ES2602159B1 - Sistema y método para el revenido por inducción de piezas metálicas - Google Patents

Sistema y método para el revenido por inducción de piezas metálicas Download PDF

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Abstract

Sistema (1) y método desarrollados para realizar el revenido por inducción de piezas metálicas (4) cerradas en toda su sección. Preferentemente grandes rodamientos. El diámetro de dichos rodamientos está entre los 1.5 y 10 metros aproximadamente. El sistema (1) está configurado para inyectar corriente a través de un bobinado primario (3) generando un flujo magnético en un núcleo (2) transformador que induce una corriente que calienta una pieza metálica (4) que actúa como un bobinado secundario. El método que hace uso del sistema comprende abrir el núcleo (2) transformador, colocar la pieza (4) dentro y cerrarlo; inyectar corriente a través del bobinado primario (3) e inducir una corriente en la pieza metálica (4) para calentarla, activar un regulador PID para conseguir una homogeneidad de temperatura en toda la pieza metálica (4), abrir el núcleo (2) transformador para desmagnetizarlo, sacar la pieza metálica (4) y posteriormente enfriar la pieza metálica (4).

Description

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DESCRIPCION
Sistema y metodo para el revenido por induction de piezas metalicas OBJETO DE LA INVENCION
El objeto de la presente invention se refiere a un sistema y a un metodo desarrollados para realizar el revenido por induction de piezas metalicas cerradas en toda su section. Estas piezas, que preferiblemente son de acero y deben de estar cerradas sobre si mismas para cerrar un circuito magnetico son grandes rodamientos, concretamente rodamientos eolicos. El diametro de dichos rodamientos esta entre los 1.5 y 10 metros aproximadamente.
Encuentra especial aplicacion en el ambito de la industria aeroespacial, automocion, medicina, forja, ferrocarril, construction naval, etc.
PROBLEMA TECNICO A RESOLVER Y ANTECEDENTES DE LA INVENCION
El tratamiento de revenido consiste en calentar una pieza de acero, despues del templado, a una temperatura menor al punto crltico, seguido de un enfriamiento controlado para disminuir la gran fragilidad que tienen los aceros tras el tratamiento de temple.
El revenido no solo mejora los efectos del temple llevando a la pieza de acero a un punto de minima fragilidad, sino que tambien reduce las tensiones internas de transformation que se originan en el temple, reduciendo la resistencia a la rotura por traction, el llmite elastico y la dureza y elevando las caracterlsticas de ductilidad y tenacidad.
En la actualidad el revenido de piezas una vez templadas se realiza en hornos convencionales u hornos de foso, este tipo de hornos normalmente estan enterrados en el suelo. Estos hornos tienen capacidad para mas de una pieza, sin embargo este metodo de revenido conlleva multiples desventajas como son: varias piezas acumuladas en el proceso; el revenido, es necesario hacerlo antes de dos horas despues del temple, por lo que muchas veces se revienen de una en una aunque el horno tenga capacidad para mas piezas (baja eficiencia); el horno debe ser encendido con antelacion al proceso de revenido, el tiempo de procesado suele ser de unas 2 horas aproximadamente, etc.
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Por tanto, la presente invencion viene a solucionar los problemas del estado de la tecnica anteriormente mencionados, proporcionando un sistema y un metodo que presentan las siguientes ventajas:
- con este nuevo metodo el revenido se realiza al instante, ya que se realiza por induccion, por lo que no hace falta tener que encender un horno con antelacion,
- con este nuevo metodo el tiempo de procesado es mucho mas corto, pasando de 2 horas aproximadamente en un horno a 15 minutos,
- con este nuevo metodo se ahorra energla,
- con este nuevo metodo se evitan problema de grietas, al reducir el tiempo transcurrido entre el temple y el revenido.
DESCRIPCION DE LA INVENCION
La presente invencion se refiere a un sistema para el revenido por induccion de piezas metalicas cerradas en toda su seccion que comprende al menos: un circuito oscilante que fija una frecuencia de trabajo del sistema, conectado a un bobinado primario devanado sobre un nucleo transformador, donde el nucleo transformador comprende dos columnas laterales, una culata superior y una culata inferior, tal que el nucleo transformador esta configurado para introducir y apoyar dentro la pieza metalica, separada del bobinado primario, de modo que dicha pieza metalica actua como un bobinado secundario, donde el sistema esta configurado para inyectar corriente a traves del bobinado primario generando un flujo magnetico en el nucleo transformador que induce una corriente que calienta la pieza metalica.
Las piezas metalicas son grandes rodamientos de acero, concretamente rodamientos eolicos.
Adicionalmente, el sistema para el revenido por induccion comprende un sistema de giro formado por unos rodillos montados sobre unos rodamientos refrigerados, que hace que la pieza metalica pueda girar para distribuir el calentamiento de forma homogenea en toda la pieza.
El nucleo transformador comprende unos medios de apertura y cierre, los cuales estan seleccionados entre un cilindro acoplado al nucleo y un motor servocontrolado, y comprende
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tambien unas gulas para desplazar la culata superior y una de las columnas laterales respecto de la culata inferior y la columna lateral con el bobinado primario.
El sistema para el revenido por induccion tambien comprende un pirometro para medir la temperatura de la pieza metalica y un regulador PID para homogeneizar la temperatura de la pieza metalica.
Otro objeto de la invencion es el metodo que hace uso del sistema anterior, donde dicho metodo comprende las siguientes fases:
i) abrir el nucleo transformador y colocar la pieza metalica dentro, apoyada sobre la culata inferior de dicho nucleo transformador y sobre los rodillos del sistema de giro, y separada del bobinado primario,
ii) cerrar el nucleo transformador una vez colocada la pieza metalica dentro,
iii) inyectar corriente con una frecuencia de trabajo determinada mediante el circuito oscilante a traves del bobinado primario para generar un flujo magnetico en el nucleo transformador e inducir una corriente en la pieza metalica para calentarla,
iv) activar un regulador PID durante un tiempo preestablecido para homogeneizar la temperatura en toda la pieza metalica una vez alcanzada la temperatura de revenido requerida para dicha pieza metalica,
v) medir la temperatura de la pieza metalica mediante un pirometro para evitar un sobrecalentamiento,
vi) abrir el nucleo transformador para desmagnetizarlo y sacar la pieza metalica,
vii) enfriar la pieza metalica mediante aire o agua.
La frecuencia de trabajo es inversamente proporcional a la seccion de la pieza metalica. BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
Para completar la descripcion y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caracterlsticas de la invencion, se acompana a esta memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, un conjunto de dibujos en donde con caracter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
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Figura 1.- Muestra el sistema de la invencion donde se observa como una vez abierto el nucleo, e introducido el rodamiento, este queda apoyado sobre la culata inferior del nucleo y sobre los rodillos del sistema de giro, separado del bobinado primario.
Figura 2.- Muestra el nucleo una vez cerrado, de modo que al hacer circular corriente a traves del bobinado primario se genera un flujo magnetico en el nucleo transformador y se induce una corriente en la pieza calentandola.
A continuation se proporciona una lista de los distintos elementos representados en las figuras que integran la invencion:
1.
Sistema para el revenido.
2.
Nucleo de un transformador.
3.
Bobinado primario.
4.
Pieza metalica (rodamiento).
5.
Rodillos.
6.
Culata superior.
7.
Culata inferior.
8.
Columnas laterales.
9.
Base.
10.
Gulas.
DESCRIPCION DETALLADA
El objeto de la presente invencion se refiere a un sistema (1) y a un metodo desarrollados para realizar el revenido por induction de piezas metalicas (4) cerradas en toda su section. Como ya se ha descrito anteriormente, estas piezas (4) son de acero y deben de estar cerradas sobre si mismas para cerrar el circuito magnetico. Estas piezas (4) son grandes rodamientos, concretamente rodamientos eolicos. El diametro de dichos rodamientos esta entre los 1.5 y 10 metros aproximadamente.
El principio de funcionamiento de este nuevo metodo se basa en el funcionamiento de un transformador, que como es sabido, los transformadores estan compuestos por un nucleo (2), un bobinado primario (3) y un bobinado secundario. Sin embargo, en lugar de tener un
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bobinado secundario como es habitual, en este caso, se tiene la pieza (4) grande metalica cerrada en toda su seccion.
El sistema (1) para poder llevar a cabo el metodo de revenido comprende:
- un generador de corriente: que convierte la energla obtenida de la red electrica convencional en senal de media o alta frecuencia apta para la alimentacion del sistema (1) de revenido por induccion;
- un circuito oscilante: que aporta la capacidad necesaria para establecer un circuito resonante junto con la inductancia propia de una bobina. El circuito oscilante fija la frecuencia de trabajo del sistema (1) de revenido por induccion, que permitira que el calentamiento presente unas caracterlsticas acordes con el proceso a conseguir, esencialmente, el circuito oscilante se compone de uno o varios condensadores cuyo numero y tipo depende de las caracterlsticas electricas del circuito oscilante a establecer;
- un nucleo (2) transformador: cerrado de material
ferromagnetico, compuesto por dos columnas laterales (8), una culata superior (6) y una culata inferior (7) a modo de marco y en medio de dicho marco comprende un hueco para introducir la pieza (4) a calentar. Este nucleo (2) transformador es comun al bobinado primario (3) y la pieza (4), y se encarga de conducir el flujo magnetico a traves del mismo (manteniendolo confinado dentro de el) para generar la corriente en la pieza (4). Esta dimensionado para trabajar en el rango de tension y frecuencia de trabajo determinada para la pieza (4);
- un bobinado primario (3): compuesto por hilo de cobre enrollado sobre una de las columnas (8) del nucleo (2) transformador y recubierto por una capa aislante, que suele ser barniz. Define el factor de multiplication de la corriente que entrega el generador, y junto con los condensadores fija la frecuencia de trabajo del circuito oscilante;
- un sistema de giro de la pieza (4): el calentamiento de la pieza (4) en la zona donde esta situado el nucleo (2) transformador es mayor que en el resto de la pieza (4), debido al flujo de dispersion del nucleo (2) transformador. Por lo tanto, es necesario disponer de un sistema de giro para poder mover y as! distribuir este mayor calentamiento en todo el perlmetro de la pieza (4). Este sistema de giro de la pieza (4) se compone de unos rodillos (5), los cuales se montan sobre unos rodamientos refrigerados (no mostrados en las figuras) para garantizar que los rodillos (5) no se quemen por transferencia de energla.
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Al abrirse el nucleo (2) transformador para poder colocar la pieza (4) dentro, la columna lateral (8) del bobinado primario (3) junto con la culata inferior (7) se mantienen fijas, mientras que la columna lateral (8) libre junto con la culata superior (6) se desplazan horizontalmente a traves de unas gulas (10) incorporadas en el nucleo (2) transformador. Posteriormente, una vez que la pieza (4) queda apoyada sobre la culata inferior (7) y sobre los rodillos (5) del sistema de giro, el nucleo (2) transformador se vuelve a cerrar para cerrar as! el circuito magnetico.
La figura 1 muestra el nucleo (2) transformador abierto y la pieza (4) (rodamiento) apoyada sobre la culata inferior (7) y sobre los rodillos (5) del sistema de giro. Una base (9) permite la sujecion del nucleo (2) transformador. Se observa tambien como unos medios de guiado, concretamente unas gulas (10), incorporadas en dicho nucleo (2) transformador permiten desplazar y separar la culata superior (6) y una de las columnas laterales (8) respecto de la culata inferior (7) y la columna lateral (8) con el bobinado primario (3) para poder introducir la pieza (4).
A pesar de que el circuito oscilante no se muestre en las figuras, este irla conectado al bobinado primario (3).
Otro objeto de la invencion trata del metodo para el revenido por induccion de piezas metalicas (4).
Segun la invencion, el bobinado primario (3) esta devanado sobre una de las columnas laterales (8) del nucleo (2), separado de la pieza (4) y conectado al generador de corriente, el cual se encarga de hacer pasar una corriente a traves de dicho bobinado primario (3) con una frecuencia de trabajo determinada. Esta frecuencia de trabajo depende de la seccion de la pieza (4) a calentar, cuanto mayor sea la seccion de la pieza (4) a calentar menor sera la frecuencia empleada y cuanto menor sea la seccion de la pieza (4) a calentar mayor sera la frecuencia empleada.
La unica conexion entre el bobinado primario (3) y la pieza (4) la constituye el
flujo
magnetico comun que se establece en el nucleo (2). El nucleo (2), generalmente, esta fabricado en hierro o de laminas apiladas de
acero electrico, aleacion apropiada para optimizar el flujo magnetico.
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La corriente que pasa por el bobinado primario (3) debe de ser lo suficientemente elevada para conseguir transmitir la potencia requerida a la pieza (4) (calentar la pieza), obviamente, dicha corriente necesaria dependera de las dimensiones de la pieza (4) y del tiempo de calentamiento que se desee. Tal y como se ha explicado, la potencia en la pieza (4) se consigue debido a que esta actua como bobinado secundario del nucleo (2) transformador, luego por la pieza (4) circulara una corriente proporcional a la corriente del bobinado primario (3) multiplicada por el n° de espiras de dicho bobinado primario (3).
12 ( i pieza) = I1 (i bobinado primario) • N1(n° de espiras bobinado primario)
La potencia entregada en la pieza (4) dependera de las perdidas por efecto Joule que se producen debido al material conductor de dicha pieza (4) al hacer circular corriente a traves de la misma. Esto es:
P (Potencia pieza) = I22 (i pieza) • R(Resistencia equivalente de la pieza)
Una vez conectado el bobinado primario (3) al generador de corriente, el metodo comprende las siguientes etapas:
i) abrir el nucleo (2) transformador y colocar la pieza (4) dentro, apoyada sobre la culata inferior (7) de dicho nucleo transformador (2) y sobre los rodillos (5) del sistema de giro, y separada del bobinado primario (3),
ii) cerrar el nucleo (2) transformador una vez colocada la pieza (4) dentro para cerrar el circuito magnetico,
iii) inyectar corriente con una frecuencia de trabajo determinada mediante el circuito oscilante a traves del bobinado primario (3) para generar un flujo magnetico en el nucleo (2) transformador e inducir una corriente en la pieza metalica (4) para calentarla,
iv) activar un regulador PID durante un tiempo preestablecido para conseguir una homogeneidad de temperatura en toda la pieza metalica (4) una vez alcanzada la temperatura de revenido requerida para dicha pieza metalica
(4),
v) medir la temperatura de la pieza metalica (4) mediante un pirometro para evitar un sobrecalentamiento,
vi) abrir el nucleo (2) transformador para desmagnetizarlo y sacar la pieza metalica (4),
vii) enfriar la pieza metalica (4) mediante aire o agua.
5 Los medios de apertura y cierre del nucleo (2) transformador estan seleccionados entre un cilindro acoplado al nucleo (2) y un motor servocontrolado.
La temperatura de revenido requerida para cada pieza (4) dependera de sus dimensiones, mientras que el tiempo de homogenizacion llevado a cabo por el regulador PID son 10 aproximadamente 5 minutos.
La apertura del nucleo (2) transformador permite la desmagnetizacion de dicho nucleo (2), es decir, al abrirlo, se rompe el circuito magnetico establecido y esto impide que una cierta cantidad de flujo magnetico quede atrapado en el nucleo (2). El magnetismo remanente 15 puede causar varios problemas tales como un diagnostico erroneo basado en las medidas en el transformador, un subito aumento de corriente de arranque del transformador, etc.
La presente invencion no debe verse limitada a la forma de realization aqul descrita. Otras configuraciones pueden ser realizadas por los expertos en la materia a la vista de la 2 0 presente description. En consecuencia, el ambito de la invencion queda definido por las siguientes reivindicaciones.

Claims (15)

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    REIVINDICACIONES
    1. Sistema (1) para el revenido por induccion de piezas metalicas cerradas en toda su seccion que comprende al menos:
    - un circuito oscilante que fija una frecuencia de trabajo del sistema (1), conectado a
    - un bobinado primario (3) devanado sobre un nucleo (2) transformador,
    donde el nucleo (2) transformador comprende dos columnas laterales (8), una culata superior (6) y una culata inferior (7),
    caracterizado por que el nucleo (2) transformador esta configurado para introducir y apoyar dentro la pieza metalica (4), separada del bobinado primario (3), de modo que dicha pieza metalica (4) actua como un bobinado secundario, donde el sistema (1) esta configurado para inyectar corriente a traves del bobinado primario (3) generando un flujo magnetico en el nucleo (2) transformador que induce una corriente que calienta la pieza metalica (4).
  2. 2. Sistema (1) para el revenido por induccion de piezas metalicas cerradas en toda su seccion segun la reivindicacion 1, caracterizado por que comprende un sistema de giro para distribuir el calentamiento en toda la pieza (4).
  3. 3. Sistema (1) para el revenido por induccion de piezas metalicas cerradas en toda su seccion segun la reivindicacion 2, caracterizado por que el sistema de giro comprende unos rodillos (5) montados sobre unos rodamientos refrigerados.
  4. 4. Sistema (1) para el revenido por induccion de piezas metalicas cerradas en toda su seccion segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que las piezas metalicas (4) son rodamientos de acero.
  5. 5. Sistema (1) para el revenido por induccion de piezas metalicas cerradas en toda su seccion segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el nucleo (2) transformador comprende unos medios de apertura y cierre.
  6. 6. Sistema (1) para el revenido por induccion de piezas metalicas cerradas en toda su seccion segun la reivindicacion 5, caracterizado por que los medios de apertura y cierre del nucleo (2) transformador estan seleccionados entre un cilindro acoplado al nucleo (2) y un motor servocontrolado.
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  7. 7. Sistema (1) para el revenido por induccion de piezas metalicas cerradas en toda su seccion segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el nucleo (2) transformador comprende unas gulas (10) para desplazar la culata superior (6) y una de las columnas laterales (8) respecto de la culata inferior (7) y la columna lateral (8) con el bobinado primario (3).
  8. 8. Sistema (1) para el revenido por induccion de piezas metalicas cerradas en toda su seccion segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende un pirometro para medir la temperatura de la pieza metalica (4).
  9. 9. Sistema (1) para el revenido por induccion de piezas metalicas cerradas en toda su seccion segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende un regulador PID para homogeneizar la temperatura de la pieza metalica (4).
  10. 10. Metodo para el revenido por induccion de piezas metalicas cerradas en toda su seccion que hace uso del sistema (1) definido en las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que comprende las siguientes fases:
    i) abrir el nucleo (2) transformador y colocar la pieza metalica (4) dentro, apoyada sobre la culata inferior (7) de dicho nucleo (2) transformador y separada del bobinado primario (3),
    ii) cerrar el nucleo (2) transformador una vez colocada la pieza metalica (4) dentro,
    iii) inyectar corriente con una frecuencia de trabajo determinada mediante el circuito oscilante a traves del bobinado primario (3) para generar un flujo magnetico en el nucleo (2) transformador e inducir una corriente en la pieza metalica (4) para calentarla.
  11. 11. Metodo para el revenido por induccion de piezas metalicas cerradas en toda su seccion segun la reivindicacion 10, caracterizado por que comprende las siguientes fases adicionales:
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    iv) activar un regulador PID durante un tiempo preestablecido para homogeneizar la temperatura en toda la pieza metalica (4) una vez alcanzada la temperatura de revenido requerida para dicha pieza metalica (4),
    v) medir la temperatura de la pieza metalica (4) mediante un pirometro para evitar un sobrecalentamiento.
  12. 12. Metodo para el revenido por induccion de piezas metalicas cerradas en toda su seccion segun la reivindicacion 11, caracterizado por que comprende las siguientes fases adicionales:
    vi) abrir el nucleo (2) transformador para desmagnetizarlo y sacar la pieza metalica
    (4),
    vii) enfriar la pieza metalica (4).
  13. 13. Metodo para el revenido por induccion de piezas metalicas cerradas en toda su seccion segun la reivindicacion 12, caracterizado por que en la etapa vii) la pieza metalica (4) se enfrla mediante aire o agua.
  14. 14. Metodo para el revenido por induccion de piezas metalicas cerradas en toda su seccion segun la reivindicacion 10, caracterizado por que en la etapa i) la pieza metalica (4) adicionalmente se apoya sobre los rodillos (5) del sistema de giro.
  15. 15. Metodo para el revenido por induccion de piezas metalicas cerradas en toda su seccion segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la frecuencia de trabajo es inversamente proporcional a la seccion de la pieza metalica (4).
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