Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ путей повышения энергоэффективности технологий термической обработки, применяемых в трубной промышленности. Индукционный нагрев, как одно из наиболее перспективных направлений повышения энергоэффективности
1.1 Анализ развития технологий и современные тенденции 10
1.2 Виды термической обработки труб и их классификация 15
1.3 Критерии оценки энергоэффективности 20
1.4 Методы повышения энергоэффективности 22
1.5 Технологические ограничения при выборе методов повышения энергоэффективности 24
Выводы по главе 26
2 Методы моделирования индукционных нагревателей для нагрева труб 27
2.1 Аналитические методы расчета индукционных систем 27
2.2 Численные методы расчета индукционных систем 29
Численное моделирование электромагнитных и температурных полей трубной заготовки в установках индукционного нагрева .
Особенности моделирования в программе Universal 2D 36
Численная модель индукционного нагревателя труб с возвратно поступательным движением загрузки. 45
2.3 Применимость и ограничения 50
Выводы по главе 51
3 Исследование индукционной термообработки труб большого диаметра 52
3.1 Введение 52
3.2 Исследование зависимости охлаждения трубы большого диаметра от скорости осевого перемещения сквозь систему охватывающих индукторов 53
Выводы по разделу 78
3.3 Обоснование возможности построения модели управления по особой точке в системе ИН (индукционного нагрева) из трех индукторов 79
Выводы по разделу 88
4 Исследование индукционной термообработки труб большого диаметра 89
4.1 Нагрев системой плоских индукторов 89
Обоснование выбора частоты. 91
Вывод 102
Обоснование необходимости применения магнитопровода 103
Выводы 110
4.2 Нагрев в системе охватывающих индукторов с применением технологии покачивания 114
Нахождение оптимальной частоты 116
Исследование влияния толщины и материала тепловой изоляции витков индуктора. 118
Исследование влияния скорости движения на величину теплоперепада в ИН с технологией нагрева "покачиванием" 123
Выбор числа сменных индукторов 124
Выводы по главе 128
Заключение 129
Список сокращений 130
Публикации по теме диссертации 131
Список литературы 132
- Критерии оценки энергоэффективности
- Численное моделирование электромагнитных и температурных полей трубной заготовки в установках индукционного нагрева
- Обоснование возможности построения модели управления по особой точке в системе ИН (индукционного нагрева) из трех индукторов
- Обоснование необходимости применения магнитопровода
Введение к работе
Актуальность темы.
Характерной особенностью, отражающей все расширяющееся применение труб в народном хозяйстве, являются нарастающие темпы их производства по сравнению с другими отраслями черной металлургии. Эта закономерность наблюдается во всех технически развитых странах.
Развитие трубного производства характеризуется не только цифрами количественного роста, но и значительными качественными изменениями. Непрерывно увеличивается выпуск труб из легированных сталей, в том числе из коррозионностойких (нержавеющих) и жаростойких (окалиностойких) сталей, труб с повышенной прочностью.
Усилия ученых, инженеров и рабочих постоянно направлены на то, чтобы
повысить качество трубной стали, увеличить ее прочность и долговечность.
Термическая, т. е. тепловая, обработка является мощным фактором повышения её
эксплуатационных свойств. Повышение качества продукции и эффективности
производства требует непрерывного совершенствования технологии,
оборудования и оснастки. В области трубного производства можно выделить следующие основные тенденции:
-
Увеличение доли легированных марок стали.
-
Непрерывное расширение сортамента.
-
Применение герметичных установок
-
Максимальная механизация и автоматизация
-
Повышение качества
-
Автоматическое регулирование
-
Увеличения доли термообработанных труб
Индукционный нагрев способен обеспечить эффективное развитие по всем указанным направлениям.
Нагрев металлов является важнейшей частью технологического цикла обработки металлов в металлургическом производстве. Этот процесс является наиболее энергоемким (около 80% всех энергозатрат в отечественной металлургической промышленности) и трудоемким. Как правило, тормозом в наращивании мощности агрегатов и автоматизации процессов является печное хозяйство. Именно поэтому все большее внимание обращается на методы скоростного и автоматизированного нагрева с наименьшим угаром металла и обезуглероживанием. Удельный вес электронагрева металла неуклонно растет. Такой рост и полное вытеснение видов нагрева, связанных с использованием
добываемых углеводородов в качестве топлива, очевидно неизбежен. Более того, если совсем недавно такой сценарий можно было рассматривать лишь в отдаленном будущем, то сегодня это реалии, внесенные в планы развития промышленного производства, например, Европейского Союза (ЕС).
Повышение энергоэффективности во всех отраслях деятельности в нашей стране является приоритетной задачей. Президент России В.В. Путин официально ввел показатели энергоэффективности в состав отчетных показателей, за которые несут полную ответственность губернаторы и главы муниципальных образований.
Трубное производство - большая и важная часть промышленного производства изделий из металлов. Внедрение прогрессивных технологий, позволяющих экономить металл и интенсифицировать производственный процесс, касается её в полной мере. Упрочняющие виды термообработки - закалка, отпуск, нормализация и отжиг являются эффективным способом экономии дефицитной стали и широко применяются в трубной промышленности. Доля подобных видов термообработки неуклонно растет.
Индукционный нагрев традиционно применяется для нагрева трубных заготовок и наиболее приспособлен для этого. С его помощью возможно проведение локальных видов нагрева, объемного и поверхностного нагрева с контролируемой толщиной прогретого слоя, для осуществления упрочнения только поверхностного слоя металла. Возможность подвода высоких удельных мощностей и компактные размеры, позволяет встраивать индукционные нагреватели непосредственно в линию производства труб. С помощью индукционного нагрева можно контролировать процесс подъема температуры металла и осуществлять любой желаемый график нагрева, добиваясь высокого качества конечного изделия.
Целью работы является исследование и разработка энергоэффективных технологии индукционного нагрева труб большого диаметра.
Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:
-
Анализ путей повышения энергоэффективности технологий термической обработки, применяемых в трубной промышленности, и разработка новых энергоэффективных технологий с применением индукционного нагрева.
-
Разработка электротепловых моделей индукционных нагревателей непрерывного и периодического действия при термообработки труб большого диаметра.
-
Выявление минимальных скоростей движения трубы для обеспечения качества закалки через индуктор в непрерывном нагревателе с последующим охлаждением водяным душем.
-
Разработка численной модели индукционного нагревателя труб большого диаметра с системой накладных индукторов и исследование энергоэффективности такой системы.
-
Разработка численной модели индукционного нагревателя труб большого диаметра с применением технологии покачивания и исследование энергоэффективности системы.
6. Исследование концепции и возможности управления тепловым режимом
непрерывного индукционного нагревателя по контролю температуры в особой
точке в зоне активного индуктора.
Методы исследования. Исследования электромагнитных и температурных полей, интегральных параметров индукционных систем проводились методами математической физики и вычислительной математики. Достоверность научных положений, представленных в диссертационной работе, подтверждается результатами моделирования с использованием проверенных временем программных средств и непосредственным внедрением в производство.
Научная новизна и значимость работы состоит в следующем:
-
Выявлены условия достижения высокого качества закалки и высокой энергоэффективности при непрерывно последовательной термообработке труб большого диаметра.
-
Разработана численная модель энергоэффективного индукционного нагревателя труб большого диаметра с нагревом системой плоских индукторов.
-
Разработана численная модель энергоэффективного индукционного нагревателя труб большого диаметра с использованием технологии возвратно-поступательного движения труб.
-
Показана возможность управления тепловым режимом непрерывного индукционного нагревателя по температуре в характерной точке при изменении производительности и скорости перемещения трубы.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Проанализировано развитие и современные тенденции технологий термической
обработки труб. Выявлены актуальные направления применения ИН в данной
области.
2. Выявлены условия достижения высокого качества закалки труб и высокой
энергоэффективности при непрерывно последовательной термообработке.
3. Реализована в виде программы численная модель индукционного нагревателя
труб большого диаметра системой плоских индукторов с возможностью
оптимизации энергоэффективности такой системы.
4. Реализована в виде программы численная модель индукционного нагревателя
труб большого диаметра с возвратно-поступательным движением в системе
охватывающих индукторов с возможностью оптимизации
энергоэффективности такой системы. 5. Доказано наличие характерной точки по температуре на поверхности трубы
при изменении скорости перемещения и обоснована возможность управления
термообработкой по контролю этой температуры.
Внедрение результатов. Научные и практические результаты диссертации
были использованы при проектировании и запуске в производство установки для
термообработки заготовок бурильных труб на предприятии Закрытое
Акционерное Общество "МОТОВИЛИХА-НЕФТЕГАЗМАШ" (Пермский край).
Апробация работы. Основные положения и научные результаты
диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах и
конференциях кафедры ЭТПТ и МОЛ СЭТ СПбГЭТУ (2012 – 2015), HES – 13
International Conference on Heating by Electromagnetic Sources Induction, Dielectric
and Microwaves, Conduction & EPM May 21-24, 2013 - Padua (Italy) , на
международной конференции «Электромеханика, электротехнологии,
электрические материалы и компоненты МКЭЭЭ-2014» (Алушта, 2014), на VII международном форуме «Энергосберегающие технологии в промышленности» на базе НИТУ «МИСиС» (Москва, 2014), на «VI International Conference on Computational Methods for Coupled Problems in Science and Engineering (Sankt-Petersburg Electrotechnical University (LETI))», на Международном форуме по стратегическим технологиям IFOST-2016 (Новосибирск 1-3 июня 2016)
Публикации по теме диссертации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 8 работах, среди которых 4 работ в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендуемых в действующем перечне ВАК (2 работа индексируется в базе данных SCOPUS), 1 работа – в материалах международного симпозиума.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав с выводами, заключением, списка литературы, включающего 99 наименований. Работа изложена на 142 листах машинописного текста и содержит 101 рисунок и 9 таблиц.
Критерии оценки энергоэффективности
Характерной особенностью, отражающей все расширяющееся применение труб в народном хозяйстве, являются более быстрые темпы развития их производства по сравнению с другими отраслями черной металлургии. Эта закономерность наблюдается во всех технически развитых странах.
Развитие трубного производства характеризуется не только цифрами количественного роста, но и значительными качественными изменениями. Непрерывно увеличивается выпуск труб из легированных сталей, в том числе из коррозионностойких (нержавеющих) и жаростойких (окалиностойких) сталей, труб с повышенной прочностью. Расширяется сортамент выпускаемых труб, как по их диаметру, так и по выпуску более трудоемких тонкостенных и особо тонкостенных труб; увеличивается выпуск различных фасонных труб и труб с переменным сечением по длине.
Трубы разделяют на бесшовные и сварные. Соотношение объемов производства труб той или другой категории в различных странах неодинаково: в одних преобладает выпуск сварных труб (США, Англия, Япония), а в других преимущественно выпускают бесшовные трубы (ФРГ, Италия, Швеция) [1].
Более интенсивные темпы введения производственных мощностей для изготовления сварных труб привели к выравниванию объемов производства сварных и бесшовных труб. При производстве сварных труб значительно снижается стоимость их изготовления, облегчаются условия поточного полностью автоматизированного производства, уменьшаются первоначальные капитальные затраты, а вес оборудования снижается примерно на 15-20%. Благодаря успехам, достигнутым в области сварки, сварные трубы по прочности не уступают бесшовным. Вместе с тем следует иметь в виду, что стоимость исходного листового проката для производства сварных труб может быть выше стоимости сортового металла, а отдельные виды труб (например, толстостенные) технологически могут изготовляться только бесшовными.
Трубы для магистральных трубопроводов (для транспортировки жидких, газообразных и сыпучих продуктов) диаметром от 426 до 1625 мм изготовляют электросваркой с прямым или спиральным швом [16]. С целью использования более узкого исходного листа трубы большого диаметра иногда делают с двумя продольными швами [17].
В связи с большим развитием газовой промышленности объем производства таких труб, особенно в последние годы, непрерывно увеличивается. Эти трубы должны выдерживать давление до 250-500 Мн/м2 (25-50 кГ/мм2), быть тонкостенными и иметь высокую точность диаметра, что необходимо для улучшения условий стыковой сварки при монтаже.
Нефтяные трубы (обсадные, бурильные, насоснокомпрессорные) используют в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей (крекинговые, нефтепроводные и др.) промышленности. Подавляющее количество этих труб изготовляют бесшовными.
Обсадные, бурильные и насосно-компрессорные трубы выпускают с резьбовыми соединениями. Для сохранения прочности в местах нарезки резьбы концы бурильных и насосно-компрессорных труб утолщают высадкой концов внутрь или наружу, иногда упрочненные концы приваривают к трубам. Нефтяные трубы изготовляют из углеродистой или легированной стали. Для повышения прочностных свойств трубы подвергают термической обработке.
В связи с увеличением глубины скважины все в больших количествах выпускают бурильные трубы с повышенной прочностью, имеющие после закалки и отпуска предел текучести 785- 981 Мн/м2 (80-100 кг/мм2) и более.
Трубы для теплоэнергетических установок из углеродистой, легированной и высоколегированной (коррозионностойкой и жаростойкой) сталей выпускают бесшовными. Так как современные котельные установки тепловых электростанций рассчитаны на высокие параметры пара (температура до 600 С, давление до 22,5 Мн/м2, или 230 am), требования к таким трубам -пароперегревательным, паропроводным и коллекторным - весьма высокие: они должны обладать достаточной прочностью, жаростойкостью, быть весьма коррозионностойкими. Необходимая жаростойкость этих труб обеспечивается применением для них легированных (хромомолибденовых и др.) сталей и специальной термической обработкой. Микроструктура таких труб обычно строго регламентирована. Жесткие требования к качеству поверхности труб обусловливают использование для их изготовления исходной заготовки с обточенной поверхностью.
Трубы для химической промышленности используются в различных аппаратах и установках, и в зависимости от условий эксплуатации они также могут быть бесшовными или сварными. В большом количестве применяют трубы из коррозионностойких сталей, в частности стойких в агрессивных средах. В последнее время расширяется применение труб со специальными покрытиями -пластиками, стеклом, резиной, эмалями, различными металлами (алюминием, хромом и др.). В теплообменной аппаратуре, где нельзя применять трубы с покрытиями, находят применение биметаллические трубы, стойкость которых значительно выше стойкости труб из нержавеющих сталей.
Особенно высокие требования к качеству предъявляют к трубам, предназначенным для работы под большим давлением (до 195 Мн/м2, или 2000 aт) и при высокой температуре. Эти трубы, так же как и трубы для котлов высокого давления, должны изготовляться из обточенной заготовки.
В машиностроении, авиации, автотракторостроении, в гражданском и промышленном строительстве и других отраслях народного хозяйства широко используются конструкционные трубы из разных сталей, цветных металлов и сплавов, которые тоже изготовляют бесшовными или сварными.
Численное моделирование электромагнитных и температурных полей трубной заготовки в установках индукционного нагрева
Блок расчета электротепловой задачи имеет непосредственную связь с блоком управления. Блок управления отвечает за задание на параметры индукционной системы внешних управляющих воздействий, которые зависят как от времени нагрева, так и от результата предшествующего расчета (температурного поля трубы). Управление достигается посредствам разбивки цикла нагрева на отдельные этапы, различающиеся как электрическими параметрами, так и параметрами движения. Одним из вариантов использования блока управления можно назвать осуществление с его помощью движений заготовки в процессе нагрева по возвратно-поступательному закону. Управляющий блок на каждой стадии задает направление, скорость и время с которыми перемещается труба. При таком законе движения можно ввести понятие амплитуда, которая будет равна расстоянию пройденному трубой в течение стадии. В силу того, что в реальной установке на каждой стадии покачивания будет иметь место разгон и торможение, это обстоятельство должно учитываться при построении модели. В среде Universal 2D реализация ускоренного и замедленного движения не предусмотрена, поэтому для имитации разгона и торможения в модель была введена стадия остановки, время остановки соответствует сумме времени разгона и торможения реальным приводом. На рисунке 8 дана иллюстрация, поясняющая идею такого подхода. Рисунок 8 – Иллюстрация к подходу имитации разгона и торможения в среде Universal 2D Алгоритм возвратно-поступательного движения с учетом особенностей реальных приводов рольгангов индукционных нагревателей проиллюстрирован окном из программы Universal 2D на рисунке 9. Кроме управления движением происходит, так-же управление по температуре нагрева.
Построение математической модели для проведения её дальнейшего исследования требует от нее наличия некоторых качеств, которые в совокупности могут позволить в обозримые сроки провести необходимые исследования. Кроме того, правильный выбор инструмента исследования может дать необходимый баланс между точностью прогноза и скоростью вычисления.
В первую очередь хочется сказать, что аналитические методы построения модели, для данного исследования были отвергнуты сразу. Слишком серьёзные упрощения, которые необходимо допустить, чтобы уравнения Максвелла получили своё аналитическое решение, не позволяют построить модель индукционного нагревателя в необходимой степени соответствующего реальной. Применять методы прямого моделирования у автора не было возможности. Из доступных средств остаются программные комплексы для создания численной модели с возможностью исследования влияния на неё различных параметров.
На сегодняшней день специализированные программные комплексы для расчета индукционных систем, в которых реализованы комбинированные методы на основе МКЭ и МИУ, показываю наилучшее отношение скорости вычисления и адекватности численной модели. В силу того, что предполагался большой объём вычислений и всестороннее исследование математической модели, выбор инструмента был остановлен на программе Universal 2D, которая уже давно зарекомендовала себя не только как инструмент исследования, но и как программа для построения высококачественных электронных моделей. На основе расчетов в Universal 2D было выполнено множество реальных проектов индукционных нагревателей, характеристики которых полностью соответствовали своей электронной модели. Выводы по главе Для построения численной модели индукционного нагревателя труб большого диаметра была выбрана программа численного моделирования, разработанная в Санкт-Петербургском Государственном Электротехническом Университете (ЛЭТИ) Universal 2D. Там где возможностей данной программы не хватало, например, для вычисления параметров накладных индукторов использовалась программа Coil Pro, которую тоже разработали в ЛЭТИ. Некоторые расчеты проверялись по аналитическим формулам, когда адекватность их применения не вызывала сомнений. Применение указанной комбинации программных средств численного моделирования позволило выполнить большое количество расчетов, в короткий срок построить и изучить модель индукционного нагревателя труб большого диаметра под закалку не задействую больших вычислительных ресурсов.
Обоснование возможности построения модели управления по особой точке в системе ИН (индукционного нагрева) из трех индукторов
Одним из важнейших компонентов современного индукционного нагревателя является система управления [55], [56]. Построение эффективно работающей системы управления будет залогом высокой энергоэффективности установки и качества конечной продукции. Большинство современных индукционных нагревательных комплексов имеют систему управления с контролем температуры на выходе из нагревателя. Контроль происходит с помощью пирометра и управляющее воздействие заключается в корректировке выходных параметров источника питания в соответствии с невязкой температуры между уставкой и фактическим её значением. В случае непрерывно-последовательного процесса выход фактической температуры за пределы допустимого диапазона приводит к неизбежному браку части изделия.
Необходимость автоматической корректировки параметров нагрева может возникнуть в случае выхода из строя одного нагревателя, из нескольких, при модульной схеме построения ИН [57], даже простой прогрев футеровки во время первоначального пуска требует значительной корректировки параметров ИП. Так по моему опыту наладки индукционного нагревателя утяжеленных бурильных труб для ЗАО "МОТОВИЛИХА-НЕФТЕГАЗМАШ" (Пермский край) при первоначальном запуске установки параметры нагревателя позволяющие нагревать трубу на 950С, если их не корректировать, через некоторое время повышали температуру почти на 100 из-за переходного процесса связанного с прогревом футеровки индуктора [15].
Конечно такая ситуация требует решения и успешно решается составлением технологической карты для нагрева всей номенклатуры изделий на всех возможных режимах. Такой подход универсален, но трудоемок. Одним из способов изменения данной ситуации является внедрение прогрессивных и наукоемких технологий управления. Одна из таких технологий - управление по температуре в особой точке в зоне активного индуктора [58], [37], [59], [60]. Для выяснения возможности управления нагревом труб по особой точке в программе Universal2D была построена численная модель индукционного нагревателя состоящего из трех индукторов с одним активным индуктором в середине. Расчет проводился в режиме фиксированной мощности индуктора. Изменением мощности активного индуктора достигался нагрев трубы до средней температуры 950С. На рисунке 44 изображено рабочее окно программы. Для выяснения поведения особой точки в случае нагрева труб было проверено влияние скорости передвижения сквозь индуктор при неизменном размере трубы; толщины стенки при неизменном наружном диаметре и скорости движения; и скорости движения при изменяющемся наружном диаметре и толщине стенке (имитация реальной производственной ситуации с нагревом различных труб на одной индукционной установке).
Экран программы Universal2D с моделью для исследования активной точки Для того, чтобы оценить влияние магнитных свойств нагреваемого материала эксперимент проводился для труб из материала с ярко выраженными магнитными свойствами (стали 45) и из титана.
Видно, что в случае различной скорости для одного размера труб особая точка присутствует как для Титана, так и для Cтали 45. Её координата по длине и уровень температуры четко выражены и имеют минимальный разброс в зависимости от скорости перемещения. Особая точка при различных толщинах стенки трубы. Скорость перемещения и наружный диаметр остаются неизменными
В случае фиксированного диаметра и скорости перемещения особая точка становиться менее выраженной как для титана так и для стали 45. Особая точка при различных толщинах стенки трубы и наружном диаметре трубы. Скорость перемещения остается неизменной Труба из стали с выраженными магнитными свойствами Для случая, имитирующего реальный нагрев труб различного размера, количество типоразмеров было увеличено до шести (см. рисунки с 53 по 57). Численные эксперименты показали, что при нагреве различных труб до Рисунок 53 - средняя температура по сечению стенки трубы. одинаковой средней температуры, поверхность трубы нагревается не одинаково. Было сделано предположение, что большой размер области, где можно было бы ожидать пересечения экспериментальных кривых температуры связан именно с этой разностью.
Особая точка после корректировки кривых. Для проверки этого предположения, для стали 45 были построены графики, в которых общее значение температуры было скорректировано на величину разности температуры в координате 950 мм (на выходе из последнего индуктора). Проще говоря, кривые были скорректированы по высоте так, чтобы они совпали в точке выхода из последнего индуктора. Полученные скорректированные кривые изображены на рисунке После того, как была проведена такая коррекция, область нахождения особой точки стала ограничена более четко.
Проведённые исследования показали, что в случае непрерывного нагрева труб в системе с одним активным индуктором особая точка присутствует как при нагреве одного типоразмера труб, так и при нагреве различных по диаметру и по толщине стенки труб с разными скоростями движения. В случае построения универсальной САУ для обеспечения высоких показателей нагрева нужно корректировать величину контролируемой температуры при переходе на другой типоразмер трубы. Пространственное положение особой точки остается неизменным. Величину коррекции температуры нужно рассчитывать для каждого типоразмера труб отдельно с помощью адекватной численной модели.
Обоснование необходимости применения магнитопровода
Из приведенных графиков видно, что при использовании магнитопровода в плоском индукторе падение электрического КПД индуктора с увеличением зазора менее выражено, чем в индукторе без магнитопровода. Если задаться уровнем приемлемого электрического КПД например в 70%, то этот уровень при нагреве индуктором с магнитопроводом будет обеспечен вплоть до зазоров 35 мм и даже немного более. Достижение такого же уровня эл. КПД при нагреве индуктором без магнитопровода можно будет достигнуть при величине зазора не более 20мм.
Максимально допустимый зазор индуктора практически не имеет зависимости от частоты (незначительное его увеличение наблюдается с увеличением частоты ИП); зависимость от диаметра труб, также очень слабо выражена (порядка единиц миллиметров); зависимость от толщины стенки трубы высокая – чем тоньше стенка (в рамках рассматриваемого диапазона), тем менее выражено падение КПД. При толщине стенки трубы 6мм возможен индукционный нагрев с приемлемым эл. КПД при зазора индуктора более 50мм. С ростом частоты данный эффект слабеет (см. рисунок 92), с этой точки зрения предпочтительным является диапазон частот от 500 до 1000Гц.
Таким образом при конструировании индукционного нагревательного комплекса следует учесть, что в случае разработки единой конструкции для нагрева всего озвученного сортамента труб, будет необходимо применять конструктивные решения, которые обеспечат рабочий зазор между индуктором и трубой не более 35 мм (если учитывать погрешности изготовления и сборки, то целесообразно ещё более ограничить закладываемый в конструкцию максимальный зазор, см. рисунок 83) в течении всего процесса нагрева в случае применения индуктора с магнитопроводом. Если, в силу каких либо причин, будет принято решение о применении индуктора без магнитопровода, требования к допустимому зазору ужесточаются до 20 мм. Таковыми причинами могут стать как сложность обеспечения охлаждения магнитопровода, который будет интенсивно нагреваться близко расположенной горячей трубой (необходимое охлаждение витков индуктора обеспечить несравненно проще), так и общая дороговизна конструкции индуктора с магнитопроводом.
Нагрев трубных заготовок из заданного диапазона длин и диаметров способом индукционного нагрева будет так же сопряжен с дополнительными трудностями, которые нужно иметь в виду при проектировании индукционного нагревательного комплекса. К таким трудностям можно отнести необходимость помещения нагреваемого объекта в футерованную камеру для защиты от чрезмерных потерь тепла при нагреве. Потери неизбежно будут сопровождать нагрев труб подобных диаметров на открытом воздухе в силу чрезвычайно большой площади поверхности, так для трубы 62” максимальной заданной длины площадь поверхности будет порядка 65 м2 . При заданной производительности 5т/час время нагрева самых массивных труб будет достигать двух с половиной часов. При таком длительном нагреве потери тепла будут катастрофическими, если не предусматривать футерованную камеру. Наличие подобной камеры будет также предполагать необходимость механизированных футерованных заслонок на входе и выходе из неё (или, в случае односторонней загрузки – выгрузки, одной такой заслонки). Необходимость вращения трубы во время проведения технологического процесса предполагает наличие группы приводных роликов перпендикулярно ориентированных к оси трубы, в то же время подача и выдача трубы должна будет осуществляться неким дополнительным устройством, достаточно не простым, потому что, кроме прочих конструкторских задач, нужно будет решить задачу устранения на время транспортировки механического контакта трубы с поперечными (вращающими) роликами. Необходимое наличие комплекса роликов, даже при наличии футерованной камеры может не позволить удержать тепловые потери в приемлемом уровне. При возникновении такой проблемы её придется решать дополнительно, например размещением в камере нагревательных элементов (косвенного или какого либо другого вида нагрева ) для компенсации тепловых потерь. Такие дополнительные нагревательные элементы могли бы помочь для первоначального и межзагрузочного подогрева камеры, чтобы обеспечить стабильный режим нагрева (исключить влияние неизбежной необходимости преодоления этапа переходного процесса связанного с прогревом холодной футеровки).
Большой диапазон диаметров нагреваемых труб вызывает потребность в перемещении индукторов (порядка 550 мм, см рисунок 58) для обеспечения технологически необходимого зазора между индуктором и трубой. Вызывает вопрос уплотнение подвижных частей, учитывая, что температура в камере может достигать, согласно задания, 1200 С. Так же определенные технологические трудности тут возникают в связи с необходимостью организации гибких водоохлаждаемых токоподводов, контроля величины зазора и недопущения касания витками индуктора раскаленной трубной заготовки. Причем надо понимать, что такой контроль необходимо будет проводить и во время проведения самого нагрева, т.к. при высоких температурах будет наблюдаться деформация трубы под действием собственного веса. Возможно, что из-за неизбежно неравномерного опирания на конечное число опорных роликов деформация будет неравномерная так же по длине, и тогда, возникнет необходимость в независимой регулировке каждой (или некоторых) из секций индукторов, что усложняет конструкцию.
Конструкция плоского индуктора с магнитопроводом, которая была бы более выгодна с точки зрения менее жестких требований к величине зазора, может оказаться полностью непригодной для эксплуатации во внутреннем пространстве камеры с его неизбежно высокими температурами из–за трудности организации качественного охлаждения магнитопровода. Эффективная работа индукторов без магнитопровода в атмосфере с температурой 1200 С (такая температура будет достигаться в замкнутой камере в конце цикла нагрева при заданных значениях максимальных температур) также вызывает большие сомнения. Нижнее расположение индукторов могло бы принести некоторые технологические преференции, но оно не возможно, из-за неизбежного, в таком случаи засорения окалиной и опасности короткого замыкания витков.
Окалинообразование при температурах 1000 и более градусов Цельсия сопровождает даже стали аустенитного класса, не говоря уже об обыкновенных углеродистых сталях. При столь длительных циклах нагрева представляется целесообразным задуматься о создании в зоне нагрева защитной атмосферы.
Основной вывод, который можно сделать на основании проведенных исследований состоит в том, что недостатки индукционного нагревателя труб большого диаметра с системой накладных индукторов не позволяют создавать простые, надежные и энергоэффективные конструкции. Становиться понятно, что в случае нагрева труб большого диаметра под термообработку, часто будет возникать ситуация, когда из-за относительно малых скоростей перемещения сквозь индуктор и связанного с этим снижения качества термообработки будет невозможно рекомендовать непрерывно-последовательные виды нагрева. В таком случае остается только одновременный нагрев охватывающим индуктором.
Если речь идет об одновременном нагреве то рассчитывать на наилучшие параметры нагревателя можно только если он проектируется под конкретные размеры единственного изделия. Это связанно с тем, что концы нагреваемого изделия (трубы в нашем случае) находятся существенно иных в условиях распределения электромагнитного поля чем регулярная часть. Если речь идет о широкой номенклатуре диаметров и, особенно, длин то говорить об оптимальном распределении температуры по длине трубы не приходится. Для обеспечения высокого качества нужен более прогрессивный вариант одновременного нагрева. Таким вариантом может стать нагрев с использованием технологии "покачивания".