Активное сопротивление детали:

. (36)

Реактивное сопротивление:

. (37)

Полное сопротивление:

(38)

где l2 — длина нагреваемой детали в см;

и2 — периметр поперечного сечения детали в см;

μ — магнитная проницаемость материала;

ς2 —удельное электрическое сопротивление в .ом-см;

f — частота тока.

Из всех переменных, входящих в формулы (36)—(38), неизвестной является магнитная проницаемость. Так как она определяется неоднозначно в зависимости от напряжения магнитного поля (тока) и гистерезиса, а последние зависят еще и от температуры, то найти ее весьма затруднительно.

Поэтому для расчета сопротивления заготовок, находящихся в холодном состоянии, следует брать определенное значение магнитной проницаемости для данной стали и считать ее постоянной до температуры 750—780 °С, а свыше этой температуры — равной единице.

Определение напряжения на нагреваемой детали

Напряжение на нагреваемой детали необходимо знать для определения вторичного напряжения силового трансформатора, так как без этого нельзя рассчитать число витков обмоток последнего.

Напряжение, потребное на заготовке для нагрева ее до заданной температуры, определяется по формуле: (39)

где z2 — определяется по формуле (38);

P2— определяется по формуле (29);

r2 — определяется по формуле (36).

В случае, когда скинн-эффектом можно пренебречь (при температуре нагрева выше точки Кюри для заготовок диаметром до 70 мм), формулу (39) можно выразить через параметры детали и теплоемкость:

 . (40)

В которой постоянный коэффициент зависит от удельного веса материала нагреваемой детали. Для стали его можно принять равным 6.

Следовательно, напряжение на детали, не зависит от ее поперечного сечения, а зависит только от ее длины (пропорционально длине).

Другим фактором, от которого зависит напряжение на детали, является время нагрева τ.

После определения теплового к. п. д. ήt для выбранного типа нагревательной установки по кривой 2 на рисунке 4.2 и зная среднюю теплоемкость, а также среднее удельное электрическое сопротивление, можно по формуле (40) найти напряжение, потребное для данной заготовки.

Рассчитанное по этим формулам напряжение будет достаточно точным и обеспечивающим требуемый режим электроконтактных установок обособленного нагрева. Для установок других технологически-конструктивных групп, таких как установки для набора металла или установки, в которых совмещается набор металла с высадкой, расчет напряжения на заготовке должен производиться с учетом особенностей нагрева на этих установках.

Расчет тока, потребного для нагрева детали

Для нагрева данной конкретной детали или заготовки с установленной скоростью необходимо пропустить через нее вполне определенный электрический ток.

Потребный ток определяется по формуле: (41)

Так как и2 и z2 известны из формул (40) и (41), то вычислить потребный ток нетрудно.

Для вычисления тока в начальный, конечный периоды нагрева или в любой другой момент времени в формулу (41) необходимо подставить соответствующее этому моменту значение полного сопротивления z2; если влиянием скинн-эффекта можно пренебречь, то активное сопротивление r2 можно вычислить по известной формуле с учетом возможного повышения температуры.

После определения конструктивных размеров элементов силовой цепи и всей.установки рассчитывают по ним более точно значения сопротивления r2 и z2, а по формуле (41) находят величину тока.

Расчет сечения токоподводящих шин

Площадь сечения шин вторичной силовой цепи электроконтактной установки определяется с учетом следующих условий:

1.  Длина шины выбирается (насколько это возможно по конструктивным соображениям) минимальной.

2.  Толщина шины не должна превышать 30—35 мм, так как увеличение толщины из-за наличия скинн-эффекта вызывает излишний расход материала.

Масса материала оказывает влияние на тепловые характеристики: чем она больше, тем больше требуется тепловой энергии для повышения ее температуры на 1° С. Поэтому при одних и тех же потерях в шинах повышение температуры тем меньше, чем больше масса шины. Но это продолжается только до установления стационарного состояния.

3.  Одна из шин в большинстве случаев должна быть гибкой, если она крепится к подвижной зажимной головке. Поэтому такая шина должна набираться из медной полосовой фольги.

4.  Так как электрические токи в шинах вторичной цепи нагревательных установок довольно велики, то при обычных допустимых плотностях тока сечения шин будут слишком большие. Поэтому все жесткие шины следует охлаждать водой и предусматривать плотности, которые в 2—2,5 раза больше плотностей, допускаемых для шин с естественным охлаждением воздухом.

5.  Для гибких шин, не охлаждаемых водой, при расчете площади поперечного сечения рекомендуется принимать удельную плотность тока 3—2,5 а/мм2.

6.  Расчетным током служит ток, определяемый по формуле:

I2P= I2 √kn.в,(42)

где I2 — ток, определяемый по формуле (41), при подстановке в нее средних значений напряжения на заготовке u2 и полного сопротивления последней z2;

kn.в — показатель повторно-кратковременного режима, определяемый как отношение времени нагрева к общему времени цикла работы установки с учетом времени, которое затрачивается на загрузочно-разгрузочные, транспортные, машинные и другие операции и паузы между ними.

Показатель kn.в выраженный в процентах, обычно называется коэффициентом повторного включения.

При проектировании установок большой мощности с малым вторичным напряжением ширина шин Может получиться настолько большой, что по конструктивным условиям гибкую шину вообще нельзя или очень трудно выполнить. В случае, если необходимо иметь гибкую шину, то придется идти на некоторое увеличение ее сечения или на применение воздушного искусственного охлаждения. Жесткие шины охлаждаются водой и используются при применении токов большой плотности.

Необходимо при этом иметь в виду, что увеличения плотности тока в 2—2,5 раза и больше в шинах не следует опасаться, так как потери и к. п. д. в электроконтактных установках определяются в основном сопротивлением переходных контактов и других элементов цепи.

5. Основные технико-экономические показатели электроконтактного способа нагрева

Основными технико-экономическими показателями всякого способа нагрева являются: 1) скорость нагрева; 2) к. п. д. нагревательных устройств; 3) стоимость нагрева; 4) качество металла после нагрева; 5) стоимость штампов и 6) коэффициент мощности для электронагревательных установок.

Скорость нагрева. Вопрос о скорости электроконтактного нагрева был довольно подробно рассмотрен в гл. I, здесь достаточно будет сослаться на то, что последующие расчеты и данные, касающиеся установления зависимости технико-экономических показателей электроконтактного способа от параметров нагреваемых заготовок, справедливы для условия, когда время нагрева определяется по формуле:

τ = d22 cek,(42)

где d2 — диаметр заготовки в см.

Продолжительность электроконтактного нагрева, определяемая по формуле (42), является примерно средней между применяемой в настоящее время на практике и той, которая может быть использована для заготовок диаметром 20—100 мм при перепаде температур по длине и сечению, равном 100 °С.

К. п. д. электроконтактной установки зависит прежде всего от технологической группы и конструктивного типа последней и от геометрических параметров нагреваемой заготовки.

Сопоставление показателей при электроконтактном нагреве с показателями при других способах нагрева можно сделать только при условии, если речь идет об установках обособленного нагрева технологической группы I, установки же других технологических групп не являются нагревательными устройствами в том смысле, в каком обычно говорят об индукционных или о пламенных печах.

Общий к. п. д. можно определить из формулы

где к. п. д. трансформатора ήтр не зависит от геометрических размеров заготовок и равен ~0,94.

С помощью формул (21) и (22) и (42) можно вычислить общий к. п. д. электроконтактного нагрева для заготовок различных типоразмеров.

На рисунке 6.1 приведены кривые зависимости общего к. п. д. установок электроконтактного нагрева от диаметра нагреваемых заготовок. Если при электроконтактном нагреве соблюдается условие l2/d2 > 1, то общий к. п. д. практически не зависит от диаметра заготовок при соблюдении условия формулы (42).

Стоимость электроконтактного нагрева. При электроконтактном способе нагрева на установках технологической группы I расходы на нагрев 1 т металла складываются из одних и тех же статей, что и при других способах: стоимости энергоносителя (электроэнергии), затрачиваемой на нагрев 1 т металла, амортизационных расходов, стоимости обслуживания, стоимости воды и воздуха, расходуемых при нагреве 1 т.

Стоимость электроэнергии при электроконтактном нагреве определяется из формулы:

Сэ = (Wmin / ήо )Сэ1,.(43)

где Wmin — теоретический минимум энергии, необходимой для нагрева 1 т металла до соответствующей температуры (1100 0С), в квт-ч/т;

ήо — общий к. п. д. нагревательного устройства;

С э1 — стоимость 1 квт-ч электроэнергии.

Рисунок 6.1 - Зависимость общего к. п. д. установок для электроконтактного нагрева от диаметра заготовок:

1 — l2/ d22 = 1; 2 — l2 = 1000 мм; 3 — l 2 = 100 мм.

Если использовать к. п. д., выраженный кривыми на рисунке 6.1, то получим кривые 1, 2, 3 на рисунке 6.2, показывающие зависимость стоимости электроэнергии, расходуемой на 1 т металла заготовок длиной 200 и 1000 мм, от различных условий.

Из этих кривых видно, что при соблюдении условия l2/ d22 = 1 стоимость электроэнергии не превышает 3,5 руб/т независимо от диаметра заготовок.

Амортизационные расходы на оборудование электронагревательных устройств складываются из амортизационных отчислений от общей стоимости оборудования и от стоимости его капитального ремонта в год.

Электроконтактные установки изготовляют мелкими сериями не специализированными организациями, поэтому стоимость их, несмотря на простоту конструкции, сравнительно велика.

Амортизационные расходы при электроконтактном нагреве определяют из формулы:

. (44)

Где Сн — стоимость электроконтактной установки в руб.; а3 — процент амортизационных отчислений; Ср — стоимость годового ремонта электроконтактной установки в руб.;

а0 — число часов работы установки в год;

Рн — номинальная мощность установки в кет;

cos φ — коэффициент мощности установки.

Рисунок 6.2 - Зависимость стоимости электроэнергии и воды при нагреве от диаметра заготовок:

1 — l2/ d22 = 1; 2 — l2 = 200 мм; 3 — l 2 = 1000 мм стоимость электроэнергии; 4 —l2/ d22 =1; 5 — l 2 = 200 мм; 6 — 10 = 1000 мм, стоимость воды

Данные на рисунке 6.2 справедливы только при следующих значениях членов в формуле (44) и постоянном коэффициенте, равном 0,5: а3 = 10% , Сн = 7500руб., Wmin = 192 квт-ч, Рн = 250ква, Ср = 1000 руб., а0 = 4200 ч, cos φ = 0,8. Из этой формулы следует, что амортизационные расходы на 1 т нагреваемого металла при электроконтактном нагреве не больше 1 руб., если l2/ d22 = 1. Стоимость электроэнергии в 5 раз больше амортизационных расходов.

Стоимость обслуживания электроконтактных установок. При определении стоимости обслуживания принимается, что один нагревальщик обслуживает двенагревательные установки мощностью 250 ква каждая. Тогда можно принять, что средняя часовая заработная плата рабочего с учетом отчислений на специальное страхование составит 0,615 руб/ч.

С учетом производительности нагревательной установки, коэфициента мощности и общего к. п. д. расходы на обслуживание могут быть определены из формулы:

. (45)

где Сч = 0,615 руб/ч — часовая заработная плата нагревальщика;

Кц — коэффициент, учитывающий долю расхода на общецеховой персонал.

Ориентировочно можно принять Кц — 1,1 (10% от заработной платы нагревальщика). Стоимость обслуживания может быть найдена по формуле для расчета стоимости амортизационных расходов.

Стоимость воды, расходуемой на охлаждение электроконтактных установок. Электроконтактные нагревательные установки потребляют большое количество электрической энергии; в токоведущих элементах, охлаждаемых водой, наблюдаются значительные тепловые потери. Поэтому для охлаждения этих элементов требуется соответствующее количество воды, которое зависит от тепловых потерь.

Так как тепловые потери учитываются электрическим к. п. д., то потребное количество воды и стоимость ее на 1 т металла можно определить в зависимости от к. п. д. установки, а следовательно, и от геометрических размеров заготовки. Стоимость воды, отнесенную к 1 т металла, можно вычислить по формуле:

 (46)

Где - Wmin теоретический минимум энергии, необходимый для нагрева 1 т металла до температуры 1200 0С в квт-ч;

∆t — разность температур воды на входе и выходе из охладительной системы установки.

Постоянный коэффициент в формуле соответствует условию, когда

∆t = 25° С и с4 = 0,6 коп/м3 воды.

Пользуясь кривыми, приведенными на рисунке 6.1 для к. п. д. ήо, и значениями электрического к. п. д., получим стоимость воды, отнесенную к 1 т металла, в зависимости от диаметра нагреваемых заготовок (кривые 4—6 на рисунке 6.2).

Из формулы (46) и кривых на рисунке 6.2 видно, что стоимость воды, отнесенная к 1 т металла, не превышает 0,3 руб. при l2/ d22 = 1.

Следовательно, все основные статьи расходов, связанные с нагревом металла, учтены.

В отдельных случаях приходится учитывать стоимость штампов, но так как в настоящее время нет даже сколько-нибудь надежныхданных, касающихся стойкости штампов при различных способах нагрева, основаны на эксплуатации электроконтактных установок Горьковского автозавода с радиальными зажимными контактами, непригодных для нагрева заготовок под объемную штамповку, то здесь принимается, что износ штампов будет одинаковый при всех способах нагрева.

Общая стоимость нагрева. Из указанных выше статей расходов складывается общая стоимость нагрева 1 т металла электроконтактным способом:

Рисунок 6.3 - Зависимость общей стоимости нагрева электроконтактным способом от диаметра заготовок

1 — l2/ d22 = 1; 2 — l2 = 1000 мм; 3 — l 2 = 200 мм

На рисунке 6.3 приведены кривые, показывающие зависимость стоимости нагрева 1 т металла от диаметра нагреваемых заготовок.

Сопоставление технико-экономических показателей двух способов нагрева

Приведенные выше экспериментально-расчетные данные двух электрических способов сквозного нагрева металлов и рассмотрение условий, которым они соответствуют, позволяют сопоставить основные и наиболее важные их технико-экономические показатели.

Скорость нагрева. Зависимость времени (продолжительности)

нагрева заготовок от их диаметра для указанных двух способов нагрева приведена на рисунке 6.4.

Рисунок 6.4 - Зависимость времени нагрева заготовок различными способами от диаметра последних: 1 — электроконтактный; 2 — индукционный.

Скорость индукционного нагрева соответствует оптимальной частоте и температурному перепаду между центральной и периферийными зонами, равному не более ∆t = 100° С (экспериментальные кривые на рисунке 6).

Значения скоростей электроконтактного способа нагрева соответствуют эксплуатационным значениям скоростей действующих установок (кривая 3 на рисунке 8).

Коэффициент полезного действия. Для сопоставления к. п. д. двух этих способов нагрева на рисунке 6.5 приведена зависимость общих расчетно-эмпирических к. п. д. от диаметра нагреваемыхзаготовок.

Так как к. п. д. электроконтактных установок находится в зависимости от длины заготовок при одном и том же диаметре, то на фигуре приведены кривые для l2= 100 мм и l2 = 1000 мм и для оптимального условия, соответствующего отношениюl2/ d22 >= 1.

Из фигуры видно, что, начиная со значения отношения l2/ d22 = 1,0, к. п. д. электроконтактных установок примерно в 1,5— 2 раза больше к. п. д. индукционных установок.

К. п. д. индукционных установок при оптимальной частоте и постоянном зазоре между катушкой индуктора и заготовкой (25 мм) имеет наибольшее значение и равен 0,42—0,44 , для заготовок диаметром 30—100 мм; при изменении диаметра заготовок в ту или иную сторону к. п. д. уменьшается до 0,25—0,3.

Стоимость нагрева 1 т металла. При сопоставлении стоимости нагрева 1 т металла для рассматриваемых способов нагрева необходимо иметь в виду, что она зависит от геометрических параметров нагреваемых заготовок и нагревательного устройства.

На рисунке 6.6 приведена зависимость стоимости нагрева 1 т металла от диаметра нагреваемых заготовок для рассматриваемых способов нагрева.

Рисунок 6.5 - Зависимость общего к. п. д. для различных способов нагрева от диаметра заготовок:

1 — для индукционного; 2 — l2/ d22 = 1; 3 — l2 = 100 мм;

4 — l 2 = 1000 мм для электроконтактного способа нагрева.

Приведенные данные позволяют сделать следующие выводы:

1. Из двух электрических способов сквозного нагрева заготовок с поперечными сечениями до 100 мм и длиной более 150 мм электроконтактный способ является экономичнее индукционного.

2. При l2/ s2 >= 1 электроконтактный нагрев в 1,5—2,0 раза дешевле индукционного.

3. Стоимость нагрева 1 т металла индукционным способом наибольшая для заготовок малого диаметра, наименьшая для заготовок среднего диаметра (40—75 мм).

4. К. п. д. этих способов нагрева, а следовательно, и стоимость нагрева 1 т металла зависят от геометрических параметров нагреваемых заготовок.

Для получения наибольшего значения к. п. д. и большей производительности нагревательного устройства при индукционном способе необходимо иметь оптимальную частоту тока, при этом следует соблюдать условие l2/ δ2 > 5/6, а при электроконтактном способе — условие l2/s2 > 1 при прочих равных условиях.

5. При индукционном способе нагрева существенное значение имеет эксплуатационный к. п. д. индукционного устройства, включая генератор, питающий нагревательный индуктор или несколько индукторов; работа их вхолостую или с неполной нагрузкой значительно снижает к. п. д.

При электроконтактном способе нагрева понятие эксплуатационного к. п. д. теряет свой обычный смысл, так как электроконтактные установки не работают вхолостую, при выключении нагрева трансформатор отключается от сети и энергия из сети не потребляется.

Рисунок 6.6 - Зависимость стоимости нагрева 1 т металла различными способами от диаметра заготовок:

1 — для индукционного способа нагрева; 2 — l2/ d22 = 1; 3 — l2 = 100 мм; 4 — l2 = 1000 мм для электроконтактного нагрева

Приведенные технико-экономические показатели позволяют сделать вывод о том, что электроконтактный способ является технически наиболее совершенным, экономически более эффективным и рентабельным; конструкция нагревательных установок наиболее проста и удобна в эксплуатации по сравнению с индукционными и печными установками.

Однако это ни в какой степени не снижает ценности индукционного способа при применении его в тех областях, в которых индукционный принцип передачи энергии в нагреваемую массу металла является единственно целесообразным — при нагреве коротких мерных заготовок диаметром более 50 мм под объемную штамповку, при нагреве для поверхностной закалки, сквозном нагреве заготовок с большим поперечным сечением (более 100 мм) и для других технологических операций.

Весьма существенное значение имело бы сопоставление технико-экономических показателей электрических способов нагрева с печным, но сделать это в общем виде, подобно произведенному выше, для рассмотренных способов крайне затруднительно, поэтому практически производится сопоставление для каждого конкретного случая отдельно.

Заключение

Приведенные технико-экономические показатели позволяют сделать вывод о том, что электроконтактный способ является технически наиболее совершенным, экономически более эффективным и рентабельным; конструкция нагревательных установок наиболее проста и удобна в эксплуатации по сравнению с индукционными и печными установками.

Современное развитие машиностроения связано все с большим применением труднообрабатываемых материалов, деталей сложной конфигурации, большая часть из которых имеет низкую производительность при механической обработке. Одним из перспективных направлений новых технологий, позволяющих значительно увеличить производительность обработки, а также стойкость инструментов является электроконтактная обработка, сущностью которой является создание искусственного источника тепла в зоне обработки от ввода технологического тока, что, в свою очередь, ведет к увеличению производительности обработки в несколько раз. Следует также иметь в виду, что электроконтактная обработка не только позволяет получать поверхности высокой точности и низкой шероховатости, но и при необходимости упрочнять поверхностный слой детали. Для получения же аналогичного качества поверхности при лезвийной обработке требовалась дополнительная термическая обработка поверхностей.

Одним из наиболее эффективных способов термической интенсификации рассматриваемого процесса является нагрев деформируемого профиля, позволяющий повысить пластические свойства материала заготовки. На Комсомольском-на-Амуре авиационном производственном объединении освоен процесс гибки профилей с растяжением на станке ПГР-7 с применением электроконтактного нагрева заготовки, позволяющий существенно повысить точность изготовления деталей из высокопрочных материалов.

Установка работает так: заготовку устанавливают в изолированные от корпуса зажимные патроны, к которым с помощью специальных шин от силовых трансформаторов типа ТКП 150/2 подводится электрический ток, после чего производится электроконтактный нагрев профиля до необходимой температуры. Затем заготовка подвергается предварительному растяжению и обтяжке по пуансону до заданных размеров. После окончания изгиба выключают нагрев и прикладывают к концам заготовки калибрующее усилие. При этом профиль находится на оправке до полного остывания. Благодаря тому, что профиль изолирован от корпуса с одной стороны асбестовой тканью, а с другой - асбоцементной прокладкой, которые обладают низкой теплопроводностью, удается осуществить обтяжку в нагретом состоянии, что практически полностью устраняет пружинение и повышает точность. Корректировка оснастки и промежуточный отжиг в печах при этом не требуется.

Таким образом, разработанный и внедренный в производство технологический процесс и оснастка для его реализации позволяют повысить точность изготовления гнутых из профилей деталей без корректировки формообразующей оснастки и повысить производительность за счет исключения ручных доводочных операций, что особенно важно для высокопрочных материалов.

Список использованной литературы

1. Романов Д.И. Электроконтактный нагрев металлов 2-е изд., перераб. и доп. - М. Машиностроение, 1981г. – 166 с.

2. Алиферов А.И., Лупи С. Электроконтактный нагрев. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004г. – 224 с.

3. Хасин Г.А., Дианов А.И., Попов Т.П. - М.: Металлургия, 1984г. - 284с.

4. Болотов А.В., Шепель Г.Л., Электро- технологические установки.- М. Машиностроение, 1980г. – 160 с.

5. Мостовяк И.В. Цепи уравновешивания режимов трёхфазных систем с установками электроконтактного нагрева. - Киев. ИЭД, 1988г. - 266с.

6. Болотин И.Б., Эйдель Л.З. Измерения в переходных режимах короткого замыкания. - Л.: Энергия, 1981г. -192с.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7