4 Исследование нагрева полого цилиндра внутренним индуктором с сердечником

Цель: определение средних параметров индуктора и максимальной температуры нагрева заготовки; исследование глубины закаленного слоя.

На первой стадии осуществляется нагрев цилиндрическойстальной заготовки толщиной 1 см при постоянной мощности на индукторе 103 кВт, частотой тока 66 000 Гц, со временем нагрева 30 с. На второй стадии – охлаждение погружением в масло при температуре 30°С длительностью 40 с. Параметры индукционной системы приведены в таблице 8.

Таблица 8 – Параметры индукционной системы

Заготовка

XInt., см

XExt., см

Длина, см

Материал

T, °C

4

5

25

0.4 % C Steel anneal

20

Индуктор

X1, см

W, витков

Длина, см

Ω∙см

ТрубкаT×A×d, см



3,5

10

25

2∙10^-6

2,5×1×0,15

0,8

Обратный токопровод

Rre, см

Thickness, см

0,4

0,1

Магнитопровод

XInt., см

XExt., см

Hgap

Permeability

1

2

0,1

50

Процесс

Pind, кВт

f, Гц

t, с

Охлаждение

Стадия

Tmed, °C

103

66000

30

Natural

1 – heating

20

-

-

60

Oil Bath, T=30 °C

2 – cooling

30

Рисунок 12 – Эскиз индуктора и профиль трубки

Параметры токоподводов:T×A×d=1×1×0,15, L=20 см, h=0.2 см.

Рисунок 13 – Система токоподводов

Полученные в результате расчёта средние характеристики представлены в таблице 9. Мощность выделяющееся в заготовке составила 96.8 кВт, полный КПД системы получился равным 0.92.

Рассмотрим график зависимости температуры нагрева заготовки от времени. Из рисунка 11 видно, что температура внутренней поверхности заготовки в конце нагрева равна 870°C, на внешней поверхности температура составляет 700C. После стадии охлаждения температура равна 70°C.

Таблица 9 – Интегральные характеристики процесса нагрева

Заготовка	Мощность, Вт
	96831
Индуктор	Мощность, Вт	Напряжение, В		Ток, А	Полное Сопротивление, Ом		Коэффициент мощности
	103000	628,08		760,58	0,885		0,27
Генератор	Мощность, Вт	Напряжение, В		Ток, А	Полное сопротивление, Ом		Коэффициент мощности
	103000	628,08		240,38	2,63		0,72
КПД	Тепловой		Электрический			Полный
	0,98		0,94			0,92

Рисунок 14 – Изменение температуры в течение нагрева

Чтобы определить возможную глубину закаленного слоя обратимся к цветовой карте температуры, представленной на рисунке 15.

Рисунок 15 – Цветовая карта температуры

Исходя из условия о том, что температура, при которой в стали происходят структурные превращения при резком охлаждении, примерно равняется 800°C видно, что закалённый слой равен примерно 0,3 см.

Данный вывод подтверждается результатом исследования эффективной глубины проникновения тока, которая равна в конце нагрева 0,24 см (рисунок 15).

Рисунок 15 – Эффективная глубина проникновения тока