1

Facultatea deInginerie Electrica MARIN MIHAI-ALEXANDRU Laborator de METODE SI Grupa:131 SE PROCEDEE TEHNOLOGICE Data: 04.01.2011

Procedeu l de incalzire prin inductieelectromagnetica

I.NOTIUNI DE BAZA

Inductana este o mrime care caracterizeaz producerea fenomenului de inducie electromagnetic ntr-un circuit electric, egal cu raportul dintre fluxul magnetic ce strbate un circuit i intensitatea curentului electric ce produce acest flux. Unitatea de msura n SI este henry(H). Dac fluxul este produs de curentul electric ce strbate circuitul considerat, L se numete inductan proprie (sau coeficient de autoinducie), iar dac fluxul este produs de un alt circuit, se numete inductan mutual (sau coeficient de inducie mutual).

INCALZIREA PRIN INDUCTIE

Incalzirea prin inductie electromagnetic are la baza efectul JOULE al curentilor indusi, ca urmare a patrunderii campului electromagnetic intr-o piesa conductoare situate intr-un camp magnetic variabil in timp.(cuptor cu rezistenta, inductor, generator560KW).Incalzirea prin inductie este procesul de incalzire prin care in piesa de lucru caldura este produsa prin curentii electrici ce apar in piesa datorita inductiei electromagnetice. Acest proces de incalzire se poate aplica numai in cazul materialelor bune conducatoare de electricitate. Incalzirea prin inductie ofera posibilitatea incalzirii, in timp scurt, la temperaturi in jurul punctului de topire, a suprafetei sau a intregii sectiuni transversale a pieselor definite ca

1

subtiri. Valoarea curentului Indus se reduce cu distanta de patrundere x in piesa de lucru conform functiei:

(-x/) Ix = I0

unde: I0 este curentul la suprafata piesei , indica adincimea specifica de patrundere, ]a care curentul scade la valoarea I0 exp(-1). Adincimea de patrundere scade cu cresterea frecventei . In functie de puterea P si timpul de incalzire t, piesa de lucru poate fi incalzita cu cresterea temperaturii T dorita :

T = Pt /CMunde: C - este caldura specifica a materialului M- masa materialuiui ce trebuie incalzit.Domeniul de aplicare se extinde de la procese de usc are, lipire, calire si formare la cald pina, la topire si sinterizare.Intrucit reactanta inductive a inductorului, sub sarcina cu piesa de incalzit, este foarte mare comparativ cu rezistenta lui efectiva, in cazul instalatiilor de joasa si medie frecventa, bobinele de inductie sint compensate pana la cos 1 prin condensatoare.Deci transformatoarele,generatoarele de medie frecventa, aparatajul de comutatie si cablurile de conexiune din circuitul de alimentare se dimensioneaza numai pentru puterea de Iucru. In cazul oscilatoarelor de mare frecventa, aceste condensatoare fac porte componenta din circuitul oscilant si deci sint incluse in generatorul de inalta frec venta.Incalzirea electrica poate fi aplicata cu avantaje economice numai acolo unde dia- metrul si lungimea piesei sint de 3,5 ori, respectiv 2,5 ori mai mari decit adincimea de patrundere specifica.In procesele de incalzire prin inductie se utilizeaza surse de frecventa variabila, in functie de dimensiunile materialului piesei si de programul necesar de incalzire. .

Instalatii cu frecventa industriala

Inductorul este conectat fie direct, fie prin transformator la sursa de putere printr-o conexiune mono sau trifazata. In multe cazuri, bobina de inductie monofazata este com- pensate simetric cu bobine de impedanta si condensatoare. In cazul unor puteri mici absorbite se poate renunta la transformatoarele intermediare si la condensatoarele de compensare.Domenii de aplicare; incalzirea metalelor si pieselor marl de otel si topire prin inductie.

2

Instalatii de medie frecventa

Curentul de medie frecventa este obtinut dintr-un convertizor rotativ sau un muta tor static de frecventa proiectat pentru o frecventa bine determinata. Partea electrica a schemei include convertizorul mecanic de curent (ce foloseste un motor asincron de actionare), aparatajul electric si bateria de condensatoare. Numarul de poli ai generatorului pentru o turatie dinainte stabilita determina frecventa generatorului (converti zorului) care pentru frecventa peste 1 kHz lucreaza pe principiul cimpului unidirectional variabil. In acest scop se utilizeaza rotoare canelate, pentru a se modifica in timp prin caneluri reluctanta magnetica a intrefierului cu frecventa dorita, modulindu-se astfel fluxul magnetic stabilizat. Masinile care lucreaza pe acest principiu Sint masinile homo polare cu bobinaj de excitatie inelar, generatoarele Lorenz si GUY.

Condensatoarele su nt proiectate special pentru tensiunea si frecventa impusa.

Puterea absorbita este aproximativ de 4...15 ori puterea debitata de generatorul de medie frecventa. Densitatea puterii debitatefiind ridicata, bateria de condensatoare poate fi mica. Pierderile de caldura care rezulta sint preluate printr-o racire suplimentara (prin introducerea de aer din afara sau de lichid de racire) sau se reduc la minimum prin utili zarea unui material special avind pierderi mici dielectrice (Styroflex). Aparatajul electric include aparatele necesare pentru manevra pentru comanda, supraveghere si dace este necesar, pentru reglarea utilajului. La instalatii mici, toate elementele de manevra si condensatoarele sint montate in celule.Trebuie avut grija ca la reamplasarea cablurilor de for ta toate legaturile si in special cele de la condensatoare, sa fie cat se poate de bine ferite de cimpuri de inductie. Dimensiunile timpurilor standardizate de convertizoare de curent continuu sunt:

- convertizoare rotative

10 kHz, 15 - 200 kW ; 4 kHz, 25 - 250 kW; 1 kHz, 250 - 2 000 kW : 500 Hz, 400 - 3000 kW.

- mutatoare statice de frecventa:

3

500 - 2 000 Hz ; 400 - 2 000 kW.

Domeniul de aplicare: incalzirea pentru forjare, presare, laminare, normalizare, sudare, calire si topirea prin inductie.

Instalatiile de inalta frecventa

Aceste instalatii produc inalta frecventa prin oscilatoare cu

tuburi autoexcitate, cu un singur etaj. Inductanta circuitului oscilant de inalta, frecventa consta de regula din infasurarea primara a transformatorului de iesire de inalta frecventa. Tensiunea este data de redresorul de inaite tensiune, inglobat. Radiatia de energie de inalta frecventa trebuie mentinuta la un nivel redus.Caracteristicile tipurilor standardizate de astfel de generatoare Sint urmatoarele:

Frecventa: 300 - 500 kHz. Putere : 30 - 150 kW(in cazuri speciale pina la 700 kW) ;Frecventa: 500 - 4 500 kHz. Putere : 1 - 30 kW.

Variatia cu temperatura a caracteristicilor electrice ale piesei este compensataprin variatia frecventei atit in cazul convertizoarelor statice de medie frecventa cit cazul generatoarelor de inalta frecventa.Domenii de aplicare : incalzirea partiala, de exemplu pentru calire, sudare, recoacere

Inductorul pentru incalzire

Acesta este in general adaptat formei suprafetei piesei (de exemplu : inductor inelar, inductor de suprafata, sau inductor tip ac). Conectarea la sursa de alimentare, in cazul calirii, in majoritatea cazurilor se realizeaza printr-un transformator. Uneori inductorul este echipat cu bobine de scurtcircuitare din fier (din tabla laminata, in cazul frecventei industriale si medii sau din materiale din ferita, in cazul frecventelor inalte). Inductoarele in forma de bara cu o singura infasurare pot fi diferite in ceea ce priveste latimea neta , putindu-se adapta la o gama larga de piese. Inductorul pentru incalzire este realizat in cele mai multe cazuri din cupru, iar datorita densitatilor mari de curent se prevede apa de racire suplimentara prin conducte de apa.

4

Dispozitive mecanice anexe

Se utilizeaza dispozitive speciale pentru transport ul pieselor de incalzit (incluzind introducerea, extractia si racirea piesei). Acestea, impreuna cu inductorul pentru incalzire, formeaza instalatia de incalzire prin inductie (cunoscuta si sub numele de cuptor cu inductie), masina de sudat automata sau de calire automata. Instalatia poate fi incorporata intr-o linie de productie (automata sau neautomata) cu ajutorul unor dispositive speciale.

Avantajele pro cesului de incalzire prin inductie

Incalzirea fara contact (fara aplicarea din exterior a unor electrozi), incalzirea directa a pieselor (fara sursa exterioara de caldura), oxidare minima, calitate uniforma a materialului prelucrat, timp minim necesar pentru pregatirea instalatiei pentru, lucru, reglare rapida, munca curata si neinsemnate deranjamente datorite radiatiei termice.

Incalzirea prin indu ctie folosita la deformarea la cald, recoacere, topire si sinterizare. Se folosesc in mod obisnuit instalatii de frecventa medie si industriala; mai rar inalta frecventa. Piesa de prelucrat poate fi mentinuta pe toata. durata tratamentului termic in dispozitivul de incalzire (incalzire statica) sau poate fi deplasata de-a lungul instalatiei de incalzit (incalzire cu piesa mobila), ca de exemplu in cazul barelor, tevilor , sirmelor sau al taglelor sau blocurilor de otel (incalzire pe portiuni). Intrucit curentul indus incalzeste direct suprafata materialului supus tratamentului timpul de incalzire al otelului este considerabil mai scazut decit in cazul unei incalziri in directe. Printr-o proiectare adecvata a dispozitiei bobinelor inductoare, in cea mai mare parte din cazuri este posibil sa se obtina a o incalzire numai in anumite portiuni (incalzire partiala). Prin aceasta se obtine eficienta cit si timp de incalzire convenabile . Pentru obtinerea unor bavuri minime si unor pierderi prin radiatie termica scazute se utilizeaza instalatii de frcevente cit mai joase . Timpul minim de incalzire este in functie de dimensiunile piesei, conductibilitatea termica si raportul dintre adincimea de patrundere si diametrul piesei de lucru. Bobinele de inductie trebuie sa aiba o lungime suficienta pentru a se asigara o incalzire adecvata si satisfacatoare in profunzime (de la suprafata pina in miezul piesei ).Viteza de transport sau ciclul de operatii se adapteaza la vitezele de lucru ale benzii productie sau ale presei de forjare.

5

Puterea absorbita Puterea absorbita de la reteaua de alimentare este in functie de temperatura de regim, de greutatea materialului_care strabate instalatia si de proprietatile materialulul ce urmeaza a fi incalzit. Randamentul inductorului variaza in acest caz intre 40 si 80% depinzind de materialul respectiv. De regula este necesara o putere de inductie de 300-400 kW pentru a incalzi o tona de otel. Tinind seama de randamentul convertizo relor rotative este necesara in aceste cazuri o putere de circa 400-500 kW.

Repartizarea puterii in instalatiile de incalzire cu inductie ( retele de media frecventa ) Acolo und e exista multe puncte de incalzire cu operatii mai mult sau mai putin simultane, care cer sa fie alimentate in frecventa medie, iar puterea de medie frecventa absorbita variaza in limite largi, este intotdeauna justificata realizarea unei instalatii de frecventa medii cu mai multe convertizoare de frecventa rotative si citiva consumatori. In ace ste conditii generatoarele care debiteaza in paralel pe retea trebuie sa poata fi conectate sau deconectate, pentru ca ele sa fie intotdeauaa incarcate aproximativ la sarcina nominala, astfel ca in toate conditiile de lucru sa se obtina un randament mai bun si un consum minim de curent. Acest lucru se obtine cu atit mai usor cu cit se foloseste un numar mai mare de convertizoare legate in paralel sau cu cit se micsoreaza puterea nominala a fiecarui convertizor. Pe de alta parte, este stiut ca randamentul convertizoarelor mari este mai ridicat, iar costul acestora raportat la puterea debitata este mai scazut. In final este necesar ca puterea aleasa a convertizorului sa se afle intr-un raport rational cu valoarea medie a puterii degajate la punctul de incalzire respectiv. Pina in prezent s-au construit sisteme de bare avind o putere de 5000 pina la 6000 kW. La puteri mari se utilizeaza sistemul barelor multiple, care la nevoie pot fi grupate in citeva subgrupe. Tensiunea barelor se regleaza la o valoare constanta. Pentru anumite scopuri este necesara mentinerea constanta a puterii debitate sau a curentului debitat si posibilitatea variatiei continue a frecventei. In aceste cazuri este mai utila folosirea unui sistem de bare sectionate, in care caz se utilizeaza in retea schim batoare statice de frecventa.

6

Ca lirea prin inductie

Aceasta operatie este executata, in general, cu instalatii de frecvente medii sau inalte. In majoritatea cazurilor este incalzit numai un strat subtire superficial pina la temperatura de calire (calirea contra uzurii). Pentru axe cu solicitari mari si pentru piese cu destinatii similare se poate realiza o calire adinca in vederea cresterii rezistentei la oboseala. Punctul de plecare pentru evaluarea capacitatii de calire prin inductie a unui material este continutul de carbon de cel putin 0,3%. Temperaturile de calire in cazul incalzirii prin inductie se situeaza intre 850 si 1150C. Aceste temperaturi pot fi atinse in fractiuni de secunda. Prin calirea imediat urmatoare, disiparea de caldura catre inte riorul piesei de lucru este asa de mica, incit se obtine o zona calita precis conturata .

Avantajele calirii pr in inductie

Piesa de lucru ramine rece in cea mai mare parte, astfel incit solicitarile termice create sint neinsenmate. Piesele pot fi astfel in mod frecvent prelucrate pina la forma lor finala in stare necalita, fiind calite ulterior. Pot fi facute astfel economii in privita ope ratiilor de finisare care sint costisitoare.Numeroase loturi de piese sunt supuse unui tra tament de incalzire identic, astfel ca este garantata o calitate uniforma. Este posibila automatizarea procesului de calire si includerea masinilor de calire intr-un flux tehno logic. Este suficienta supravegherea printr-un personal mediu calificat.

Utilizari

Calirea prin inductie este utilizata la calirea difer itelor repere pentru autovehicule, masini agricole, echipament de constructie, masini-unelte, ca si a axelor, bolturilor, niturilor elementelor de transmisie, pinioanelor, cremalierelor etc.

Consumul de putere

In functie de frecventa se poate transmite suprafetei, in vederea calirii, o putere intre 0,5 si 8 kW/cm2 Puterea necesara este o functie de temperatura, de dimensiunile piesei de regimul de lucru si de adincime a stratului calit. Sint necesare puteri ale generatoarelor de calire de 2 pina la 500 kW.Limite de frecventa:- frecventa medie de 2 ping la 10 kHz ;- frecvente inalte de 300 kHz ping la 1,5 MHz.

7

Lipirea (sudarea) prin inductie

In acest scop este utilizat echipament de medie si inalte frecventa. Utilizarea principala este in productia de masa pentru sudarea metalelor, mai ales la incalzirea partiala a su prafetelor de sudat. Pentru aceasta operatie se utilizeaza aliaje de lipit tari si moi din comert si agenti de decapare sau gaz de protectie.Temperaturi de lucru:- pentru lipituri moi sub 450C ;- pentru lipituri tari 450 pina la 1 100C ;Sint necesari de asemenea agenti de topire si gaze de protectie, in scopul eliminarii straturilor de oxizi la locul de lipire.Forma si dimensiunile marginilor de sudat sint facto ri importanti in calitatea sudurii.Puterea necesara este dictata de dimensiunile locului de imbinat , de temp eratura de lucru si de golul dintre piesele de imbinat. Pentru piese cu pereti mici si subtiri, (zona mica de inncalzire) gama de inalta frecventa este cea mai favorabila, iar pentru piese avind pereti grosi si cu suprafete mari (zona larga de incalzire) este indicata gama de frecvente ridicate si medii. Puterea necesara este situate intre 0,1 si 2 kW/cm2.

Domenii speciale

Uscarea si topirea pentru metalizari pe metale, normalizarea, recristalizarea, incal rea, normalizarea ( detensionarea ) cusaturilor de sudura, formarea la cald. Pentru aceste scopuri este preferabil a se foloseasca frecvente med ii si industriale.

II.INDUCTIA ELECTROMAGNETICA

1)TENSIUNEA ELECTROMOTOARE INDUS I LEGILE EIINDUCIA ELECTROMAGNETIC

Michael Faraday a descoperit fenomenul de inducie electromagnetic n 1831. El a constatat c prin variaia unui cmp magnetic se poate produce curent electric.Circuitul unei bobine se nchide printr-un galvanometru . Neexistnd generator n circuitul electric ,acul galvanometrului nu deviaz .La introducerea unui magnet n bobin se constat c acul galvanometrului deviaz atta timp ct magnetul intr n bobin ,dar revine la zero cnd magnetul se oprete .La scoaterea magnetului din

8

bobin acul galvanometrului deviaz n sensul opus celui precedent .Prin urmare ,la micarea magnetului n bobin ia natere un curent electric . Un asmenea curent se numete curent indus. Se obin aceleai rezultate dac magnetul rmne fix i se mic bobina .

FENOMENUL DE PRODUCERE A UNEI TENSIUNI ELECTROMOTOARE NTR-UN CIRCUIT CARE NCONJOAR UN FLUX MAGNETIC VARIABIL SE NUMETE INDUCIE ELECTROMAGNETIC.

Variaia fluxului magnetic inductor poate fi produs prin diferite metode. De exemplu, fluxul magnetic variaz printr-un circuit care st nemicat ntr-un cmp magnetic variabil .Fluxul magnetic poate varia prin micarea circuitului constat .Din cele artate pn aici rezult c t.e.m. indus dureaz numai att ct dureaz cauza sa, variaia fluxului inductor.Cum am amintit mai nainte, sunt i alte mijloace de variaie a fluxului magnetic inductor.

2) MRIMEA TENSIUNII ELECTROMOTOARE INDUSE

Se poate deduce expresia general a legii induciei electromagnetice pe baza conservrii energiei Conductorul mobil de lungime l=AC este acionat de o for exterioar F, care-l deplaseaz pe o lungime foarte mic dx=AA , ntr-un interval de timp dt, efectund lucrul mecanic dL=F dx.

Datorit deplasrii in cmpul de inducie B, asupra fiecrui electron liber din conductor va aciona o for lorentzian f, avnd ca urmare ncrcarea negativ a captului A i pozitiv a captului C. ntre capetele conductorului apare o tensiune e. Dac se nchide circuitul ACDA, tensiunea indus e devine t.e.m. pentru circuit, producnd curentul mediu I. Ca urmare conductorul mobil va fi supus unei fore electrice F =BI l. Conform legii aciunilor reciproce F=-F. N aceste condiii dL=-BI l dx . Conform legii conservrii energiei, ca urmare a efeturii lucrului mecanic dL asupra sistemului material, el va trece ntr-o stare cruia i va corespunde o cretere a energiei electrice cu o valoare dW=dL. Deoarece dW=eIdt, dL=-Bildx=eIdt. Raportul dintre variaia fluxului magnetic i intervalul de timp n care se produce aceast varaie reprezint cantitatea cu care variaz fluxul inductor ntr-o

9

unitate de timp. Acest raport poart numele de variaie a fluxului magnetic inductor. Aadar, legea induciei electromagnetice se enun astfel: Tensiunea electromotoare indus este proporional cu viteza de variaie a fluxului magnetic inductor. Ca t.e.m. indus s fie exprimat n voli, adic n uniti SI, va trebui ca fluxul de inducie n relaia 1 s fie exprimat n weberi, adic, de asemenea, n uniti SI. n cazul cnd bobina indus nu are circuitul nchis, prin ea nu circul curent indus; n circuitul ei nc ia natere o t.e.m. indus, dac ea intersecteaz un flux variabil. O asemenea bobin se comport ca un generator electric n circuit deschis: ntre capetele bobinei exist o diferen de potenial egal cu t.e.m. indus .

Curentul de inducie este determinat de existena cmpului electric . Deci, efectul direct al variaieie fluxului este apariia cmpului electric indus n regiunea circuitului. Maxwell a demonstrat teoretic i experienele au confirmat c: *Fenomenul de inducie electromagnetic se produce datorit unui cmp magnetic variabil , chiar n absena unui circuit . n absena circuitului , prin variaia fluxului magnetic ia natere un cmp electric indus ,n general variabil , care are liniile de cmp nchise . Deci ,n sens mai larg prin fenomenul de inducie electromagnetic se nelege apariia unui cmp electric variabil n regiunea n care exist un flux magnetic variabil .

Este evident c , dac n regiunea fluxului magnetic variabil s-ar gsi un conductor cmpul electric indus ar pune n micare electronii liberi din el .Dac acest conductor formeaz circuit nchis, atunci ia natere curentul indus , ca efect al tensiunii electromotoare induse.

2) AUTOINDUCIA

PRODUCEREA FENOMENULUI DE AUTOINDUCIE

ntr-o spir ia natere curent indus atunci cnd variaz fluxul magnetic prin suprafaa delimitat de spir. Fluxul varibil poate fi produs fie prin micare relativ a unui magnet fa de spir, fie prin variaia curentului dintr-un circuit vecin. El mai poate fi produs prin variaia curentului electric din nsi spira indus, care joac astfel i rolul de inductor. Autoiducia este inducia electromagnetic produs ntr-un circuit datorit variaiei curentului care circul prin acel circuit. Autoinducia se produce nu numai la stabilirea sau ntreruperea unui curent, ci ori de cte ori variaz intensitatea curentului electric din circuit.

10

INDUCIA UNUI CIRCUIT Curentul de intensitate I care circul printr-un circuit genereaz n jurul su un cmp magnetic de inducie B, proporional cu I. Factorul de proporionalitate L se numete coeficient de inducie proprie sau inductan a circuitului. Inducia unui

Daca toate liniile campului unei bobine strabat prin spirele celeilalte, cuplajul este maxim. In general cand majoritatea liniilor de camp sunt inlantuite de ambele bobine, cuplajul se numeste strans; in caz contrar, cuplajul este slab. Variatia curentului dintr-o bobina induce t.e.m. in a doua bobina : inductia mutuala.

3.CURENI TURBIONARI PRODUCEREA CURENILOR TURBIONARI

Aceti cureni indui iau natere n mase metalice, care se afl n cmpuri magnetice variabile sau se mic n cmpuri magnetice consolate. ntre polii unui electromagnet puternic N S se las s penduleze o plac metalic A. Oscilaiile ei se amortizeaz imediat. nlocuind placa A cu alt plac crestat A oscilaiile ei se amortizeaz lent. Oscilnd, placa intersecteaz liniile cmpului magnetic i n ea se nasc cureni indui;acetia se nchid n cercuri, care nconjoar liniile cmpului magnet

CURENII FOUCAULT N TEHNIC

1.Curenii turbionari sunt folosii pentru posibilitatea de frnare electromagnetic, la amortizarea oscilailor acului indicator al instrumentelor de msur, la reglarea mersului uniform al discului contorului electric e2.Formarea curenilor Foucault n conductoare masive are ca urmare nclzirea puternic a acestora. Fenomenul se poate ilustra lsnd s treac un curent

11

alternativ timp de un minut printr-o bobin cu miez masiv de fier. Bara se nclzete.Acest fenomen se folosete la clirea pieselor, la topirea metalelor etc.3.Procesul de nclzire a conductoarelor masive este ns duntor n multe cazuri. Astfel, nu este permis nclzirea miezurilor transformatoarelor, al mainilor rotative, al bobuinelor. Pentru a se evita apariia curenilor turbionari de intensitate mare, se construiesc miezuri din plcisubiriizolate ntre ele. ntruct cretereara rezistiviti materialului este important pentru diminuarea intensitii curenilor turburari, tolele se fabric din fier cu siliciu.Substanele feromagnetice utilizate pentru miezurile bobinelor de nalt frecven au rezistivitate mare.

Dezavantaje-pretul echipamentelor aferente; generatorul electric -convertizor static.(8000Hz).-cu cat frecventa si puterea creste, costul este ridicat!-prezenta instalatiilor de racire care implica structura echipamentului.

APLICARE......Utilizari ale incalzirii prin inductie-in metalurgie pentru efectuarea unor tratamente termice:recoacere, revenire, calire.(se folosesc pentru topirea metalelor, incalzirea inaintea forjarii 10500 C )-industria constructoare de autoturisme -medicina (cuptoare cu creuzet pentru topirea aparatelor dentare, frecventa foarte ridicata)-electronica-industra alimentara (pentru plite e.t.c.)

III.TRANSPUNEREA IN TEORIE B= legea de Rot H= j legea circuitului magnetic in formare rot E= -B/dt inductia circuitului in B,H formare electrica; Div B= 0 linile de camp electric sunt ,() inchise; I= E dependenta intre densitatea de curent si camp electric; U,f

Mp Ho*e-x/=H(x)

12

X==>H=H0*e-/=Hc/e y 86,5% x I I0 p 0 = adancimea de patrundere =V*2/= nopi 2/2 503V*/rf ps=qs=H02/=1/503 H of 2 f= x ps=densitatea puterii pe suprafata x=

Tratamente termicePrin tratament termic se intelege succesiunea de operatii tehnologice ce constau prin

intretinerea, mentinerea, incalzirea unei piese cu anumite viteze de racire si incalzire.Tratamentele se aplica pieselor metalice si nemetalice cu scopul de a obtine anumite

proprietati fizico-mecanice.Baza teoretica a tratamentelor termice o constituie transformarea structurala in fuctie

de variatia temperaturii.Parametrii unui tratament termic sunt: temperaturade incalzire, durata de mentinere la

temperatura de incalzire, viteza de incalzire si racire.

Tm

T tI tR Ar

13

IV.EXEMPLE DE TRATAMENTE TERMICE SI CUPTOARE

Prelucrarea la cald a otelului

Cuptoare pentru recoacere, calire, maleabilizare, reincalzire, otelire

Otelul este un aliaj din fier si carbon, unde procentul de carbon se regaseste in limitele normale de 0,02% si 6,5%. Carbonul, in functie de fazele prin care trece, se regaseste in diferite interstitii sau modificari cristaline, care sunt diferit de mari si care cauzeaza diferite distorsiuni ale retelei atomice. Deseori se aliaza si cu alte metale cum ar fi cromul, cobaltul, manganul, etc. care modifica de asemenea structura otelului si a retelei atomice. Fierul pur se afla de la temperatura ambianta pana la temperatura de 911C in structura cristalina cubica cu volum centrat (faza ) si se mai numeste si ferita.La temperaturi mai inalte, intre 911C si 1392C este in structura cristalina cubica cu fete centrate (faza ) care se numeste si austenita si care intr-un interval foarte mic formeaza o retea cristalina cubica cu volum centrat numita si faza sau Fe. In functie de reteaua cristalina, carbonul se regaseste fie in forma tetraedrica sau octaedrica a retelei cristaline a fierului, care au marimi diferite si care la inmagazinarea atomilor de carbon duce la diferite distorsiuni ale structurilor cristaline / atomice. Cu cat distorsiunile sunt mai puternice, cu atat otelul este mai calit. La racirea lenta a otelului dupa turnare, structura cristalina sufera transformari si trece in diferite faze cum ar fi faza de formare a austenitului, a feritului si faze mixte. Carbonul migreaza in timpul transformarii pe pozitia cea mai favorabila a structurii. Capacitatea de absorbtie a structurii cristaline a fierului este limitata iar cand la racire se atinge solubilitatea maxima de carbon in otel, se produc separari de cementita, Fe3C sau separari de grafit. Un amestec de ferita cu cementita se numeste perlita. La un continut mai ridicat de carbon in fier se formeaza ledeburita, o faza de amestec dintre austenita si cementita. Aceste faze sunt descriese in "Diagrama de echilibru fier-carbon" aici o prezentare mai simpla:

14

Tratamente termice de maleabilizare si recoacere a otelului in cuptoare

La recoacere, incalzire se are in vedere aducerea la o anumita temperatura a piesei de prelucrat dupa care se urmareste o racire lina.In acest fel se pot urmari mai multe obiective cum ar fi: Maleabilizarea totalaunde se urmareste marirea cristalitelor care au ca efect micsorarea rezistentei si a duritatii materialului, de dorit in anumite cazuri particulare. Recoacerea de detensionare are loc la temperaturi mici cuprinse intre 480C si 680C si are ca scop inlaturarea tensiunilor din piesa prelucrata, tensiuni care se formeaza la deformari mecanice sau la diverse prelucrari. De altfel nu are loc modificarea proprietatilor otelului. Recoacerea de omogenizare dureaza pana la 2 zile, are loc la temperaturi ridicate intre 1050C si 1300C si are ca rol o impartire egala, in structura cristalina, a atomilor straini. Viteza de racire stabileste formarea fazelor cat si a proprietatilor otelului. Prin recoacerea de rectristalizare se intelege revenirea la formele cristaline initiale unei deformari la rece. Prin acest procedeu se incalzeste piesa la temperaturi putin peste temperatura de recristalizare de obicei la temperaturi intre 550 si 700C. Temperatura de recristalizare depinde de material si de gradul de deformare. Recoacerea de normalizare a otelurilor este una din principalele procedee de prelucrare la cald. Are ca obiectiv formarea unei structuri fine de cristalite, care sunt impartite egal peste piesa. La oteluri cu continut mai ridicat de carbon, temperatura de recoacere este putin sub 800C; la oteluri cu continut mic de carbon, temperatura pentru recoacerea de normalizare creste pana la 950C. La recoacerea de inmuiere (globulizare) se urmareste reducerea difuziunilor de cementita si perlita, pentru a reduce rezistenta si duritatea otelului astfel incat sa se poata efectua mai usor deformari plastice si mecanice. Temperaturile obisnuite sunt cuprinse intre 680C-780C.

15

Cuptor pt recoacere in normalizare cuptor pentru maleabilizarea sarmelor de otel

Calirea otelului

Calirea consta in incalzirea pieselor din otel la o temperatura determinata din diagrama Fe, Cu, urmata de o racire rapida in apa, ulei, e.t.c., pt a obtine o zona la suprafata piesei calite cu o duritate sprita.

Otelirea in cuptorul de calire

La operatiunea de calire a otelului nealiat se incalzeste in prima faza piesa ce urmeaza a fi prelucrata, la o temperatura intre 800C-900C, daca e cazul unui otel cu continut scazut de carbon, si cu continut mare de austenit. La otelurile aliate, temperaturile pot avea variatii inseminate. Pentru a impiedica coroziunea se insufla in cuptor gaz exoterm. Exotermele se pot obtine cu un generator de gaze, care se genereaza din hidrocarburi si mai contine pe langa CO si H2, N2, CO2 si H2O.

Generator pentru obtinerea de gaze exoterme

16

Spalarea pieselor

Dupa calirea in ulei sau emulsii este necesara o spalare a pieselor inainte de a intra in cuptorul de maleabilizare. Firma Koyo va prezinta o gama intreaga de astfel de masini de spalat totodata existand si posibilitatea integrarii masinilor de spalat in cuptoare de calire. Astfel toti acesti pasi cum ar fi incalzirea, calirea, spalarea si revenirea se pot face cu o singura instalatie.

Spalarea dupa calire

Maleabilizarea sau revenirea otelului in cuptoare de revenire

Dupa calirea otelului acesta devine foarte dur, dar si foarte casant. Acest efect se poate contracara prin reincalzirea piesei. La intervalul de temperatura de sub 100C, rezulta o imbogatire cu atomi de carbon in zona cu defecte ale structurii atomice a otelului martensitic. La temperaturi intre 100C si 200C atomi de carbon incep sa migreze din pozitiile nefavorabile ale structurii. Incepe eliminarea de cementita. La continuarea cresteri temperaturii acest process se amplifica. Peste temperatura de 320C practic toti atomii de carbon parasesc pozitiile nefavorabile ale structurii iar la temperatura de 400C nu mai au loc schimbari la nivel structural iar otelul devine moale. La otelurile aliate cu crom, vanadiu, molibden si wolfram, duritatea ia amploare in acest interval de temperatura cand se fac cedari de carbizi.Calirea secundara este importanta pentru prefabricate, deoarece trebuie sa isi pastreze duritatea si la temperaturi inalte. In general odata cu cresterea temperaturii de maleabilizare / revenire scade si duritatea otelului. La contact cu aerul ia nastere o oxidare a suprafetei, care are ca efect decolorarea piesei. Timpul necesar maleabilizarii/reveniri este in functie de volumul si masa piesei.

17

Calirea suprafetelor

Opusul durizarii prin calire si maleabilizare / revenire, la care se caleste intregul material, este calirea la suprafata. Suprafata dura se poate combina cu miezul moale al materialului. Pentru aceast proces exista mai multe procedee.

Cementarea sau carburarea

Procesul de cementare se utilizeaza la otelurile sarace in carbon. Piesa se caleste cu ajutorul unui gaz endoterm bogat in carbon. Gazul endoterm se obtine cu ajutorul unui reactor de gaze din metan, etan sau propan si consta in mare masura din monoxid de carbon CO, hidrogen si azot.

Generator pentru obtinerea de gaze endoterme

Otelul incalzit la 900C-1000C in cuptoarele de cementare respectiv cuptoare de maleabilizare / revenire, preia carbon din gazul endoterm. Concentratia de carbon se poate creste pana la limita de solubilizare si transforma in austenita (adancimea de cca. 1 mm). Aici firma Koyo va pune la dispozitie cuptoarele de tip KCF. Procesul de cementare se poate efectua cu ajutorul cuptoarelor continue sau cu ajutorul unui dispozitiv discontinuu. Sistemele de transport intr-un cuptor cu trecere continua pot fi sisteme cu role ceramice, transport cu grilaje sau cu propulsie.

18

Cuptor cu propulsie si role ceramic Cuptor continuu pentru cementarea otelului actionat cu lant

Otelirea prin carbonitrare repectiv carbonitrizare

La carbonitrare, in timpul incalzirii se adauga in faza gazoasa langa carbon si azot, ceea ce duce la formarea unor nitriti pe suprafata piesei de prelucrat. Azotul se introduce la carbonitrarea cu gaz sub forma de amoniac NH3 Daca operatia de carbonitrare se face la temperaturi mici de 650C-770C, atunci azotul poate difuza si se formeaza un strat de martensita cu continut de azot si cu un strat subtire din nitrizi si carbizi. La carbonitrarea peste 770C pana la 930C acest strat nu se mai formeaza, deoarece carbonul se poate difuza mai bine. Azotul stabilizeaza faza de austenita si permite o calire mai blanda dar in acelasi timp cu o duritate ridicata. Stratul durizat calit este totusi mai subtire decat la cementare, revenire iar transformarea spre interiorul materialului este mai puternica. Ca si la carburare in fazele gazoase urmeaza operatiile cum sunt calirea si maleabilizarea / revenirea

Cuptor de carbonitrare, carbonitrizare versiune de cuptor pentru carbonitrare, carbonitrizare fara cadru cu baie de calire prin vacuum

19

Otelirea prin nitrare, nitrizare si nitrocarburarea.

La nitrare respectiv nitrizare in cuptoare difuziunea de azot are loc la temperaturi mici de 500C-550C. Sursa este amoniacul. In acest fel are loc difuziunea azotului in otel, care se depoziteaza intre locurile din structura cristalina. Acest lucru duce la o tensionare a structurii cristaline si automat la o durizare a materialului. Nu mai este necesara o calire aceasta nemai avand la baza formarea unui strat de martensita. La racire se elimina partial nitriti. La nitrocarburare se adauga pe langa azot si carbon obtinut din monoxid de carbon si hidrocarburi in faza gazoasa. Carbonul se regaseste numai la marginea materialului, deoarece solubilitatea sa in otel este mica acesta continand deja azot, in acest fel difuziunea fiind destul de proasta. La racire se formeaza carbonitrati. Timpul necesar durizarii prin nitrocarburare este mai mic decat la nitrare.

Otelurile nitrate si carbonitrate au o suprafata subtire foarte dura si foarte glisanta dar care nu e foarte buna la uzura iar rezistenta la rupere este mica. Densitatea suprafetei are o rezistenta mare la coroziune si poate fi mai usor polizata.

cuptor de nitrare cu hota cuptor de nitrare in doua trepte

V.ACTIVITATE DE LABORATOR

In cadrul laboratorului de Metode si Procedee Tehnologice s-a discutat tema Procesul de Incalzire prin inductie electromagnetica.Am discutat despre avantajele si dezavantjele acestui procedeu,la ce ne ajuta, unde il intalnim, unde se utilizeaza si la ce ne este de folos in viata de zi cu zi.

De asemenea am studiat urmatoarea flansa :-Elemente componente ale Creuzetului STAMPATCuptor pentru topirea otelului.Ne-a fost prezentat un generator de inalta frecventa(G.I.F.) :

20

-un transformator(de adaptare 8000 Hz)-bloc comanda.-bloc electronic convertor de frecventa.(chopper electronic pe baza de tiristoare industriale)

VI.CONCLUZII

In concluzie:- incalzirea prin inductie electromagnetica este o incalzire rapida cu o inertie termica redusa;- densitatea de putere injectata in piesa poate atinge valori de peste 1000 KW/m 2 ;- puterea disipta se dezvolta direct in piesa de incalzit ;- spatiu ocupat de instalatiile de incalzire prin inductie este redus ;- impactul ecologic redus(minim) -acest procedeu nu presupune degajarea unor gaze nocive;- contact (fara aplicarea din exterior a unor electrozi) si incalzirea directa a pieselor (fara sursa exterioara de caldura);- oxidare minima, calitate uniforma a materialului prelucrat;- timp minim necesar pentru pregatirea instalatiei pentru, lucru, reglare rapida, munca curata si neinsemnate deranjamente datorite radiatiei termice.

Putem spune ca este cea mai sigura si cea mai utila metoda in sec xx- lea.Este cea mai benefica, cand ne referim la gradul de poluare si totodata la scutirea de energie electrica.

Acest procedeu permite automatizarea si robotizarea preocedeelor tehnologice sau a linilor de fabricatie pentru ca putem controla parametrii acestora.(temperatura)Tensiune, frecventa=parametrii electriciRandamentul ridicat al instalatiei!!!peste60%.......gaz 20-30%.

Incalzirea pin inductie este utilizata pentru topirea sau mentinerea in stare topita a metalelor sau aliajelor, pentru incalzirea recipientilor, pentru incalzirea in profunzime a semifabricatelor care uremeaza a fi prelucrate la cald, pentru tratamentul termic superficial, pentru incalzirea recipientilor, pentru sudarea si lipirea metalelor, etc

VII. BIBLIOGRAFIE

1)carti din biblioteca personala,2) SIEMENS FORMEL- UND TABELLENBUCH FUER STARKSTROM-INGENIEURE,

21

Memoratorul inginerului electrician,editura tehnica Bucuresti 1971, (traducere din limba germana,cu adaptari la conditiile din Romania),3)internet -www.wikipedia.com,4)Activitatea din cadrul laboratorului de Metode si Procedee Tehnologice.

22

PRODUCEREA FENOMENULUI DE AUTOINDUCIEPrelucrarea la cald a oteluluiCuptoare pentru recoacere, calire, maleabilizare, reincalzire, otelireOtelirea in cuptorul de calireSpalarea pieselorMaleabilizarea sau revenirea otelului in cuptoare de revenire

Calirea suprafetelorCementarea sau carburarea Otelirea prin carbonitrare repectiv carbonitrizareOtelirea prin nitrare, nitrizare si nitrocarburarea.