Эксперименты и практика эксплуатации электроконтактных установок показали, что при времени нагрева, близком к данным, приведенным выше, получается вполне удовлетворительная равномерность нагрева, с точки зрения требований, предъявляемых к равномерности нагрева заготовок подлине при радиальных и торцовых контактах.

2. Характеристика материала заготовок

Нагреву для последующей обработки давлением подвергаются преимущественно стальные заготовки, поэтому ниже рассматриваются характеристики и приводятся данные, относящиеся главным образом к стали.

Для электроконтактного нагрева существенное значение имеют следующие характеристики материала нагреваемых заготовок: теплоемкость, теплопроводность, магнитная проницаемость и удельное электрическое сопротивление.

Все они в большей или меньшей степени оказывают влияние на режим нагрева, его технологические особенности и на технико-экономические показатели работы электроконтактной установки. Поэтому знание закономерностей, свойственных каждой из этих характеристик, и технологических особенностей режима нагрева необходимо для рационального и эффективного применения данного способа нагрева в каждом конкретном случае.

Теплоемкость материала является фактором, определяющим "количество тепловой энергии, которую необходимо сообщить нагреваемой части заготовки для нагрева ее до заданной температуры.

Теплоемкость большинства материалов, в том числе и стали, зависит от температуры нагрева, поэтому теплосодержание массы материала нагреваемой детали или заготовки, необходимое для повышения температуры до заданного значения, зависит от этого значения.

На рисунке 3.1 приведена зависимость теплоемкости и теплопроводности сталей от температуры . Из фигуры видно, что теплоемкость до температуры 450—500" С изменяется незначительно, при 500—800о С она изменяется резко, затем снова незначительно, а при температуре свыше 1000° С она остается почти постоянной (даже несколько падает).

Рисунок 3.1 - График

При расчете характеристик электроконтактных нагревательных установок удобно пользоваться средней теплоемкостью для заданных температур нагрева, по которой и определяется теплосодержание, потребное для нагрева данной массы металла до соответствующей температуры.

Теплопроводность материала нагреваемой детали и контакта играет довольно большую роль при электроконтактном нагреве и оказывает влияние на следующие технологические показатели: на скорость выравнивания температуры по поперечному сечению нагреваемой детали и по длине, а следовательно, и на производительность установки; на возможность оплавления заготовки под контактами и сварки детали с контактом, а это, в свою очередь, сказывается на конструкции контактов и допустимом токе.

Скорость выравнивания температуры тем быстрее, чем больше теплопроводность материала. Поэтому детали, обладающие большим коэффициентом теплопроводности, в меньшей степени склонны к неравномерному распределению температуры по длине, так как тепловая энергия, выделяемая в переходном контактном сопротивлении, отводится быстрее и в больший объем детали, следовательно, температура этой, хотя и более широкой, зоны будет относительно ниже.

Выравнивание температуры по сечению детали облегчается в большей степени, чем выше теплопроводность, так как при этом тепловая энергия, сконцентрированная в начальный период нагрева в сравнительно узком поверхностном слое детали, интенсивней отводится в центральную зону, что приводит к уменьшению температурного перепада между поверхностной и центральной зонами и выравниванию температуры по длине.

Следовательно, величина температурного перепада по сечению становится меньше в тем большей степени, чем больше теплопроводность.

Изучение характера и степени влияния теплопроводности осложняется еще и тем, что коэффициент теплопроводности, как и теплоемкость, изменяется в процессе нагрева в зависимости от температуры.

Важную, а иногда и решающую роль теплопроводность материала играет при торцовом нагреве (деталь зажимается с торцов) и при электроконтактной высадке металлов. В этих случаях режим нагрева, скорость протекания процесса высадки, а следовательно, и производительность, качество нагрева и набора металла или высадка изделия зависят от теплопроводности материала обрабатываемой детали.

Не менее важное значение имеет теплопроводность токоподводящего зажимного торцового контакта, так как от того, насколько интенсивно тепло отводится от нагреваемой детали с торца в толщу контакта, зависит перегрев или недогрев конца детали, а также оплавление и сварка контактирующих участков детали и контакта.

О роли теплопроводности при торцовом нагреве можно сказать следующее:

1. Если теплопроводность материала контакта и детали мала, то неизбежен перегрев конца детали.

2. Если теплопроводность материала детали мала, а контакта велика, то конец детали будет недогрет, а зона детали, находящаяся на небольшом расстоянии от торца, будет перегрета.

3. Существуют оптимальные значения коэффициентов теплопроводности материала детали и контакта, при которых условия нагрева будут наиболее благоприятными.

Магнитная проницаемость. Так как при электроконтактном нагреве используется переменный ток промышленной частоты ( 50 периодов), то, как уже указывалось, в нагреваемых телах в и большей или меньшей степени наблюдается явление скинн-эффекта, влияние которого зависит не только от геометрических размеров поперечного сечения тела и его удельного электрического сопротивления, но и от магнитной проницаемости. Последняя оказывает существенное влияние на следующие характеристики нагреваемой детали и нагревательной установки: на электрическое (активное и реактивное) сопротивление детали, а следовательно, и на технико-экономические показатели электроконтактной установки; на степень неравномерности распределения температуры по сечению нагреваемой детали, а следовательно, и на скорость нагрева; па энергетические характеристики режима нагрева (тока, мощности и напряжения), изменяющиеся в процессе нагрева в зависимости от изменения магнитной проницаемости.

Такое влияние магнитной проницаемости объясняется тем, что толщина поверхностного слоя детали, в котором концентрируется ток, тем меньше, чем больше проницаемость.

Как известно, сущность явления скинн-эффекта заключается и том, что электрический ток распределяется неравномерно по поперечному сечению нагреваемой детали, концентрируясь в периферийном слое определенной толщины.

Чем больше магнитная проницаемость, тем меньше глубина слоя концентрации тока и тем более резко выражена неравномерность распределения тока в этом слое.

Дли упрощения расчетов неравномерное распределение переменного тока заменяется условно током постоянного значения, равным току на поверхности детали, распределенному в поверхностном слое определенной толщины, и носящим название глубины проникновения тока. Последняя определяется из условия одинаковой тепловой эффективности неравномерно распределенного тока с равномерно распределенным на глубину проникновения и равного по величине значению тока на поверхности.

Исходя из этого условия глубину проникновения δ (в см) можно определить из формулы:

 (7)

Где ς - удельное электрическое сопротивление в ом-см;

f — частота тока в гц;

μ— магнитная проницаемость материала детали.

Из формулы следует, что глубина проникновения обратно пропорциональна корню квадратному из магнитной проницаемости. Следовательно, значение величины μ для данного материала в известной степени определяет значение указанных выше характеристик. Однако вопрос осложняется тем, что μ находится в своеобразной зависимости от температуры и тока. Поэтому изменение соответствующих характеристик детали и нагревательной установки в процессе нагрева определяется преимущественно характером зависимости магнитной проницаемости от температуры и в меньшей степени от тока.

До температуры точки Кюри, различной для различных материалов, магнитная проницаемость почти не изменяется или изменяется очень незначительно. При переходе через точку Кюри магнитная проницаемость независимо от дальнейшего повышения температуры быстро падает до постоянной величины.

Исходя из этого можно сделать вывод, что и указанные выше характеристики, зависящие от магнитной проницаемости, претерпевают аналогичные изменения, когда деталь достигнет температур, близких к температуре точки Кюри. Однако это не так — изменение характеристик происходит плавно во всем диапазоне температур нагрева.

Изложенное может быть объяснено следующим образом:

1.   Явление скинн-эффекта при использовании тока промышленной частоты сравнительно слабо выражено.

2.   На изменение тока и мощности, кроме магнитной проницаемости, влияют и другие факторы, в частности, удельное электрическое сопротивление, возрастающее с ростом температуры.

Зависимость магнитной проницаемости от тока (напряженности магнитного поля) показана на рисунке 3.2

Из кривой видно, что при определенном значении тока или напряженности магнитного поля магнитная проницаемость достигает максимума, после которого она сравнительно быстро падает до примерно постоянного значения, мало изменяющегося с дальнейшим повышением тока.

Рисунок 3.2 - Зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля

При электроконтактном нагреве магнитная проницаемость лежит, как правило, далеко справа от максимума кривой на рисунке 3.2. Поэтому изменение проницаемости от тока при электроконтактном нагреве не учитывают, считая ее постоянной для соответствующего интервала температур.

При электроконтактном нагреве магнитная проницаемость лежит, как правило, далеко справа от максимума кривой на рисуке 3.2. Поэтому изменение проницаемости от тока при электроконтактном нагреве не учитывают, считая ее постоянной для соответствующего интервала температур.

Магнитная проницаемость влияет на количество энергии, выделяемой в стали вследствие перемагничивания (так называемые потери гистерезиса), и считается в электрических машинах и трансформаторах явлением отрицательным.

При электронагреве эта энергия — явление положительное, так как она возникает в массе нагреваемой заготовки.

Энергия, выделяемая в заготовке вследствие гистерезиса, может быть вычислена по формуле Штейметца [7]:

Pг = kB1.6mfv(8)

Где k — коэффициент Штейметца, 0.6…..0.75 зависящий от свойства материала нагреваемой детали, значения которого для различных материалов приведены ниже; Вт — максимальная индукция в гс;

f—-частота перемагничивания в гц;

V — объем материала, подвергающегося нагреву, в см3

Если подставить в формулу Штейметца значения коэффициента k, максимальной магнитной индукции Вт и выразить энергию в вт, то применительно к сталям, нагреваемым для обработки давлением, получим величины в долях ватта на единицу объема, что по отношению к энергии, необходимой для повышения температуры материала (единицы объема)

на 1 °С, не превышает нескольких процентов даже в начальной стадии нагрева, когда температура нагреваемой детали низкая. При температурах, близких и выше точки магнитного превращения (точка Кюри), когда материал теряет магнитные свойства, потери на гистерезис практически будут отсутствовать. Поэтому при электроконтактном нагреве до температуры 1000—1200° С тепловую энергию гистерезиса не учитывают.

Но в тех случаях, когда нагревают до 200—400° С и когда магнитная проницаемость велика, а температура нагрева регулируется достаточно точно, энергию гистерезиса, выделяющуюся в нагреваемой детали, необходимо учитывать.

Удельное электрическое сопротивление материала нагреваемой детали является одним из основных физических факторов, от которого непосредственно или косвенно зависят электротехнические характеристики режима нагрева и технико-экономические показатели электроконтактной нагревательной установки.

От него прежде всего зависит величина тока и напряжения на нагреваемой детали. Электрическое сопротивление изменяется в зависимости от температуры, этим вызывается изменение соответствующих характеристик и показателей.

Аналитически значение удельного электрического сопротивления для данной температуры определяется по формуле:

 (9)

где ς t — удельное электрическое сопротивление заготовки при

температуре t2;

ς 0 — удельное электрическое сопротивление при t1 ~ 20° С; α — температурный коэффициент сопротивления для соответствующего материала нагреваемой заготовки. При электроконтактном нагреве зависимость удельного электрического сопротивления от температуры сказывается на технологическом режиме нагрева.

3.   Потери энергии

Экономическая эффективность любого способа нагрева и оборудования зависит от потерь энергии при нагреве данной конкретной детали или заготовки.

При электронагреве различают два вида потерь: тепловые и электрические. Первые обусловливаются наличием трех видов или процессов теплообмена между телами с различной температурой: излучения, теплопроводности и конвекции.

В частности, при электроконтактном нагреве тепловые потери могут быть следствием указанных трех видов теплообмена.

Обычно трудно провести четкое разграничение между процессами, так как они могут проявляться одновременно, но в разной степени. Поэтому тот процесс, который будет преобладать над другим, является основным и определяющим процессом теплообмена.

Рассмотрим каждый вид тепловых потерь применительно к электроконтактному нагреву.

Потери излучением с поверхности нагреваемой заготовки составляют существенную долю тепловых потерь при электроконтактном нагреве.

Как уже указывалось такого вида потери зависят от температуры нагрева, типоразмера нагреваемой заготовки и состояния ее поверхности.

Зная удельные потери, нетрудно вычислить мощность потерь излучением со всей поверхности нагреваемой заготовки для соответствующей температуры

P3=5,7e0(T24 - T14)10-12 вт/см2, (10)

где е0 — коэффициент излучения поверхности в вт/(см2-град)4;

Т1и Т2—абсолютная температура (исходная и конечная) поверхности заготовки.

Приближенно полную энергию потерь вследствие излучения с нагреваемой заготовки за период нагрева можно вычислить исходя из следующего допущения: удельная мощность излучения в среднем равна 12 вт/см2, это соответствует примерно температуре 1100—1200 ° С при коэффициенте излучения поверхности, равном 0,8.

Такое допущение заранее предопределяет некоторое завышение потерь излучением по сравнению с расчетными, которые могут быть получены для каждого конкретного случая аналитическим путем, если воспользоваться зависимостью роста температуры от времени нагрева. Следует учитывать, что потери такого рода при принятой в настоящее время продолжительности нагрева малы, а при температуре 700—750° С они еще меньше (продолжительность нагрева до этих температур всегда больше половины общего времени нагрева). Поэтому при принятых допущениях и значении средней удельной мощности, соответствующей температуре 1100—1200° С, в процессе нагрева можно учесть с достаточной для практики точностью все потери излучением с нагреваемых заготовок различных типоразмеров. В тех случаях, когда интенсивность нагрева мала (продолжительность нагрева большая), т. е. когда время повышения температуры от 800—900 до 1100—1200° С больше половины всей продолжительности нагрева, удельные потери излучения и общие потери следует рассчитывать с учетом зависимости температуры от времени в процессе нагрева.

Общие потери излучения цилиндрической детали найдем из формулы:

 (11)

Где τ — время нагрева в сек;'

l2 — длина нагреваемой зоны детали в см;

рэ — удельная мощность излучения в впг/см2;

d2 — диаметр детали в см.

Потери конвекцией. Тепловые потери с нагреваемой детали вследствие конвекции составляют значительно меньшую часть от общих тепловых потерь по сравнению с потерями излучением.

Мощность потерь конвекцией с цилиндрической детали можно определить по формуле

 (12)

где F2 — поверхность детали в см2.

При подсчете потерь, вызванных конвекцией, необходимо иметь н пиду, что они зависят не только от температуры тела, но и от температуры воздуха, от направления и турбулентности потока, от формы и ориентации тела в пространстве и т. д.

В электроконтактных установках, как правило, нагреваемые детали или заготовки расположены горизонтально, имеют простую форму (цилиндрическую или прямоугольную), охлаждение воздухом естественное, так как на установках и вблизи них нет воздушных вентиляторов или других устройств, создающих принудительное

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7