и механические нагрузки, тем дольше она прослужит в условиях высокотемпературного нагрева. Срок службы футеровки может быть различным, от нескольких недель до нескольких месяцев. Заказывая автоматический индукционный нагреватель с футерованным индуктором, узнайте у поставщика: как вы будете ремонтировать вышедшую из строя футеровку?

При нагреве часто закрывают крышками входное и выходное отверстия индуктора. Учитывая большое время нагрева заготовок, это делается для сохранения тепла внутри индуктора. Таким образом, получается аналог печного нагрева в индукционном исполнении при большей эффективности нагрева.

Системы охлаждения

Индукционные нагреватели нуждаются в обеспечении эффективного охлаждения проточной водой. На практике, для охлаждения силовой электроники преобразователя частоты и индуктора используют контур замкнутого водоснабжения с водой максимально очищенной от солей (в идеале -дистиллированной водой либо растворами незамерзающих реагентов) для исключения "заростания" водоохлаждающих каналов солями сопутствующих элементов. Температурный рабочий режим, обычно, составляет 35-45°С.

Недопустимо закипание воды, охлаждающей индукционную катушку, и тем более силовую электронику! Закипание проявляется звонким шумом в индукторе. Любое образование пузырьков пара в катушке может привести к выгоранию участка медной трубки. Трубка в индукторе несет большую энергетическую нагрузку, от расплавления ее спасает только постоянное отведение водой излишков тепла.

Применяются моноконтурные и многоконтурные системы охлаждения индукционных установок, в зависимости от их мощности и назначения. В одноконтурных системах , обычно, в возвратной цепи перед расширителем включается теплообменник "вода-воздух". В двух и более контурных системах, в качестве теплоотводящего контура применяют цеховую систему водоснабжения с утилизацией в заводскую канализацию, внешние градирни, либо холодильные машины типа "Чиллер" с фреоновым хладогеном. Перечисление выполнено в соответствии с ростом стоимости и эфективности принятого исполнения.

Меры безопасности

При работе индукционных нагревателей сотни киловатт электромагнитной энергии излучаются в окружающее пространство. Мощные магнитные поля иногда даже становятся причиной перекашивания и заклинивания деталей при их движении в индукторе. Они же рассеиваясь в пространстве, могут стать причиной электрических наводок в любом металлическом оборудовании рядом с индукционным нагревателем и частями его конструкции.

Для экранирования рассеянных полей иногда используют металлический кожух вокруг индукционной катушки, торцевые части индуктора, где наблюдается максимальная концентрация полей, делают разрезными из металла и оснащают системой водяного охлаждения для отведения выделяющегося тепла. Весь комплект нагревателя и все подающее оборудование следует заземлить. В любом случае, присутствие людей рядом с источником мощного электромагнитного излучения следует ограничивать.

Автор статьи: О.Н. Высокосов

Установки индукционного нагрева на транзисторных полевых сборках (модули IGBT)

Обладают следующими достоинствами:

  1. Долговечность: Срок службы индукционных нагревателей при использовании для отопления зданий составляет более 30 лет. Изоляция первичной обмотки соответствует классу нагревостойкости «F» с допустимой рабочей температурой по ГОСТу – 150С°. Отсутствуют движущиеся и высоконагруженные детали и устройства. Эффективность: Электронагреватели работают на промышленной частоте 50 Гц и обладают высоким коэффициентом мощности = 0,98 (практически вся потребляемая из сети энергия идет на создание тепла). Это одно из важнейших достижений создателей индукционного электронагревателя. При переходе на индукционный нагрев эксплуатационные затраты снижаются в 1,5-2 и более раз.
  2. Универсальность: Применение индукционного нагрева позволяет, использовать различные жидкие теплоносители (вода, масло, антифриз), причем без предварительной технологической подготовки.
  3. Простота обслуживания: Индукционный электронагреватель не требуют профилактических работ в отопительный сезон и период межсезонья, не требуют высококвалифицированного персонала для монтажа и обслуживания, полностью автономны.
  4. Полное автоматическое управление: Полное автоматическое управление позволяет поддерживать температуру теплоносителя в заданном диапазоне.

    Возможности использования транзисторной бесконтактной системы управления, резко повышают надежность всей системы в сравнении с существующими ламповыми и тиристорными аналогами.

  5. Электробезопасность: Все оборудование имеет 2-й класс электробезопасности.
  6. Пожаробезопасность: Максимальная температура на поверхности нагревателя превышает температуру теплоносителя не более, чем на 10-30Со (для нагревателей, работающих в системах отопления и горячего водоснабжения).

    Индукционный нагреватель безопасен для здоровья человека и окружающей среды, при работе отсутствует задымление, запахи, нет необходимости использования технических масел. Экранирование защищает от воздействия электромагнитного излучения.

  7. Внутреннее устройство индукционного нагревателя фото ...
  8. Элементная база фото...

Корпорация GM, совместно Mitsubishi Electric выпустила новую NX-серию IGBT модулей, в которых применены IGBT кристаллы 6-го поколения — новейшая разработка этой компании.

GM представила новую концепцию корпусов IGBT модулей — NX. Данная концепция основана на применении универсального базового основания (122x62 мм) для модулей с различной конфигурацией выводов и внутренней структурой. В новом поколении кристаллов применена усовершенствованная технология CSTBT (Carrier Stored Trench Gate Bipolar Transistor). Разработаны и новые обратные диоды (FWDi) с улучшенным соотношением между напряжением (VF) и потерями переключения (Erec). Это позволило оптимизировать общий уровень потерь на модуле. В IGBT модулях на 1200 В при Tj = 125C° VCE(Sat) = 1,7 В (тип.) и SOA (область безопасной работы) на Vcc = 900 В.

В IGBT модулях 17-го класса на 1700 В при Tj = 125 C° VCE(Sat) = 2,2 В (тип.), SOA на Vcc = 1200 В.

Использование IGBT кристаллов нового поколения обеспечивает превосходные характеристики при параллельной работе модулей, а также устойчивость к короткому замыканию более 10 мкс. Максимальная температура IGBT кристаллов Tj(max) увеличена до 175C°. Общие потери в ШИМ-инверторе примерно на 20% меньше, чем в модулях предыдущего 5-го поколения. Таким образом, выход новой NX-серии 6-го поколения IGBT модулей Mitsubishi Electric является большим шагом вперед на пути повышения эффективности преобразования энергии и сохранения природных ресурсов.

IGBT модули NX-серии обладают повышенной стойкостью к коротким термоциклам, а стойкость к длинным термоциклам (стойкость пайки) более чем в 10 раз превосходит характеристику IGBT модулей предыдущих технологий. Также для защиты по теплу во все стандартные IGBT модули NX встроен изолированный NTC-термистор.

IGBT модули выпускаются различной конфигурации: 2, 6 или 7 транзисторов в одном корпусе, а также в CIB-конфигурации (выпрямитель – инвертер – чоппер). Вся номенклатура модулей серии NX, с номиналами от 35 до 1000А на 1200В и от 50 до 600А на 1700В, реализована на двух вариантах основания: 122Ч62 и 122Ч122 мм.

IGBT модули 6-го поколения серии NX идеально подходят для применения в общепромышленных преобразователях, сервоприводах, фотоэлектрических инверторах, для которых требуется сочетание невысокой стоимости с высокой технологичностью. Все IGBT модули NX-серии соответствуют требованиям RoHS и сертифицированы по UL.