ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА ПРИ НАНЕСЕНИИ ПОКРЫТИЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫМ МЕТОДОМ

 

Evaluation of induction heating efficiency for centrifugal coating deposition 

 

Сосновский И.А., Худолей А.Л.

(ГНУ ОИМ НАН Беларуси, г. Минск, Беларусь)

Грудько И.И., Трембицкий И.П.

(ЭРУП «ОЗПМ», г. Пинск, Беларусь)

 

В работе приводятся результаты исследований по оценке эффективности использования индукционного нагрева при нанесении  покрытий центробежным методом на основе установления взаимосвязи между  тепловыделениями, затрачиваемыми на нанесение покрытия, и подводимой энергией для определения энергоемкости процесса.

The paper presents the results of evaluation of induction heating efficiency for centrifugal coating deposition by establishing the relationship between heat and  destribution of the energy in heated component.

 

Ключевые слова: индукционный нагрев, нанесение покрытий, центробежный метод, тепловыделения, оценка эффективности.

Key words: induction heating, coating deposition, centrifugal method, efficiency of heating.

 

Введение. Процессы нанесения покрытий с применением электрофизического нагрева широко используются в технике для восстановления, упрочнения и изготовления деталей различного назначения [1,2]. Индукционный нагрев является одним из видов электротермического нагрева, который сочетает в себе такие достоинства, как бесконтактная передача энергии от индуктора к детали, высокий к.п.д. использования электроэнергии, возможность поверхностного и локального нагревания [3-6].

Центробежный метод нанесения покрытий предусматривает обязательное вращение детали (стальной заготовки) для обеспечения формования наносимого материала. Покрытия могут быть образованы на внутренних, наружных, торцевых поверхностях цилиндрических и плоских деталей методами одиночной или групповой обработки. Технология позволяет наносить покрытия в режимах припекания и наплавки, сочетать одновременно процессы сварки и наплавки [7-10] (рисунок 1).

Целью настоящей работы являлось установление взаимосвязи между полезными тепловыделениями, затрачиваемыми на нанесение покрытия, и подводимой энергией, которые необходимо знать при установке режимов нагрева и для определения энергоемкости процесса.

 

Рисунок 1 - Классификация технологических процессов нагрева при центробежном индукционном нанесении покрытий

 

Оценка эффективности индукционного нагрева. Обычно режим нагрева при выбранной конечной температуре поверхности и частоте задается средней (за период нагрева tn) величиной энергии Ws ( рисунок 2), подводимой к  индуктору в единицу времени. Часть энергии WS прежде чем поступит в заготовку теряется в индукторе и в электрической цепи генератора токов высокой частоты.

Энергия  также только частично используется на нагрев заготовки, так как имеются потери, связанные с излучением и конвективным теплообменом Wu. В результате непосредственно на нагревание заготовки потребуется уменьшенная до Wн электромагнитная энергия. Однако и эта энергия Wн, идущая непосредственно на нагревание заготовки, не полностью, как это показано на рис. 2, идет на повышение температуры из-за неизбежных потерь на возможные перегревы.

За вычетом этих потерь, оставшаяся электромагнитная энергия Wт является полезной, так как полностью расходуется на повышение температуры. Отношение  называется термическим коэффициентом индукторной системы [11]. В работе [6] термический коэффициент предлагается определять соотношением Wт/Wн. Термический коэффициент является наиболее значительным показателем экономичности процесса нагрева. На него влияет правильность выбора режимов нагрева и частоты источника нагрева.

 

*                - полезная энергия, затрачиваемая на повышение температуры материала покрытия, сопутствующие реакции спекания и припекания и фазовые превращения;  - энергия, поглощаемая деталью;  - энергия, подводимая к индуктору

 

Рисунок 2 - Диаграмма распределения и потерь электромагнитной энергии в системе индуктор-деталь: Ws1 – энергия, поглощаемая индуктором и электрическими цепями генератора; Wик, WQ – соответственно энергия на излучение, конвекцию и теплопередачу

 

Энергоемкость процесса припекания определяется затратами энергии на единицу массы наносимого материала покрытия. На основании проведенного анализа распределения и потерь энергии эти затраты запишутся в  следующем виде:

WS = WT + Wq + WQ + Wик + = ηТР∙Рutн   .              (1)

Анализ эффективности индукционного нагрева при нанесении покрытий находится на уровне энергоемкости наружного индукционного нагрева заготовок под закалку. Объясняется это тем, на энергоемкость процесса под закалку в большей степени влияют потери на отвод тепла с нагреваемой поверхности в сердцевину детали, а при нанесении покрытий основные потери связаны с необходимостью изотермической выдержки. 

 

Список использованных источников

1. Витязь, П.А. Теория и практика нанесения защитных покрытий [Текст] / П.А. Витязь, А.С. Ивашко, А.Ф. Ильющенко [и др.]. – Минск: Беларуская думка, 1998. –   583 с.

2. Белявин К.Е. Теория и практика электроимпульсного спекания пористых порошковых материалов [Текст] / К.Е. Белявин, В.В. Мазюк, Д.В. Минько Д.В., В.К. Шелег. – Минск.: Ремико, 1997. – 180 с.

3. Ткачев, В.Н. Индукционная наплавка твердых сплавов [Текст] / В.Н. Ткачев, Б.М. Фиштейн, Н.В. Казинцев, Д.А. Алдырев.  - М.: Машиностроение, 1970.- 184 с.

4. Немков В.С. Теория и расчет устройств индукционного нагрева [Текст] / В.С. Немков, В.Б. Демидович. – Л.: Энергоатомиздат, 1988. –  280 с.

5. Слухоцкий, А.Е. Индукторы для индукционного нагрева [Текст] / А.Е. Слухоцкий, С.Е. Рыскин . – Л.: Энергия, 1974. – 70 с.

6. Демичев, А.Д. Поверхностная закалка индукционным способом [Текст] / А.Д. Демичев. – Л.: Машиностроение, 1979. – 80 с.

7. Дорожкин, Н.Н. Центробежное припекание порошковых покрытий при переменных силовых воздействиях [Текст] Н.Н. Дорожкин, Л.П. Кашицин, Т.М. Абрамович, И.А. Кирпиченко. – Минск.: Наука и техника, 1993.- 160 с.

8. Кашицин, Л.П. Восстановление зубчатых колес типа шестерня-полумуфта [Текст] / Л.П. Кашицин, И.А. Сосновский, А.Л. Худолей, Ю.Н. Гафо  // Наука - производству. – 1999. - № 6. – С.18-20.

9. Кашицин, Л.П. Центробежное оборудование для нанесения порошковых покрытий [Текст] / Л.П. Кашицин, А.Л. Худолей / Мир техники и технологий. – 2002. - № 1.- С.17-21.

10. Сосновский, И.А. Термические параметры центробежного индукционного нанесения порошковых покрытий [Текст] / И.А. Сосновский, Ю.Н. Гафо // Инженерно-физический журнал. – 2011. – Т.84, № 6. – С.1135-1142.

11. Рыскин, С.Е. Применение сквозного индукционного нагрева в промышленности [Текст] / С.Е. Рыскин. – Л.: Машиностроение, 1979. – 64 с.