Моделирование и разработка автоматизированной индукционной закалочной установки крупногабаритных валков прокатных станов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.10, кандидат наук Перевалов Юрий Юрьевич

• Перевалов Юрий Юрьевич
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Перевалов Юрий Юрьевич

Введение

1 Технологии термообработки валков прокатных станов

1.1 История развития термообработки валков прокатных станов

1.2 Роль индукционной технологии в производстве прокатных валков

1.3 Проблемы проектирования и управления автоматизированными установками индукционной закалки

1.4 Выводы по главе

2 Модели индукционной термообработки валков прокатных станов

2.1 Методы моделирования электромагнитных полей в индукционных системах

2.2 Модель индукционной закалки с расчетом электромагнитных и температурных полей

2.3 Модель индукционной закалки с учетом характеристик источников питания

2.4 Модель базы данных свойств материалов валков

2.5 Выводы по главе

3 Исследования электромагнитных систем индукционной закалки валков .. 59 3.1 Принципы проектирования индукторов для закалки валков прокатных станов

3.2. Исследования галетных индукторов для закалки

3.3. Экологические аспекты работы мощных индукторов для закалки

3.4. Выводы по главе

4 Технология нагрева и охлаждения валков прокатных станов

4.1 Разработка методики окончательной термообработки валков прокатных станов

4.2 Предварительный нагрев валка в газовой печи

4.3 Индукционный подогрев валка перед закалкой

4.4 Нагрев под закалку

2

4.5 Выводы по главе

5 Система управления закалочной установкой

5.1 Принципы управления в индукционных установках

5.2 Алгоритм управления индукционной закалкой крупногабаритных валков

5.3. Макет закалочной установки валков прокатных станов

5.4. Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование и разработка автоматизированной индукционной закалочной установки крупногабаритных валков прокатных станов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Получение высококачественной продукции и бесперебойная работа прокатного стана в значительной степени определяется качеством валков. На сегодняшний день актуальной проблемой тяжелого машиностроения является изготовление качественных крупногабаритных валков прокатных станов с диаметром более двух метров и длиной до шести метров, отвечающих мировому уровню.

Чем выше стойкость валков, тем меньше простоев при перевалке валков. Производительность, следовательно, выше. Меньше расход валков, значит, лучше технико-экономические характеристики производства.

При интенсивной, непрерывной работе прокатного стана, валки, входящие в его состав испытывают воздействия очень высоких контактных давлений, которые могут превышать величину предела текучести деформируемого металла, по этой причине валки должны обладать соответствующей прочностью и твердостью.

Особо высокие требования твердости и прочности предъявляются к рабочему слою валков, по которым происходит контактирование [1, 2], поэтому в качестве окончательной термообработки целесообразно применять поверхностную индукционную закалку. Поверхностная индукционная закалка обладает рядом преимуществ:

• Деталь, подвергнутая индукционной закалке, сохраняет вязкую сердцевину, приобретая твердый поверхностный слой, за счет чего она существенно лучше сопротивляется пластическим деформациям, истирающим и проминающим нагрузкам;

• Термообработке может подвергаться не вся деталь, а только те рабочие поверхности, которые указывает конструктор;

• Высокая энергоэффективность процесса связана с тем, что нагреву перед закалкой подвергается не вся масса детали, а только ее

закаливаемая поверхность - глубина закаленного слоя;

4

• Процесс сканирующей закалки (последовательная закалка с движением индуктора относительно поверхности детали) позволяет выполнять закалку ТВЧ больших поверхностей (цилиндрических, плоских и сложной формы) с использованием источника питания относительно небольшой мощности;

• Процесс поверхностной закалки ТВЧ поддается автоматизации, поэтому разработаны и широко используются в промышленности различные закалочные станки, в которых параметры процессов нагрева и охлаждения, однажды определенные и запрограммированные технологом, повторяются автоматически для всей партии деталей, обеспечивая высокое качество термообработки;

• Кратковременность нагрева до температуры закалки уменьшает угар металла (образование окалины), что позволяет существенно уменьшить припуски на размеры деталей перед финишной обработкой;

Преимущества индукционной поверхностной закалки могут быть особенно полезны при термообработке крупногабаритных валков прокатных станов, поскольку для осуществления объемной закалки крупногабаритных валков необходимы значительные затраты электроэнергии, мощности и времени, и что самое главное - индукционная закалка позволяет получить более качественное изделие на выходе.

Выбор правильных режимов термообработки является очень важной проблемой, поскольку термообработка, особенно окончательная, влияет на весь спектр физикомеханических свойств валка, характеризующих в первую очередь качество и эксплуатационную стойкость.

При неправильном выборе режимов термообработки в валке возникают температурные и структурные напряжения недопустимого высокого уровня, которые могут привести к зарождению и росту трещин, и как следствие к разрушению валка, иногда даже до начала эксплуатации[3, 4], или к выкрашиванию поверхности бочки валка при интенсивной работе стана.

Для моделирования индукционной закалки необходимо рассчитывать двух- и трехмерные электромагнитные и температурные поля в загрузке. В данной работе разрабатываются модели индукционной технологии закалки опорного валка в среде программ из комплекса "INDUCTЮNHEATING", разработанные в СПбГЭТУ(ЛЭТИ) и ООО РТИН [6, 7].

Проблема выбора правильного режима термообработки валков прокатных станов, в настоящее время не является до конца исследованной, поскольку эта задача не является тривиальной и даже не смотря на успехи отечественных и зарубежных ученых в этом направлении. Решение задачи индукционной закалки валков в осложняется из-за того, что для того чтобы создать полную картину претекающих электрофизических процессов необходимо учитывать протеканием структурных превращений, которые оказывают большое влияние на механические, электрические и теплофизические характеристики индукционной системы.

Экспериментальные методы исследования технологии термообработки валков прокатных станов на сегодняшний день малоэффективны, поскольку они подразумевают разрушающие методы контроля и как следствие они разрушают валок, который является уникальной дорогостоящей деталью, а неразрушающие методы контроля обладают высокой погрешностью и поэтому, по этим причинам в настоящее время решение этой задачи возможно только при помощи создания точной компьютерной модели, которая позволит с достаточной точностью описать процессы, происходящие при термообработке прокатных валков.

Целью настоящей диссертации является разработка компьютерных моделей индукционной термообработки валков, на основе которых проектируются и разрабатываются современные автоматизированные установки для закалки валков прокатных станов.

Методы исследования. Исследования электромагнитных и температурных полей, интегральных параметров индукционных систем нагрева и закалки валков прокатных станов проводились при помощи численного моделирования, основанного на вычислительной математики. Достоверность научных положений, представленных в диссертационной работе, подтверждаются результатами моделирования и использования апробированных программных средств, созданием макета для проведения испытаний источника питания и индуктора, разработанных с помощью численного моделирования, а так же планируемого внедрения разработанной автоматизированной установки для закалки крупногабаритных валков прокатных станов.

Научная новизна:

• Выявлены условия обеспечения высокого качества закалки крупногабаритных валков прокатных станов

• Разработана комплексная модель индукционной закалки с расчетом электромагнитных и температурных полей с учетом характеристик источников питания и согласующих устройств

• Обоснована и разработана новая конструкция галетных индукторов для закалки валов прокатных станов

• Разработаны алгоритмы управления системой закалки крупногабаритных валков прокатных станов

Практическая значимость:

• Реализованы в виде программ численные модели, позволяющие выполнить расчет электромагнитных и тепловых полей в индукционной системе термообработки валков прокатных станов.

• Разработана конструкция галетного индуктора для закалки и методика его расчета.

• Сделан выбор частоты тока, на которой будет работать оборудование, по критерию обеспечения качества термообработки и минимизации стоимости индукционного оборудования

• Разработана технология поличастотной индукционной термообработки валков прокатных станов.

• Разработана модель управления автоматизированной закалочной установкой.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Комплексная модель индукционной закалки валков прокатных станов с расчетом электромагнитных и температурных полей с учетом характеристик источников питания и согласующих устройств

• Модель электрических потерь в многослойных галетных закалочных индукторах

• Разработка модели и технологических карт для автоматического программного управления процессом закалки

• Технология поличастотной индукционной термообработки валков прокатных станов

• Методика выбора базовой частоты тока индукционной закалочной установки по критериям энергоэффективности, минимизации стоимости и габаритов электрооборудования

Внедрение результатов. Научные и практические результаты, полученные при проектировании индукционной установки для закалки валков прокатных станов планируются планируются быть использованы при проектировании новой установки для УРАЛМАШ.

Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертационной работы обсуждались на научных конференциях и семинарах лаборатории МОЛ СЭТ СПбГЭТУ, а так же на на 18-й Международном конгрессе ШЕ - 2017

Публикации по диссертации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 7 работах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 5 глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 68 наименований. Работа изложена на 1 27 листах машинописного текста и содержит 89 рисунков и 14 таблиц.

1 ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМООБРАБОТКИ ВАЛКОВ ПРОКАТНЫХ

СТАНОВ

1.1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ТЕРМООБРАБОТКИ ВАЛКОВ

ПРОКАТНЫХ СТАНОВ

Валки прокатных станов являются ключевыми элементами прокатных станов. Неизвестно точное время и место появления первого прокатного стана. Известно, что ранее прокатки железа применяли прокатку более мягких цветных материалов - свинца, олова, меди и др. Наиболее ранний документ, описывающих устройство, предназначенное для прокатки олова, оставлен Леонардо да Винчи (1495г.). Примерно до конца 17 века привод прокатного стана был ручным, в 18 веке - водяным. Промышленная прокатка берет свое начало с 18 века [8]. В России она особенно широко развивалась на Урале. В настоящее время основные предприятия специализирующиеся на производстве валков для прокатных станов так же находятся на Урале.

Валки являются главным исполнительным органом прокатных станов, поэтому с ростом применения прокатных станов стояла задача улучшения, термообработки и продления срока службы валков.

Первое использование индукционного нагрева для поверхностной закалки валков было осуществлено в начале 1920х в компании MidvaleSteelCompany (USA) [9, 10]. Однако только с середины 1930х годов в США и СССР получило широкое распространение поверхностной индукционной закалки для термообработки коленчатых валов в автомобильной промышленности [11, 12]. В СССР развитие этого метода и научное его обоснование было связано с лабораторией В.П.Вологдина в Ленинградском Электротехническим Институтом (ЛЭТИ) (ныне Санкт-Петербургский электротехнический университет).

До появления компьютерной техники в ЛЭТИ были развиты аналитические методы расчета индукторов под закалку, проведены

металловедческие исследования, позволяющие выявить особенности индукционного метода закалки. С появлением в 70-е годы вычислительной техники стали быстро развиваться численные методы расчета электромагнитных и температурных полей при индукционном нагреве, в том числе при закалке.

Сложность развития термообработки прокатных валков была в том, что до появления первых ламповых и тиристорных мощных преобразователей использовали машинные генераторы, мощность которых была относительно невелика, а во вторых научная база была еще не сформирована (Индукционная обработка, понятия твердости и напряжения после закалки, структура металла после термообработки).

Первые высокочастотные генераторы для индукционного нагрева были дороги и требовали постоянного технического обслуживания для стабильной работы. Амортизация генераторов ложилась тяжелым бременем на стоимость эксплуатации всей высокочастотной установки в целом.

Первые ламповые генераторы высокой частоты разрабатывались и

строились на мощность в несколько МВт. Ламповые генераторы

относительно просты и надежны в эксплуатации. Появление надежных

источников питания позволило применять высокочастотный ток на новом

уровне, с этого момента высокочастотные генераторы для индукционного

нагрева могли рассчитывать на широкое промышленное применение. С этого

времени начались первые попытки промышленного применения

индукционного нагрева - в первую очередь для поверхностной закалки и

нагрева под ковку и штамповку. Начали разрабатываться различные виды

технологий индукционной термообработки металлов. Проводились

многочисленные физические эксперименты по закалке машиностроительных

деталей и сталей. В это же время на ижорском заводе проводились работы по

строительству двух блюмингов для Макеевского и Днепродзержинского

металлургических заводах. Эти блюминги которые были введены в

эксплуатацию в 1933 году. На задачу термообработки валков прокатных

11

станов начали смотреть под новым углом в связи с появлением новой промышленной технологии и возросших мощностей.

Несовершенство первых генераторов для индукционного нагрева высокой частоты мешало их применению в промышленной практике. Промышленность прошлых десятилетий еще не созрела для восприятия этогй новой, энергоэффективной, изощренной технологии. Основным материалом, применявшимся в машиностроении и при производстве судовых орудий большого калибра, была мягкая сталь с содержанием углерода порядка 0,4%. Возможности по измерению и теореотическому определению напряжений в машиностроительных деталях не были настолько хорошо развиты, чтобы можно было поднять вопрос о необходимости местного упрочнения, поэтому детали изготавливали с заранее заложенным запасом прочности, а небольшие скорости работы машин и агрегатов определяли заранее малый износ из-за истирания.

С развитием авто и авиастроения увеличивались требования к твердости и прочности материалов, были разработаны новые высокопрочные, легированные стали. Рабочие скорости механизмов возросли во много раз, стали применять поверхностное упрочнение участков машиностроительных деталей при помощи индукционного нагрева, подверженных трению.

В начале 30-х годов появились предпосылки для внедрения индукционного нагрева металла в промышленности.

Промышленность получила следующий скачек в своем развитии. За небольшое количества времени значительно увеличилась база знаний по природе процесса индукционной закалки, а так же появились более глубокие знания касающиеся структурных превращений метала. [13]

Начали появляться новые источники питания, основанные на тиристорных преобразователях. Закалку валков осуществляли на промышленной частоте 50 Гц (ТПЧ).

Всесоюзным научно-исследовательским и проектно-конструкторским институтом металлургического машиностроения (ВНИИМЕТМАШ) создан ряд прокатных станов для новых технологических процессов. Новые прокатные станы и новые технологии возникали во многом за счет того, что стало возможным разработать новые валки более высокого качества. Новые прокатные станы обеспечивали производство тонкостенных безрисочных труб, листов переменной толщины, профилей круглого периодического сечения, и др.. В 1959-62 были созданы новые станы с бесконечным редуцированием труб, примечательно, что сварка производилась при помощи высокочастотных токов. Несколько позже были разработаны станы для непрерывной прокатки бесшовных труб производительность которых 550 тыс. т/год. Эти станы были созданы ВНИИМЕТМАШем и Электростальским заводом тяжёлого машиностроения. В эти же годы появляются первые станы для прокатки цилиндрических и конических колёс.

Со временем технология индукционного нагрева стала применяться на многих предприятиях. Качество прокатных валков постепенно начало расти и вместе с тем появилось осознание того что при изготовлении прокатных валков важным вопросом является правильный выбор режимов термообработки.

Напряжения при термообработке валков прокатных станов возникают в

следствии того, что температурное поле валка в процессе закалки

существенно изменяется, в результате чего возникают большие градиенты

температуры, которые приводят к появлению объемных деформаций,

связанных с протеканием структурных превращений. При термообработке

стали аустенит, может превращаться в перлит, бейнит, мартенсит в

зависимости от скорости охлаждения [14, 15]. Аустенит обладает

гренецентрированной кристаллической решеткой, мартенсит обладает

тетрагональной решеткой, а перлит и бейнит объемно-центрированной

решеткой. Гранецентрированная решетка более плотно упакована по

сравнению с тетрагональной и объемно-центрированной решеткой, поэтому

13

превращения аустенита в бейнит, перлит и мартенсит сопровождается увеличением объема, вследствиии которого возникают структурные напряжения.

Закалку валков осуществляли на промышленной частоте 50 Гц (ТПЧ), а так же применяли предварительный подогрев (100-800oC) перед нагревом под закалку. При помощи подогрева уменьшаются напряжения, возникающие при индукционной закалке, а так же увеличивается переходный слой (переход становится более плавным), что в свою очередь приводит к повышению стойкости валков за счет уменьшения вероятности отслоений поверхностных слоев. Подогрев валка возможно производить при помощи газовой печи - этот способ может быть полезен преимущественно для крупных валков, индукционный подогрев хорошо подходит для валков среднего и малого диаметра. Так же можно использовать комбинированный способ нагрева: вначале при помощи газовой печи, а затем при помощи индукционного нагрева.

Закалка валка прокатного стана на двух частотах. Суть в том, что валки приходится подогревать предварительно, что делают при помощи многократных проходов индуктором и все для того, чтобы уменьшить вероятность отслаивания и возникновения трещин. В таком случае возможно осуществлять закалочный цикл с подогревом на низкой частоте и закалкой на высокой частоте, в таком случае переходный слой (от закаленного к сердцевине) будет увеличен. При использовании этого способа необходимо разнести индуктора - между индуктора должна быть область, которая позволит уменьшить взаимное влияние индукторов друг на друга.

При использовании токов ниже 100 Гц резко возрастает сложность индуктора и габариты закалочного оборудования. Кроме того, с уменьшением частоты тока увеличивается как глубина прогрева, так и становится более резким переход от закаленного слоя к сердцевине валка, что может сказаться на стойкости валка. При частоте свыше 1000 Гц резко

снижается глубина нагретого, а следовательно, и закаленного слоя, т.е.

14

закалке на данной частоте могут подвергаться только валки малого диаметра, на которых требуется небольшая глубина активного слоя.

Существует два вида прокатных валков - рабочие и опорные. На рисунке 1 изображен схематично прокатный стан, а на рисунке 2 представлено реальное изображение валка и клетей прокатного стана.

Рисунок 1 - Схематичноеизображение прокатного стана. 1- валки в клети; 2-основание; 3- треф; 4- шпиндель; 5- клеть стана; 6- клеть шестерни; 7- муфта; 8- редуктор; 9- эл. двигатель

Рисунок 2 - Изображение прокатного валка и клетей стана

Прокатные станы, работающие на современных металлургических предприятиях, классифицируются по назначению, количеству и расположению рабочих клетей и валков в рабочих клетях. Прокатные станы можно разделить на несколько групп, в зависимости от вида выпускаемой продукции. В каждом прокатном стане используются валки, которые должны

отвечать определенным требованиям, в зависимости от сложности выпускаемой продукции. Виды прокатных станов:

• Станы горячей прокатки, к которым относятся обжимные, заготовочные, рельсобалочные, сортовые, проволочные, штрипсовые, листовые, широкополосные.

• Станы холодной прокатки, к которым относятся листовые, станы для прокатки тонкой ленты. В станах холодной прокатки как правило используются валки с самыми большими требованиями к рабочему слою, поскольку именно при холодной прокатки используются самые большие контактные давления.

• Станы специального назначения — колесопрокатные, бандажепрокатные, для прокатки полос и профилей переменного сечения, шаров, шестерен, винтов, гнутых профилей и т.п.

Валки прокатных станов изготавливаются из сталей с высокой прокаливаемостью [16]. Они должны обладать высокой прочностью поверхностных слоев и равномерным распределением твердости по длине валка. Глубина рабочей зоны (глубина закалки) должна быть достаточно большой, чтобы позволяла переточку вала. В тоже время валы должны противостоять сильным ударным нагрузкам и не допускать образование трещин, сколов, отслоений как в процессе термообработки, так в процессе прокатки.

Валки прокатных станов изготавливают из высокоуглеродистых сталей, легированных хромом, ванадием, вольфрамом и другими элементами [17]. На сегодняшний день применяют следующие стали при изготовлении рабочих валков: 9Х, 9ХФ, 9Х2, 9Х2В, 9Х2СФ, 9Х2МФ, 9Х5МФ, 9Х2СВФ, 60Х2СМФ.

Валки прокатных станов проходят сложную термическую обработку, включающую много стадийную нормализацию и отжиг, а на заключительной стадии - поверхностная индукционная закалка с отпуском. Твердость бочки рабочих валков обычно находится в пределах 90-102 HSD (по Шору) [18],

1Ь

твердость шеек 30-55 HSD. Важным параметром является равномерность твердости по длине бочки валка, поскольку при листовом прокате в случае неравномерности значений твердости по длине валка может возникнуть ситуация при которой толщина листа на выходе будет изменятся за счет разной выработки бочки валка по длине валка.

В последние годы рабочие валки, входящие в станы, состоящие из нескольких клетей, изготавливают из специальных металлокерамических сплавов на основе карбида вольфрама (85-90 % карбида вольфрама и 10-15% кобальта). Твердость таких валков может достигать 115-125 HSD [19], а износостойкость таких валков в 40 раз больше чем у валков из легированных сталей. Карбидовольфрамовые валки обладают большим модулем упругости, благодаря чему они способны сплющиваться в несколько раз меньше, чем стальные валки. Вместе с тем необходимо иметь в виду, что карбидовольфрамовые валки имеют большую стоимость и вместе с тем повышенную хрупкость. Последнее затрудняет их использование при ударной нагрузке и значительных прогибах.

Опорные валки бывают трех типов: цельнокованые, литые и бандажированные. Наиболее распространены цельнокованые опорные валки. Их изготавливают из сталей 9Х, 9Х2, 9ХФ, 75ХМ, 65ХНМ. Для изготовления осей бандажированных валков используют более простые, менее легированные марки сталей: 70, 55Х, 50ХГ, 45ХНВ, 45ХНМ. Бандажи по своему химическому составу соответствуют цельнокованым валкам. Твердость бочки опорных валков обычно составляет 60-85 HSD. На рисунках 3 и 4 представлены и 9Х2МФ соответственно [20].

Рисунок 3 - Изотермическая диаграмма ^ - диаграмма) распада переохлажденного аустенита для стали 9Х5МФ

Рисунок 4 - Изотермическая диаграмма ^ - диаграмма) распада переохлажденного аустенита для стали 9Х2МФ

Из приведенных выше рисунков видно какое колоссальное влияние оказывает хром на свойства стали [21]. Время полного превращения в мартенсит у стали 9Х5МФ может составлять 1000 сек, в то же время у стали

9Х2МФ время превращения составляет порядка 100 сек. У стали 9Х5МФ процент хрома может составлять до 5%, а у стали 9Х2МФ соответственно до 2%. В таблицах 1 и 2 представлен химический состав сталей 9Х2МФ и 9Х5МФ.

Таблица 1

Химический состав стали 9Х2МФ

C 0.85 - 0.95

Si 0.25 - 0.5

Mn 0.2 - 0.7

м до 0.5

S до 0.03

P до 0.03

& 1.7 - 2.1

Mo 0.2 - 0.3

V 0.1 - 0.2

Таблица 2

Химический состав стали 9Х5МФ

C 0,90-0,95

Si 0,40-0,80

Mn 0,40-0,80

S 0,015

P 0,025

& 4,70-5,30

м 0,5

Mo 0,20-0,40

V 0,10-0,20

Установлено, что работоспособность новых валков, прошедших сложную многоступенчатую термообработку, увеличивается при условии, что они вылеживались на складе в течение полугода [22].

Для тяжелого машиностроения большое значение имеет всестороннее исследование вопроса изготовления крупногабаритных валков холодной прокатки, поскольку именно к валкам для холодной прокатки предъявляются самые высокие требования. Несмотря на то, что достигнут прогресс в изготовлении высококачественных поковок, развитие окончательной термообработки валков является одной из самых актуальных проблем тяжелого машиностроения.

1.2. РОЛЬ ИНДУКЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ

ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ

Стойкость стального кованого валка в во многом зависит от того, какую термообработку прошел сам валок, а так же какую термообработку прошла поковка, из которой он был изготовлен. Особое значение имеет окончательная термообработка валка - индукционная закалка. В том случае, если режимы окончательной термообработки были довольно слабыми и на рабочей поверхности валка (закаленная область) не сформировалась необходимая структура, отвечающая всем требованиям по твердости и глубине, валок быстро истирается и выкрашивается, а так же его срок службы может быть существенно сокращен. С другой стороны, если режимы окончательной термообработки были крайне сильными, то валке валке могут зародиться значительные остаточные напряжения, близкие к предельным, в результате чего валок быстро разрушается за счет интенсивно протекающих усталостных явлений при эксплуатации [23].

Известны работы в которых представлены результаты исследований термонапряжений, возникающих при закалке валков прокатных станов [20]. В качестве примера на рисунках 3, 4 представлено распределение температуры в продольном сечении валка и распределение временных осевых напряжений при закалке на частоте 50Гц.

3 2

Рисунок 5- распределение температуры в продольном сечении валка при закалке (значения представлены в С): 1-валок, 2 - индуктор, 3 - спрейер.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Перевалов Юрий Юрьевич, 2017 год

источника питания

Ниже представлены результаты исследований для данного индуктора, при внесении валка. На рисунках 37 и 38 представлено активное сопротивление индуктора с магнитной и немагнитной загрузкой соответственно, заметно как сильно изменилось сопротивление каждого отдельного витка в тот момент, когда нагрузка становится немагнитной (переходит точку Кюри). На рисунке 39 изображена плотность тока для случая с магнитным и не магнитным валком, параметры индукционной системы аналогичны, сразу можно отметить, что в случае с немагнитной загрузкой плотность тока переходит на внутренний слой первого слоя индуктора, что в свою очередь увеличивает сопротивление отдельных витков, однако распределение тока становится более равномерным. На рисунке 40 представлен график зависимости сопротивления индуктора, в зависимости от радиуса валка, который помещен внутрь, индуктор имеет внутренний диаметр 1430мм, частота источника питания 100 Гц, валок магнитный.

0.0016 0.0014 0.0012 0.001 0.0008 0.0006 0.0004 0.0002 0

I I 11ЧЧЧЧЧЧ1 I

1 2 3 4 5

6 7 Витки

8 9 10 11 12

Внутренний слой Внешний слой

Рисунок 37 - Активное сопротивление индуктора из трубки 30х30х5 на частоте 100 Гц. Диаметр валка 1400 мм, ц=16.

Рисунок 38 - Активное сопротивление индуктора из трубки 30х30х5 на частоте 100 Гц. Диаметр валка 1400 мм, ц=1.

■ 42772571 А/м2

□□□□□□ □□□□пп 1 0 А/м2

а)

■ 37851615 А/м2

□□□□□О □□□ООП к 0 А/м2

б)

Рисунок 39 - Плотность тока галетного индуктора с валком (Г=100 Гц): а)Магнитный валок, б)Немагнитный валок

0.0192 0.019 0.0188 0.0186 0.0184 О Б? 0.0182 0.018 0.0178 0.0176 0.0174 4(

Ю 450 500 550 600 650 700 750 Радиус валка[мм]

Рисунок 40 - График зависимоти сопротивления индуктора, в зависимости от радиуса валка (внутренний диаметр галетного индуктора 1430)

Были проведены исследования аналогичного галетного индуктора, выполненного из трубки 30х30х5 и трубки 24х24х3 с внутренним диаметром 1250мм (для закалки валка диаметром 1200мм), 2 слоя по 10 витков. На рисунках 41 и 42 представлено активное сопротивление индуктора с магнитной и немагнитной загрузкой соответственно. Сопротивление каждого витка меняется так же как и в индукторе рассмотренным выше -при немагнитной загрузке сопротивление витков индуктора выравнивается относительно друг друга. На рисунках 42 и 43 изображена зависимость сопротивления галетного индуктора из разных трубок в зависимости от частоты источника питания. Заметно, что сопротивление индуктора растет с увеличением частоты, так же видно, что сопротивление пустого индуктора и индуктора с немагнитной (горячей) загрузкой принимают более близкие значения, чем сопротивление индуктора с холодной загрузкой.

н

Цоооб

о

и

0.0004

0.0002 о

4 5 6

Номер витка

12-й слой ■ 1-й слой

10

1

2

3

7

8

9

Рисунок 41 - Активное сопротивление индуктора из трубки 30х30х5 на частоте 100 Гц. Диаметр валка 1200 мм, ц=16.

о

<и П са в н о л в о

и

0.001 0.0009 0.0008 0.0007 0.0006 0.0005 0.0004 0.0003 0.0002 0.0001 0

4 5 6 Номер витка

12-й слой ■ 1-й слой

10

1

2

3

7

8

9

Рисунок 42 - Активное сопротивление индуктора из трубки 30х30х5 на частоте 100 Гц. Диаметр валка 1200 мм, ц=1.

Частота, Гц

пустой индуктор холодная заготовка горячая заготовка

Рисунок 43 - Активное сопротивление галетного двухслойного индуктора из трубки 30х30х5 в зависимости от частоты источника питания. Диаметр валка 1200 мм.

0 100 200 300 400 500

Частота, Гц

пустой холодная заготовка горячая заготовка

Рисунок 44 - Активное сопротивление галетного двухслойного индуктора из трубки 24х24х3 в зависимости от частоты источника питания. Диаметр валка 1200 мм.

0.035

0 £ 0.025 X 01

5 0.02 т о п плш 0

о и П П1 0.01

П ППЦ 0.005

п 0

0 5 0 1( отрубка Ю 15 30х30мм 0 20 стенка 5 0 25 Часто мм 0 30 та, Гц тру' 0 35 5ка 24х24 0 40 мм стенк 0 45 а 3мм 30 5(

Рисунок 45 - Активное сопротивление галетного двухслойного индуктора выполненного из трубки 24х24х3 и из трубки 30х30х5 в зависимости от частоты источника питания

На рисунке 45 представлено сравнение сопротивления индуктора сделанного из трубки 30х30х5 и из трубки 24х24х3. Сопротивление индуктора из трубки 30х30х5 заметно меньше, чем сопротивление индуктора из трубки 24х24х3, сечение у трубки 24х24х3 меньше, а плотность тока выше, поэтому сопротивление увеличивается, причем с увеличением частоты плотность тока и сопротивление увеличивается.

Принципиальное значение в этой работе имеет отсутствие громоздких закалочных трансформаторов. Индукторы должны быть многовитковыми, чтобы их можно было согласовывать с выходным напряжением преобразователей в 700 В. При этом ток в короткой сети (водоохлаждаемые кабели от конденсаторной батареи до индукторов) не будет превышать 4000 А. На рисунках 46 и 47 представлен общий вид разработанного блока индуктор-спрейера и более подробный его вид. Как видно из этих рисунков -блок индуктор-спрейер крепится на основание, галетный индуктор закреплен на самом верху, под индукторм на расстоянии 50... 150мм крепится спрейер. Расстояние между индуктором и спрейером возможно менять. Индуктор снабжен футеровкой.

Рисунок 46 - Блок индуктор-спрейер

71

Рисунок 47 - Устройство Блока индуктор-спрейер: 1- основание, 2 -галетный индуктор, 3 - колодки и штутцеры подключения воды, 4 -фиксаторы индуктора, 5 - спрейер, 6 - футеровка

Разработан патент на полезную модель: «Индуктор для закалки валков прокатных станов», заявка № 2017123655 от 04.07.17

Нагрев перед закалкой практически всей номенклатуры валков осуществляется в две стадии: предварительный подогрев за несколько проходов индукторов на одной частоте и последний проход индукторов непосредственно перед закалкой. Наиболее важен для достижения требуемого распределения температуры по радиусу последний проход. Обеспечить необходимое распределение температуры по радиусу можно за счет выбора соответствующей частоты тока и режимов нагрева (мощность, скорость движения). Рекомендуется выбирать такую частоту тока, чтобы глубина проникновения тока в "горячую" сталь была равна или больше

глубины закалки. Из таблицы 5 и рисунка 48 видно, что при глубинной закалке целесообразно выбирать частоты для закалки в диапазоне 50 - 175Гц.

Таблица 5

Глубина проникновения (мм) в сталь на разных частотах

Частота, Гц Сталь при 20°С Сталь при 900°С

50 6.79 76.5

75 5.54 62.5

100 4.8 54

150 3.9 44

175 3.6 40.9

200 3.4 38

250 3 34.2

300 2.8 31.2

400 2.4 27.0

500 2.1 24

1000 1.5 17

S 7П

S 70 S" fifl

И ё ЦП \

с

о 2 40 \

J s

S3 40 и jl30

£ 20 S3 Ю 1 п

Е? 10 JN н b 4 Н н Е а Е а

1-4 0 0 ) 100 200 300 - 400 Ча !тал 1С! ь го пр 500 та, Г >и 9( ц D0 °С 6( 0 7( 0 8( 0 9( 0 000

Рисунок 48- Глубина проникновения (мм) в сталь на разных частотах

На стадии подогрева также желательно выбирать низкие частоты. Однако в "холодную" сталь (до температуры ниже точки Кюри) глубина проникновения более чем на порядок меньше глубины проникновения в "горячую" сталь и мало влияет на распределение температуры по радиусу. Здесь целесообразно руководствоваться такими факторами, как габариты конденсаторной батареи, надежность и стоимость оборудования, удобство согласования с индуктором [45]. Выбор частоты на этапе подогрева связан с механикой технологического процесса. На этапе подогрева блок индуктор-спрейера совершает «покачивания» двигаясь вверх и вниз, поскольку при движении двигается именно индуктор со спрейером и шланги вместе с токоподводящим кабелем, то имеет смысл уменьшить массо-габаритные показатели. Общеизвестно, что при закалке на частоте 50Гц необходимо использовать закалочный трансформатор, который обладает большой массой и сравнительно невысоким КПД, поэтому было принято решение отказаться от закалочного трансформатора, чтобы не двигать постоянно большую массу вверх и вниз. Еще одним аргументом в пользу отказа от частоты 50 Гц при подогреве является тот факт, что распределение температуры по радиусу валка не сильно отличается на 100 и на 50 Гц (рисунок 49), и вместе с тем распределение температуры при подогреве не играет существенную роль, поскольку необходимо нагреть весь валок в целом, а не его поверхностный слой. В данной работе рекомендовано при подогреве валков использовать частоту 100 Гц.

1000 РЦП г т 100Гц 50Гц ■А- 175Гц

РПП > у А * г

А >

япп * * X г

«и = 7ЦП ж * ) / 4

700 к» л ш> г * £

КЦП * * Ж £ т £ £ * и

600 Г*

200 225 250 275 300 325 350

Радиус валка, мм

Рисунок 49 - Распределение температуры на поверхности валка во время закалки за один проход. Валок Э=700мм.

3.3 ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАБОТЫ МОЩНЫХ ИНДУКТОРОВ ДЛЯ ЗАКАЛКИ

Интенсивное использование электромагнитной и электрической энергии в современном обществе привело к тому, что в последней трети XX века возник и сформировался новый значимый фактор загрязнения окружающей среды - электромагнитный. В настоящее время мировой общественностью признано, что электромагнитное поле (ЭМП) искусственного происхождения является важным значимым экологическим фактором с высокой биологической активностью [49].

Анализ планов отраслей связи, передачи и обработки информации, транспорта и ряда современных технологий показывает, что в ближайшем будущем будет нарастать использование технических средств, генерирующих электромагнитную энергию в окружающую среду.

Живые организмы в процессе эволюции приспособились к определенному уровню ЭМП, однако, резкое значительное повышение (в историческом аспекте) уровня ЭМП вызывает напряжение адаптационно -компенсаторных возможностей организма, долговременное действие этого

фактора может привести к их истощению, что повлечет необратимые последствия на системном уровне.

Была оценена напряженность магнитного поля, которая возникает при работе индуктора, ток в индукторе равен 3000А. Внутренний диаметр индуктора по меди равен 740мм, длина индуктора равна 400мм, трубка 30х30х5 На рисунках 50, 51 и 52 представлена картина поля напряженности магнитного поля для случаев когда индуктор пустой, когда загрузка магнитная или немагнитная. При постановке задачи была выбрана осесимметричная задача, поэтому на приведённых рисунках видна половина сечения индуктора. На рисунке 50 (для случая пустого индуктора) видно, что максимальное значение напряженности - в углах трубки на торце индуктора. Для случаев магнитной и немагнитной загрузки максимальная напряженность электромагнитного поля в зазоре между индуктором и деталью. Максимальное значение напряженности поля достигается при случае магнитной загрузки 243938 А/м. Максимальная напряженность поля расположена в зазоре, это означает, что индуктор оказывает минимальное влияние на окружающую среду.

Рисунок 50 - Напряженность магнитного поля. Индуктор пустой.

Рисунок 51 загрузкой.

- Напряженность магнитного поля. Индуктор с магнитной

Рисунок 52 - Напряженность магнитного поля. Индуктор с немагнитной загрузкой.

3.3 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

• Разработана конструкция галетного индуктора для закалки валков прокатных станов. Проведены исследования зависимости активного сопротивления индуктора от частоты и трубки, из которой изготовлен индуктор. Проведены исследования активного сопротивления индуктора при холодной и горячей загрузке.

• Сделан выбор частоты, на которой рекомендуется производить подогрев валка перед закалкой.

• Рассмотрены экологические аспекты работы галетных индукторов. Сделан вывод, что галетные индуктора для закалки валков прокатных станов безопасны для экологии, поскольку максимальное значение напряженности электромагнитного поля находится в зазоре, а внешнее поле такого индуктора намного меньше и не представляет угрозы.

4 ТЕХНОЛОГИЯ НАГРЕВА И ОХЛАЖДЕНИЯ ВАЛКОВ ПРОКАТНЫХ СТАНОВ

4.1. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОКОНЧАТЕЛЬНОЙ ТЕРМООБРАБОТКИ ВАЛКОВ ПРОКАТНЫХ СТАНОВ

В первой главе отмечалось, что заключительная термообработка валков прокатных станов состоит из следующих этапов: предварительный нагрев в газовой печи, подогрев индукционным способом, индукционная закалка [50]. Такая сложная многоэтапная термообработка обусловлена несколькими факторами:

• Во-первых невозможно качественно закалить валок прокатного стана большого диаметра за один проход. Для того чтобы индукционно закалить валок за один проход, необходимо использовать либо инфронизкие частоты (ниже 50 Гц) или же использовать частоты 50 Гц и выше, но сильно замедлять движение индуктора, чтобы за счет теплопроводности прогреть валок на необходимую глубину закалки (100 мм). Частоты ниже 50 Гц сильно увеличивают массо-габаритные показатели установки, требуют большей мощности источника питания, а так же усложняют конструкцию индуктора и установки в целом. При использовании частот 50 Гц и выше движение индуктора необходимо замедлить настолько сильно, что спрейер, расположенный за индуктором, не успевает дойти до нагретой области. Так же при закалке валка за один проход есть большая вероятность превысить градиент температуры 500 0 С, в результате чего могут возникнуть температурные, структурные напряжения [10].

• Необходимо подогревать валок перед закалочным проходом. Это обусловлено тем фактором, предварительный подогрев способствует поддержанию температуры аустенизации на глубине 100 мм от поверхности валка на закалочном проходе, а так же уменьшает

градиент температуры на закалочном проходе. Подогрев валка производят до такой температуры, чтобы на закалочном проходе на глубине 100 мм под индуктором было 750 0 С.

• Подогрев валка возможно осуществлять как индукционным способом,

так и при помощи газовой печи. Индукционный подогрев является

энергоэффективным способом, однако требует затрат по времени,

поскольку для того чтобы подогреть валок большого диаметра до

необходимой температуры необходимо сделать много проходов

индуктором. При таком способе время полной закалки валка может

потребовать более 8ч работы (больше одной смены), по этой причине

валки вначале подогревают в печи, а за тем при помощи индуктора.

Таким образом подогрев осуществляется комбинированным способом,

что обеспечивает оптимальное соотношение по времени и

энергоэффективности.

Ниже рассматриваются и доказываются вышеизложенные постулаты.

Закалка валка прокатного стана за один проход

Закалка валка прокатного стана за один проход означает, что рабочую

зону валка необходимо нагреть на температуру 750 - 950°С, а затем охладить с

необходимой скорость, чтобы получить мартенситную структуру, а

следовательно и необходимую твердость. В главе 1 на рисунке 3 и 4 приводятся

изотермические диаграммы распада переохлажденного аустенита для стали

9Х5МФ и 9Х2МФ, из этих диаграмм видно, что температура превращения для

этих валковых сталей равна 700...750°С, а время за которое необходимо

охладить данную сталь порядка 100. 1000 с, так же из данных диаграмм видно,

что процент содержания хрома в стали оказывает сильное влияние на

температуру и время превращений [51].

Были проведены исследования, при которых закалка валка

осуществлялась за один проход, высота индуктора во всех экспериментах

равнялась 500 мм, все эксперименты были построены на условии, что

температура за индуктором на поверхности валка равнялась 950°С, а на глубине

80

750°С. В таблице 6 приведены результаты исследований для режима при котором 750°С достигается на глубине 25мм за индуктором при закалке за один проход.

Таблица 6

Режим закалки валков прокатных станов за один проход

Производительность [т/ч] Скорость [см/с] Время процесса [с] Мощность [кВт]

Б=180шш 50 23 3,218814 83,88184 3902,288

75 9,5 1,32951 203,0823 1348,385

100 6,5 0,909665 296,8126 895,5056

175 3,9 0,545799 494,6877 560,905

500 2,8 0,391856 689,0294 423,3085

Б=450шш 50 30 0,672 401,7857 2188,401

75 23 0,51501 524,2615 1618,315

100 20 0,448 602,6786 1404,406

175 14 0,313484 861,2867 1102,528

500 10 0,224 1205,357 887,9283

1000 9 0,202 1336,634 835,8005

Б=650шш 50 50 0,537 502,7933 2669,102

100 35 0,376 718,0851 1844,573

500 20 0,215 1255,814 1281,216

1000 15 0,161 1677,019 1086,057

Б=700шш 50 60 0,555 486,4865 2938,744

75 53 0,488 553,2787 2458,046

100 42 0,389 694,0874 2041,401

175 31,5 0,291493 926,2672 1677,112

500 25 0,231 1168,831 1461,62

1000 20 0,185 1459,459 1288,868

Б=1200шш 50 150 0,472 572,0339 4522,37

75 132 0,415647 649,59 3841,245

100 100 0,315 857,1429 3086,242

175 90 0,283396 952,732 2847,768

500 70 0,22 1227,273 2521,706

1000 52 0,164 1646,341 2081,972

Б=1600шш 25 1500 2,656833 101,6247 37794,57

50 275 0,487 554,4148 6195,726

75 230 0,407381 662,7701 5076,371

100 197 0,349 773,639 4382,398

175 153 0,270997 996,321 3714,162

500 115 0,204 1323,529 3127,708

1000 90 0,159 1698,113 2802,698

1200 1000 800 £ 600 1400 200 0 0

-25 Гц -50 Гц -100 Гц -500 Гц Индуктор 0

5 0 10 0 Д Дли на см 15 л 0 20 0 25

Рисунок 53 - распределение температуры на поверхности валка во время закалки за один проход. Валок В=1600мм.0бщее условие - на поверхности валка за индуктором 950°С, на глубине 25мм за индуктором - 750°С.

Из приведенного выше рисунка видно, что при повышении частоты питающего источника увеличивается температура на выходе индуктора, это происходит в результате того что для достижения необходимого режима (750 градусов на глубине) снижается скорость перемещения индуктора. Скорость перемещения индуктора на частотах выше 100Гц снижается по той причине, что поверхностный слой прогревается за счет теплопроводности, а для этого требуется дополнительное время. На частоте 25 Гц валок хорошо прогревается и за индуктором температура падает не так быстро как при закалке на 500Гц.

На рисунках 54 и 55 представлена зависимость активной мощности от скорости движения индуктора и зависимость активной мощности от частоты для разных диаметров валков. При увеличении скорости движения необходимо так же увеличивать мощность, а при увеличении частоты мощность снижается, поскольку на более высокой частоте глубина проникновения индукционного

тока меньше, а следовательно необходимо нагревать меньший объем метала, а так же скорость движения на более высокой частоте меньше. Из приведенных графиков видно, что для закалки за 1 проход необходимо прикладывать значительную мощность - при закалке валка 1600мм на скорости 0,48 см/с необходимо приложить мощность порядка 6,2 МВт, для достижения на глубине 25мм за индуктором температуры 750°С. В свою очередь, если использовать скорость меньше - 0,2 см/с, то необходимая мощность для того же случая будет равна 3,2 МВт. Скорость движения индуктора 0,2 см/с означает, что спрейер, котороый жестко закреплен за индуктором на расстоянии порядка 100мм, дойдет до нагретой области за 50с, а это означает что валок успеет остыть и произойдет некачественная закалка.

7000 6000 5000

со

— 4000

.о

I-

и

0

1 3000

о

2000 1000 0

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

скорость [см/с]

Рисунок 54- Зависимость активной мощности от скорости движения индуктора для разных диаметров валков. Общее условие - на поверхности валка за индуктором 950°С, на глубине 25мм за индуктором - 750°С.

Э=450тт Э=700тт Э=1200тт Э=1600тт

Мощность [кВт] 0000000 0000000 00000000

Э=450тт Э=700тт Э=1200тт Э=1600тт

4----

) 100 200 300 400 500 600 ЧГц]

Рисунок 55 - Зависимость активной мощности от частоты для разных диаметров валков. Общее условие - на поверхности валка за индуктором 950°С, на глубине 25мм за индуктором - 750°С.

Рисунок 56 - Распределение температуры по радиусу валка за индуктором. Валок D=1200. Общее условие - на поверхности валка за индуктором 950°С, на глубине 25мм за индуктором - 750°С.

^ 2.50Е+01

1 2.00Е+01

со _1

¡£ 1.50Е+01

0 е; с

01

| 1.00Е+01

I Т О

5.00Е+00

0.00Е+00

54

f=50 Гц f=100 Гц f=500 Гц

f=1000 Гц

55

56

57

Радиус_[см]

58

59

60

Рисунок 57- Источники теплоты по радиусу валка за индуктором. Валок D=1200. Общее условие - на поверхности валка за индуктором 950°С, на глубине 25мм за индуктором - 750°С.

На рисунках, представленных выше (рисунок 56 и 57) видно, что распределение источников теплоты за идуктором на частотах 50 и 100 Гц может иметь максимум на глубине, а не на поверхности. При закалке валков прокатных станов это оказывает положительный эффект, поскольку необходимо обеспечить большую глубину закаленного слоя

Ниже представлены данные для режима, при котором за индуктором на поверхности 950°С, на глубине 100мм за индуктором - 750°С. Ширина индуктора 500мм.

В таблице 7 представлены режимы для закалки валка диаметром 1600мм. Из приведенных данных видно что скорость перемещения при закалки на 50Гц должна быть равна 0.021255 см/с, а следовательно индуктор, расположенный за индуктором на расстоянии 100 мм, дойдет до зоны нагрева за 476,2 с (~8 мин). За такое время температура на поверхности валка и на глубине успеет упасть,

аследовательно режим закалки будет нарушен [52]. Приведенные данные означают, что закалить валок прокатного стана диаметром 1600мм на глубину 100мм не представляется возможным из-за времени (скорости) подхода спрейера к зоне нагрева.

Таблица 7

Режим закалки

АГц] Произ-ть [т/ч] Скорость [см/с] Время [с] Мощность [кВт]

50 12 0,021255 15526 1276,634

Б=1600шш 100 9,7 0,017181 19207,43 1150,192

500 7 0,012399 26616 926,6777

Рисунок 58- Распределение температуры по радиусу валка за индуктором. Валок D=1600. Общее условие - на поверхности валка за индуктором 950°С, на глубине 100мм за индуктором - 750°С.

Источники_тепл оты_[ Вт/ (см^см^см)] 3. 00 оооооооо оооооооо гп гп гп т т т т т + + + + + + + + оооооооо оооооооо

-50 Гц ' -100 Гц -500 Гц

/у

У

бо 65 7о 75 8о Радиус

Рисунок 59- Источники теплоты по радиусу валка за индуктором. Валок D=1200. Общее условие - на поверхности валка за индуктором 950°С, на глубине 25мм за индуктором - 750°С.

4.2 ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ НАГРЕВ ВАЛКА В ГАЗОВОЙ ПЕЧИ

Выше было отмечено, что целесообразно подогревать валок прокатного стана перед закалкой. Подогрев валка возможно осуществлять индукционным способом или при помощи печи. Лучше выполнять подогрев в индукторе, поскольку при таком способе нет необходимости перемещать валок из печи в установку закалки, а так же при таком способе минимальны неопределенные температурные неравномерности. Однако на практике оказывается, что при помощи печи можно распараллелить процессы подогрева и закалки и тем самым увеличить производительность, поэтому возможно использования комплексного подхода, где вначале подогревают валок в печи, а потом при помощи индуктора.

На первом этапе нагрева производится подогрев валка в печи до средней по объему температуры около 300°С.

В примере взята газовая печь с температурой 900°С футеровки и атмосферы, в которой валок нагревается в течении 1.5-х часов (рисунок 60), после чего валок извлекают из печи и на протяжении 30 минут происходит выдержка на открытом воздухе для выравнивание температуры по его сечению и транспортировка (рисунок 61). Это распределение температуры будет начальным для второй стадии нагрева.

Загрузка Материал: steel Внеш радиус = 600 [мм] Вн. радиус ■ 0 [мм] Длина = 2075 [мм) Вес ■ 18304.8 [кг] Кол-во заготовок в пучке «1 Потери на изл. и коне.: -458 5 [кВт] Акт. мощность в загр.: 0 [кВт]

Индукторы Частота = 50 [Гц]

Информация о стадиях (2 из 3) Время стадии: 5405 [с] Врем шаг • 0.016667 [с] — Скорость - 41.5 [см/с]

Время [с] 5400

_| Т_ср [~С| Т_мркГС| Т_ценгр [-С] 4150 | ЗОЫ <97.7 143.3

Т_ср [*С] Т_макс. ['С] Т_мин [*С] 306.1 497 7 143.3

Рисунок 60- распределение температуры в продольном сечении валка после 2 часов нагрева в печи

Температл-ра загрузки

>

0 691 667 1383.33 2075 2766.67 3458 33

Длина зоны [мм]

220°С

Рисунок 61- распределение температуры в продольном сечении валка, подогретого в печи, после 30 минут выдержки на воздухе

4.3. ИНДУКЦИОННЫЙ ПОДОГРЕВ ВАЛКА ПЕРЕД ЗАКАЛКОЙ

Подогрев валка осуществляется следующим образом. При прямом проходе на индуктор подается напряжение, и он начинает движение вдоль валка от его левого торца, когда индуктор полностью проходит валок, то напряжение отключается и индуктор начинает движение в обратном направлении к начальному положению, за это время происходит выравнивание температуры по радиусу валка [53]. На рисунках 62 и 63

89

показано распределение температуры по радиусу в среднем сечении валка после каждого прямого и обратного проходов индуктора. Скорость перемещения индуктора при прямом проходе 2 мм/с, и обратном 10 мм/с, т.е. время прямого прохода составляет 1237.5с ,а обратного 247.5с.

Данная операция повторяется 9 раз, общее время нагрева составляет 3 часа 40 мин. Число проходов - свободный параметр, который определяется, чтобы за данное число проходов валок нагревался в достаточной мере для осуществления последующего нагрева под закалку. После всех проходов подогревов температура бочки валка должна отвечать следующим требованиям: температура на поверхности валка должна быть 700..730 С, а в центре 400 С. При максимальной мощности индуктора 1600кВт со скоростью перемещения индуктора, обеспечивается температурный клин по длине валка не более 30°С. Параметры индуктора:

• Длина - 400мм

• Внутреннийдиаметр - 1670мм

• Числовитковиндуктора - 12

• Числосекций - 2, соединеныпоследовательно

• Длинасекции - 150мм

• Сечениетрубки - 20х16мм, стенка 3мм Напряжениенаиндукторе - 800В

Частота - 100Гц

Потребляемая мощность - до 1600кВт

■1 проход

2 проход

3 проход

4 проход

5 проход

6 проход

7 проход

8 проход

9 проход

1оо 2оо 3оо 4оо 5оо

Радиус, мм

боо

7оо

8оо

Рисунок 62 - распределение температуры по радиусу в среднем сечении валка после прямого прохода

1 проход

2 проход

3 проход

4 проход

5 проход

6 проход

7 проход

8 проход

9 проход

1оо 2оо 3оо 4оо 5оо

Радиус, мм

боо

7оо

8оо

Рисунок 63 - распределение температуры по радиусу в среднем сечении валка после обратного прохода

о

о

800

700

Н 600

пТ о.

й 500 .

400

300

200

100

1 1 : -1 1 1__ ) 4 1 .1

1 1 1- 4- и г-1 V"

-ь з-

ч к

~г 1 1

ч / Г л

-г г Л '

•поверхность центр средняя

1800 3600 5400 7200

время, с

9000

10800

12600