indukční ohřevy automobilová technika služby firmy ROBOTERM
indukční ohřevy
automobilová technika
služby firmy ROBOTERM

Doba ohřevu a teplotní profil

Rovnoměrnost ohřevu je jedním z hlavních kritérií hodnocení kvality ohřevu v kovárnách. V praxi se měří teplota ohřátého polotovaru bezkontaktně pyrometrem. Teplota povrchu ale vypovídá jen málo o kvalitě ohřevu. Měření teploty uvnitř polotovaru je značně komplikované, proto je velmi výhodné použití počítačové simulace, která vypočítá celý časový průběh teplotního profilu jádro-povrch.

Vlivem skin efektu se teplo vyvíjí více u povrchu součásti a do středu se dostává vedením. Hloubka vniku, ve které se vyvíjí nejvíce tepla, závisí na frekvenci. Vysoké frekvence způsobují malou hloubku vniku a prodlužují potřebnou dobu ohřevu. Nízké frekvence prohlubují hloubku vniku a zkracují potřebnou dobu ohřevu. Příliš nízké frekvence způsobují průzařnost a snižují účinnost ohřevu. Je třeba volit dostatečné dlouhý čas, aby se jádro dobře prohřálo. Naopak příliš dlouhý čas vede k nízké účinnosti, většímu zokujení a podpovrchovému přehřívání.

Typický průběh ohřevu je znázorněn na Obr.1. Na začátku ohřevu má magnetická ocel velmi malou hloubku vniku a tenká povrchová vrstva se velmi rychle ohřeje na 800°C, kde ztrácí magnetické vlastnosti a hloubka vniku se prodlužuje. Následuje pomalý nárůst teploty povrchu. Elektromagnetické vlny pronikají více do hloubky a hodně energie se spotřebovává na změny krystalické struktury. Po překonání fázových změn teplota povrchu roste rychleji. Ke konci ohřevu se výrazně projevují ztráty sáláním. Povrch se zahřívá pomaleji a maximum teploty se posouvá pod povrch součásti. Teplotní rozdíl jádro-povrch se zmenšuje. Po dokončení ohřevu se vlivem chladnutí postupně přesune teplotní maximum do středu součásti.

 

Obr. 1 - ohřev kulatiny z magnetické oceli, průměr 80 mm
Obr. 1 - ohřev kulatiny z magnetické oceli, průměr 80 mm

 


Graf níže ukazuje, jak doba ohřevu ovlivňuje výsledné rozložení teploty ocelové kulatiny o průměru 60 mm při ohřevu povrchu na 1200°C. Při krátkých dobách ohřevu je jádro studenější než povrch, při dlouhých dobách ohřevu to bývá naopak. Vlivem velkých tepelných ztrát sáláním se teplotní maximum vyskytuje pod povrchem. Přeprava ohřátého polotovaru do tvářecího stroje obvykle trvá několik vteřin. Během tohoto času povrch rychle chladne. Přerušované křivky znázorňují teplotu po 8 vteřinách přirozeného chladnutí.

Obr. 2 - teplota na konci ohřevu ocelové kulatiny, průměr 60 mm, f=2000 Hz
Obr. 2 - teplota na konci ohřevu ocelové kulatiny, průměr 60 mm, f=2000 Hz


Optimální doba ohřevu pro tváření

Optimální doba ohřevu je taková, při které je na konci ohřevu povrch o několik desítek stupňů teplejší než jádro. Po skončení ohřevu povrch vlivem sálání prudce chladne a teplotní rozdíl jádro-povrch se může během několika vteřin otočit. Příliš krátká doba ohřevu způsobuje nedostatečně ohřáté jádro, čímž zvyšuje deformační odpor a opotřebení zápustky. V praxi se častěji vyskytuje příliš dlouhá doba ohřevu, která má několik vážných nevýhod:

1) Přehřátí materiálu
Dlouhá doba ohřevu společně s vysokou cílovou teplotou zvyšuje riziko přehřátí materiálu pod povrchem. Teplota pod povrchem může být až o několik desítek °C vyšší, než ukazuje pyrometr. Při přehřátí materiálu dochází k lokálnímu tání na hranicích zrn, což nenávratně zhoršuje mechanické vlastnosti (tažnost, pevnost). K přehřátí může docházet také při tváření, kdy dojde k dalšímu nárůstu teploty od deformace.

2) Zokujení
Dlouhá doba ohřevu způsobuje oduhličení, podpovrchovou oxidaci a zvýšenou tvorbu okují. Tvorba okují je doprovázena ztrátou materiálu i energie. Okuje způsobují rozměrovou nepřesnost, znečištění zařízení, snížení životnosti tvářecích a obráběcích nástrojů. Okuje znemožňují správné měření teploty pyrometrem, což zhoršuje stabilizaci ohřívacího procesu. Okuje mají negativní vliv na živostnost induktoru. Zvyšují opotřebení vodících lišt. Prach z okují vniká do mikrotrhlin vyzdívky a urychluje jejich zvětšování, což nakonec vede ke zkratu.

3) Zhoršení účinnosti
Tepelné ztráty jsou úměrné čtvrté mocnině termodynamické teploty povrchu a při ohřevu na kovací teploty kolem 1200°C výrazně ovlivňují celkovou účinnost ohřevu. Čím delší je doba ohřevu, tím více energie je vysáláno povrchem. Nadměrná doba ohřevu může snížit účinnost i o několik desítek procent.

4) Lepení/sváření přířezů
K nežádoucímu slepování přířezů dochází v důsledku vysoké teploty v kombinaci s tlakem od podávacího mechanizmu. Čím delší je doba ohřevu, tím vyšší je maximální teplota pod povrchem. Tlak mezi přířezy v induktoru postupně klesá se vzdáleností od podávacího mechanizmu. Je-li doba ohřevu dlouhá, vysokých teplot je dosaženo už na začátku induktoru, kde je tlak mezi přířezy nejvyšší.

Doporučené minimální potřebné doby ohřevu kulatiny z magnetické oceli na kovací teplotu kolem 1200°C jsou uvedeny v následující tabulce. Pro plochou ocel je potřebný čas na prohřátí přibližně dvojnásobný. Uvedené časy byly vypočítány simulací průběžného průběžnému ohřevu konstantním výkonem, kdy na konci ohřevu je povrch o 50°C teplejší než jádro. Dvojnásobek tohoto času lze považovat za přijatelný. Při delších časech je vhodné zvážit opatření, která mohou dobu ohřevu zkrátit: zkrácení taktu, zvýšení frekvence, použití induktoru s kratší cívkou, použití ohřívače s nižším výkonem a kratším induktorem.

U průběžného jednostupňového ohřívače s konstantním podélným rozložením výkonu doba ohřevu závisí na taktu a délce přířezu podle následujícího vztahu:

 Doba ohřevu

Jsou-li délka přířezu a takt určeny technologií tváření, dosáhnout požadované doby ohřevu lze pouze změnou délky cívky. Za účelem optimalizace kvality ohřevu nabízí firma ROBOTERM vícestupňové ohřívače (Obr. 4), induktory pro rychloohřev (Obr. 5) a induktory se zkrácenou cívkou (Obr. 6). Vícestupňové ohřívače mají za sebou dva nebo více induktorů se samostatnými zdroji. U těchto ohřívačů může být výkon rozdělen libovolně podél ohřívací linky. Lze tak měnit takt a přitom zachovat optimální konečný teplotní profil jádro-povrch. Při nízkých výkonech se hřeje pouze v posledním induktoru. Při vysokých výkonech hřeje první induktor na plný výkon a ostatní induktory pouze udržují teplotu povrchu, zatímco se teplo rozvádí do jádra.

Na ohřívačích s jedním zdrojem lze použít induktory se zkrácenou cívkou a induktory pro rychloohřev. Výhodou je rychlá výměna induktoru, zejména na ohřívačích s příčně přesuvnými induktory, kde může výměna proběhnout zcela automaticky. Délku cívky lze navrhnout na optimální dobu ohřevu a požadovaný výkon. Induktory pro rychloohřev mají cívku s nerovnoměrně rozdělenými závity. Největší hustota závitů je na začátku induktoru, což umožňuje potřebnou dobu ohřevu minimalizovat.

průměrfrekvencečasfrekvencečasfrekvencečas
30 mm 3000 Hz 40 s 4000 Hz 44 s 6000 Hz 49 s
40 mm 2500 Hz 73 s 3000 Hz 77 s 5000 Hz 90 s
50 mm 1500 Hz 103 s 2500 Hz 120 s 4000 Hz 138 s
60 mm 1000 Hz 135 s 2000 Hz 167 s 3000 Hz 189 s
70 mm 1000 Hz 189 s 1500 Hz 215 s 2000 Hz 235 s
80 mm 800 Hz 188 s 1000 Hz 252 s 1500 Hz 286 s
90 mm 700 Hz 292 s 1000 Hz 325 s 1500 Hz 370 s
100 mm 700 Hz 365 s 1000 Hz 410 s 1500 Hz 460 s
120 mm 500 Hz 485 s 700 Hz 540 s 1000 Hz 600 s
140 mm 500 Hz 675 s 700 Hz 745 s 1000 Hz 820 s
160 mm 300 Hz 762 s 500 Hz 895 s 800 Hz 1020 s
200 mm 200 Hz 1100 s 300 Hz 1250 s 500 Hz 1440 s
300 mm 150 Hz 2380 s 300 Hz 2870 s 500 Hz 3200 s

Tab. 1 - Doporučená minimální potřebná doba ohřevu pro kulatinu z magnetické oceli

 

Obr. 3 - Standardní induktor Obr. 4 - Dvojstupňový ohřev
Obr. 3 - Standardní induktor Obr. 4 - Dvojstupňový ohřev
Obr. 5 - Induktor pro rychloohřev Obr. 6 - Induktor se zkrácenou cívkou
Obr. 5 - Induktor pro rychloohřev Obr. 6 - Induktor se zkrácenou cívkou

 

Reference:
[1] Rudnev, V.: Induction heating of steel billets: causes of billet sticking/fusing problem and its prevention, in heat processing 4, 2019, p. 57-60
[2] Rudnev, V.; Brown, D.; Van Tyne, Ch.; Clarke, K.: Intricacies for the successful induction heating of steels for modern forge shop. Proc. of the 19th Int'l Forging Congress, Chicago, IL, September 2008
[3] E. Rapoport, Y. Pleshivtseva, "Optimal Control of Induction Heating Processes", 2006, ISBN 9780849337543

Aktuality

Článek v 72. čísle časopisu Kovárenství

6.11.2020 V 72. čísle časopisu Kovárenství byl otištěn článek Ing. Jindřicha Calty pod názvem Optimální indukční ohřívací proces pro tváření. V článku popisuje důležitost správné volby indukčního ohřívače. více...

Indukční žíhací zařízení

20.2.2020 Indukční žíhací stroje jsou navrženy pro tepelné zpracování svarových spojů tak... více...

Předvánoční setkání se zaměstnanci 2019

21.12.2019 Vedení obchodní společnosti ROBOTERM spol.s r.o. Chotěboř organizuje každoročně ke konci roku setkání jak s bývalými, tak i současnými zaměstnanci firmy. Ani letošní rok neby vyjímkou. V pátek 13.12. 2019 více...

PF 2020

10.12.2019 Děkujeme Vám za spolupráci v roce 2019 a do roku 2020 Vám přejeme mnoho osobních i pracovních úspěchů. Veselé Vánoce a šťastný nový rok 2020 přeje ROBOTERM Chotěboř. více...

Navštívili jsme veletrh v Düsseldorfu

27.6.2019 Ve dnech 25. – 29. června 2019 se opět po čtyřech letech otevřely brány největší světové události na poli ohřevu kovů pro jejich následné zpracování – The Bright World of Metals 2019. Výstavní plocha více...

Roboterm podpořil akci Golfista roku 2018

27.2.2019 Obchodní společnost ROBOTERM spol.s r.o. Chotěboř v roce 2018 podporovala v oblasti sportu mimo jiné též golfové akce Golf Centrum OPEN TOUR 2018 a společenskou akci Golfista roku 2018. Tato více...

doporučujeme: MARTENZIT, ŠMERAL BRNO, KOMAP, Šroubárna Kyjov, ŠKODA AUTO, OSTROJ, VÍTKOVICE CYLINDERS, MSV Metal Studénka, Kovárna VIVA, ŽĎAS
realizace webu Pavlíček.cz