індукційний нагрів

1. Генератори індукційних струмів [ правити | правити код ]
2. Проблема індукційного нагріву заготовок з магнітніх матеріалів [ правити | правити код ]
3. Індукційні плити [ правити | правити код ]
4. Індукційні плавильні печі [ правити | правити код ]

Індукційний нагрів - метод безконтактного нагрівання електропровідних матеріалів струмами високої частоти і великий величини .

Відкриття електромагнітної індукції в 1831 році належить Майклу Фарадею . При русі провідника в поле магніту в ньому наводиться ЕРС , Так само як при русі магніту, силові лінії якого перетинають проводить контур. Струм в контурі називається індукційним. На законі електромагнітної індукції засновані винаходи безлічі пристроїв, в тому числі визначають - генераторів і трансформаторів, які б виробляли і розподіляють електричну енергію, що є фундаментальною основою всієї електротехнічної промисловості.

У 1841 році Джеймс Джоуль (І незалежно від нього Еміль Ленц ) Сформулював кількісну оцінку теплового дії електричного струму: «Потужність тепла, що виділяється в одиниці об'єму середовища при протіканні електричного струму, пропорційна добутку щільності електричного струму на величину напруженості електричного поля» ( закон Джоуля - Ленца ). Теплова дія індукованого струму породило пошуки пристроїв безконтактного нагрівання металів. Перші досліди по нагріванню стали з використанням індукційного струму були зроблені Е. Колбі в США.

Перша успішно працює т. Н. канальна індукційна піч для плавки стали була побудована в 1900 році на фірмі «Benedicks Bultfabrik» в місті Gysing в Швеції. У респектабельному журналі того часу «THE ENGINEER» 8. липня 1904 року з'явилася знаменита публікація , Де шведський винахідник інженер FA Kjellin розповідає про свою розробку. Піч харчувалася від однофазного трансформатора. Плавка здійснювалася в тиглі в вигляді кільця, метал, що знаходиться в ньому, представляв вторинну обмотку трансформатора, що живиться струмом 50-60 Гц.

Перша піч потужністю 78 кВт була запущена в експлуатацію 18 березня 1900 року і виявилася вельми неекономічною, оскільки продуктивність плавки становила всього 270 кг сталі на добу. Наступна піч була виготовлена ​​в листопаді того ж року потужністю 58 кВт і ємністю 100 кг по сталі. Піч показала високу економічність, продуктивність плавки склала від 600 до 700 кг сталі на добу. Однак знос футерування від теплових коливань виявився на неприпустимому рівні, часті заміни футеровки знижували підсумкову економічність.

Винахідник прийшов до висновку, що для максимальної продуктивності плавки необхідно при зливі залишати значну частину розплаву, що дозволяє уникнути багатьох проблем, в тому числі зносу футеровки. Такий спосіб виплавки сталі з залишком, який стали називати «болото», зберігся до цих пір в деяких виробництвах, де застосовуються печі великої ємності.

У травні 1902 року була введена в експлуатацію значно вдосконалена піч ємністю 1800 кг, слив становив 1000-1100 кг, залишок 700-800 кг, потужність 165 кВт, продуктивність плавки стали могла доходити до 4100 кг на добу! Такий результат зі споживання енергії 970 кВт⋅ч / т вражає своєю економічністю, яка мало поступається сучасної продуктивності близько 650 кВт⋅ч / т. За розрахунками винахідника з споживаної потужності 165 кВт в втрати йшло 87,5 кВт, корисна теплова потужність склала 77,5 кВт, отриманий досить високий повний ККД, рівний 47%. Економічність пояснюється кільцевої конструкцією тигля, що дозволило зробити багатовитковому індуктор з малим струмом і високою напругою - 3000 В. Сучасні печі з циліндричним тиглем значно компактніше, вимагають менших капітальних вкладень, простіше в експлуатації, оснащені багатьма удосконаленнями за сотню років свого розвитку, однак ККД підвищений несуттєво. Правда, винахідник в своїй публікації ігнорував той факт, що плата за електроенергію здійснюється не за активну потужність, а за повну, яка при частоті 50-60 Гц приблизно вдвічі вище активної потужності. А в сучасних печах реактивна потужність компенсується конденсаторної батареєю.

Своїм винаходом інженер FA Kjellin поклав початок розвитку промислових канальних печей для плавки кольорових металів і стали в індустріальних країнах Європи і в Америці. Перехід від канальних печей 50-60 Гц до сучасних високочастотним тигельна тривав з 1900 по 1940 р

Індукційний нагрів - це нагрівання матеріалів електричними струмами, які індукуються змінним магнітним полем. Отже - це нагрівання виробів з провідних матеріалів (провідників) магнітним полем індукторів (джерел змінного магнітного поля).

Індукційний нагрів проводиться наступним чином. Електропровідна (металева, графітова) заготівля поміщається в так званий індуктор , Що представляє собою один або кілька витків дроту (найчастіше мідного). У індукторі за допомогою спеціального генератора наводяться потужні струми різної частоти (від десятка Гц до декількох МГц), в результаті чого навколо індуктора виникає електромагнітне поле . Електромагнітне поле наводить в заготівлі вихрові струми . Вихрові струми розігрівають заготовку під дією джоулева тепла .

Система «індуктор-заготовка» являє собою бессердечніковий трансформатор , В якому індуктор є первинною обмоткою. Заготівля є як би вторинною обмоткою, замкнутої накоротко. Магнітний потік між обмотками замикається по повітрю.

На високій частоті вихрові струми витісняються утворених ними ж магнітним полем в тонкі поверхневі шари заготовки Δ ( скін-ефект ), В результаті чого їх щільність різко зростає і заготівля розігрівається. Розташовані нижче шари металу прогріваються за рахунок теплопровідності. Важливий не ток, а велика щільність струму. В скін-шарі Δ щільність струму збільшується в e раз щодо щільності струму в заготівлі, при цьому в скін-шарі виділяється 86,4% тепла від загального тепловиділення. Глибина скін-шару залежить від частоти випромінювання: чим вище частота, тим тонше скін-шар. Також вона залежить від відносної магнітної проникності μ матеріалу заготовки.

Для заліза, кобальту, нікелю і магнітних сплавів при температурі нижче точки Кюрі μ має величину від декількох сотень до десятків тисяч. Для інших матеріалів (розплави, кольорові метали, рідкі легкоплавкие евтектики , Графіт, електропровідний кераміка і т. Д.) Μ приблизно дорівнює одиниці.

Формула для обчислення глибини скін-шару в мм:

Δ = 10 3 ρ μ π f {\ displaystyle \ Delta = 10 ^ {3} {\ sqrt {\ frac {\ rho} {\ mu \ pi f}}}} ,

де ρ - питомий електричний опір матеріалу заготовки при температурі обробки, Ом · м, f - частота електромагнітного поля, що генерується індуктором, Гц.

Наприклад, при частоті 2 МГц глибина скін-шару для міді близько 0,047 мм, для заліза ≈ 0,0001 мм [ Джерело не вказано 259 днів ].

Індуктор сильно нагрівається під час роботи, так як сам поглинає власне випромінювання. До того ж він поглинає теплове випромінювання від розпеченої заготовки. Роблять індуктори з мідних трубок, охолоджуваних водою. Вода подається відсмоктування - цим забезпечується безпека в разі прожога чи іншої розгерметизації індуктора.

• Надчиста безконтактна плавка, пайка і зварювання металу.
• Отримання дослідних зразків сплавів.
• Гнучка і термообробка деталей машин.
• Ювелірна справа.
• Обробка дрібних деталей, які можуть пошкодитися при газополум'яної або дуговом нагріванні.
• Поверхневе загартування.
• Загартування і термообробка деталей складної форми.
• Знезараження медичного інструменту.
• розпилення геттера і прогрів (активація і тренування) катода в процесі виробництва вакуумних електронних приладів .

• Високошвидкісний розігрів або плавлення будь-якого електропровідного матеріалу.
• Можливий нагрів в атмосфері захисного газу, в окислювальному (або відновлювальної) середовищі, в рідині, в вакуумі.
• Нагрівання через стінки захисної камери, виготовленої зі скла, цементу, пластмас, дерева - ці матеріали дуже слабо поглинають електромагнітне випромінювання і залишаються холодними при роботі установки. Нагрівається тільки електропровідний матеріал - метал (в тому числі розплавлений), вуглець, яка проводить кераміка, рідкі метали і т. П. Наприклад, нутрощі радіолампи можна прогрівати для знегажування прямо через скляну колбу. Електроліти (розчини солей) неможливо нагрівати індукційним нагріванням, так як іони, на відміну від електронів, мають велику масу і малою рухливістю.
• За рахунок виникаючих МГД-зусиль відбувається інтенсивне перемішування рідкого металу, аж до утримання його в підвішеному стані в повітрі або захисному газі - так отримують надчисті сплави в невеликих кількостях (левітаційного плавка, плавка в електромагнітному тиглі).
• Оскільки розігрів ведеться за допомогою електромагнітного випромінювання, відсутня забруднення заготовки продуктами горіння факела в разі газопламенного нагріву або матеріалом електрода в разі дугового нагріву. Приміщення зразків в атмосферу інертного газу і висока швидкість нагріву дозволять ліквідувати окалинообразования.
• Ні забруднення повітря, так як відсутні продукти горіння. Невеликі установки індукційного нагріву можна експлуатувати в замкнутому і погано провітрюваному приміщенні, не обладнаному спеціальними засобами вентиляції та витяжками (гаражі, невеликі домашні майстерні, підвали).
• Зручність експлуатації за рахунок невеликого розміру індуктора .
• Індуктор можна виготовити особливої ​​форми - це дозволить рівномірно прогрівати по всій поверхні деталі складної конфігурації, не приводячи до їх викривлення або локальному непрогревов.
• Легко провести місцевий і виборчий нагрів.
• Так як найбільш інтенсивно розігрів йде в тонких верхніх шарах заготовки, а нижні шари прогріваються повільніше за рахунок теплопровідності, метод є ідеальним для проведення поверхневого гарту деталей (серцевина деталі при цьому залишається в'язкою).
• Легка автоматизація обладнання і конвеєрних виробничих ліній. Простота управління циклами нагрівання та охолодження. Просте регулювання і утримування температури, стабілізація потужності, подача і знімання заготовок.

• Підвищена складність обладнання, необхідний кваліфікований персонал для проектування установок, їх налаштування та ремонту.
• При поганому узгодженні індуктора з заготівлею потрібна велика потужність на нагрів, ніж у випадку застосування для тієї ж завдання ТЕНів , Електричних дуг і електронагрівальних спіралей.
• Потрібно потужне джерело електроенергії для живлення установки індукційного нагріву, а також насос і бак з охолоджувальною рідиною для охолодження індуктора (чиллер), які в польових умовах можуть бути відсутні. У цьому випадку застосування, наприклад, газових пальників з портативними газовими балонами більш виправдано.
• Незважаючи на невеликі розміри індуктора, агрегат індукційного нагріву в цілому досить громіздкий і маломобілен і більше підходить для стаціонарної установки в приміщенні, ніж для виїзних робіт.

Генератори індукційних струмів [ правити | правити код ]

Нагрівальний індуктор є котушку індуктивності , Що входить до складу робочого коливального контуру з компенсує конденсаторної батареєю. Розкачку контуру здійснюють або за допомогою електронних ламп, або за допомогою напівпровідникових електронних ключів. На установках з робочою частотою до 300 кГц використовують інвертори на IGBT -збірка або MOSFET -транзісторах. Такі установки призначені для розігріву великих деталей. Для розігріву дрібних деталей використовуються високі частоти (до 5 МГц, діапазон середніх і коротких хвиль), установки високої частоти будуються на електронних лампах .

Також для розігріву дрібних деталей будуються установки підвищеної частоти на польових МОП-транзисторах на робочі частоти до 1,7 МГц. Управління транзисторами і їх захист на підвищених частотах представляє певні труднощі, тому установки підвищеної частоти поки ще досить дорогі.

Індуктор для нагріву дрібних деталей має невеликі розміри і невелику індуктивність, що призводить до зменшення добротності робочого коливального контуру на низьких частотах і зниження ККД, а також становить небезпеку для генератора, що задає (на низьких частотах індуктивний опір індуктора (котушки коливального контуру) мало, і виникає коротке замикання по котушці (індуктора). Добротність коливального контуру пропорційна L / C, коливальний контур з низькою добротністю дуже погано «накачується» енергією. Для п овишенія добротності коливального контуру використовують два шляхи:

1. Підвищення робочої частоти, що призводить до ускладнення і подорожчання установки;
2. Застосування феромагнітних вставок в індукторі; обклеювання індуктора панельками з феромагнітного матеріалу.

Так як найбільш ефективно індуктор працює на високих частотах, промислове застосування індукційний нагрів отримав після розробки і початку виробництва потужних генераторних ламп. До першої світової війни індукційний нагрів мав обмежене застосування. В якості генераторів тоді використовували машинні генератори підвищеної частоти (роботи В. П. Вологдина ) Або іскрові розрядні установки.

Схема генератора може бути в принципі будь-який ( мультивибратор , RC-генератор, генератор з незалежним збудженням, різні релаксаційні генератори ), Що працює на навантаження у вигляді котушки-індуктора і володіє достатньою потужністю. Необхідно також, щоб частота коливань була досить висока.

Наприклад, щоб «перерізати» за кілька секунд сталевий дріт діаметром 4 мм, необхідна коливальна потужність не менше 2 кВт при частоті не менше 300 кГц.

Вибирають схему за наступними критеріями: надійність; стабільність коливань; стабільність виділяється в заготівлі потужності; простота виготовлення; зручність настройки; мінімальна кількість деталей для зменшення вартості; застосування деталей, в сумі дають зменшення маси і габаритів, і ін.

Протягом багатьох десятиліть в якості генератора високочастотних коливань застосовувалася индуктивная трехточка ( генератор Хартлі , Генератор з автотрансформаторной зворотним зв'язком, схема на індуктивному делителе контурного напруги). Це самозбуджується схема паралельного харчування анода і частотно-виборчої ланцюгом, виконаною на коливальному контурі. Вона успішно використовувалася і продовжує використовуватися в лабораторіях, ювелірних майстерень, на промислових підприємствах, а також в аматорській практиці. Наприклад, під час Другої світової війни на таких установках проводили поверхневу загартування ковзанок танка Т-34.

Недоліки трехточка:

1. низький ККД (Менше 40% при застосуванні лампи);
2. Сильне відхилення частоти в момент нагрівання заготовок з магнітних матеріалів вище точки Кюрі (≈700 ° С) (змінюється μ), що змінює глибину скін-шару і непередбачувано змінює режим термообробки. При термообробці відповідальних деталей це може бути неприпустимо. також потужні ТВЧ -установки повинні працювати у вузькому діапазоні дозволених «Роскомнадзор ом »частот, оскільки при поганому екранування є фактично радіопередавачами і можуть надавати перешкоди телерадіомовлення, береговим і рятувальним службам;
3. При зміні заготовок (наприклад, більш дрібної на більшу) змінюється індуктивність системи «індуктор - заготівля», що також призводить до зміни частоти і глибини скін-шару;
4. При зміні одновиткового індукторів на багатовиткові, на більші або більш малогабаритні, частота також змінюється.

Під керівництвом Бабата , Лозинського та інших вчених були розроблені дво- і триконтурна схеми генераторів, що мають більш високий ККД (до 70%), а також краще утримують робочу частоту. Принцип їх дії полягає в наступному. За рахунок застосування пов'язаних контурів і ослаблення зв'язку між ними, зміна індуктивності робочого контуру не тягне сильного зміни частоти частотозадаючого контуру. За таким же принципом конструюються радіопередавачі.

Недолік багатоконтурних систем - підвищена складність і виникнення паразитних коливань УКХ-діапазону, які марно розсіюють потужність і виводять з ладу елементи установки. Також такі установки схильні до затягування коливань - мимовільного переходу генератора з однією з резонансних частот на іншу.

Сучасні ТВЧ-генератори - це інвертори на IGBT-збірках або потужних МОП-транзисторах, зазвичай виконані за схемою мостового або полумостовго випрямляча. Працюють на частотах до 500 кГц. Затвори транзисторів відкриваються за допомогою микроконтроллерной системи управління. Система управління в залежності від поставленого завдання дозволяє автоматично утримувати:

1. постійну частоту;
2. постійну потужність, що виділяється в заготівлі;
3. максимально високий ККД.

Наприклад, при нагріванні магнітного матеріалу вище точки Кюрі товщина скін-шару різко збільшується, щільність струму падає, і заготівля починає грітися гірше. Також пропадають магнітні властивості матеріалу і припиняється процес перемагнічування - заготівля починає грітися гірше.

Проблема індукційного нагріву заготовок з магнітніх матеріалів [ правити | правити код ]

Якщо інвертор для індукційного нагрівання не є автогенератори, не має схеми автопідстроювання частоти (ФАПЧ) і працює від зовнішнього генератора, що задає (на частоті, близькій до резонансної частоти коливального контуру «індуктор - компенсує батарея конденсаторів»). У момент внесення заготовки з магнітного матеріалу в індуктор (якщо розміри заготовки досить великі і порівнянні з розмірами індуктора), індуктивність індуктора різко збільшується, що призводить до стрибкоподібного зменшення власної резонансної частоти коливального контуру і відхилення її від частоти задає генератора. Контур виходить з резонансу з генератором, що задає, що призводить до збільшення його опору і стрибкоподібного зменшення переданої в заготовку потужності. Якщо потужність установки регулюється зовнішнім джерелом живлення, то природною реакцією оператора є збільшити напругу живлення установки. При розігріві заготовки до точки Кюрі, її магнітні властивості зникають, власна частота коливального контуру повертається назад до частоти задає генератора. Опір контуру різко зменшується, різко зростає струм. Якщо оператор не встигне зняти підвищена напруга живлення, то установка перегрівається і виходить з ладу. Якщо установка обладнана автоматичною системою управління, то система управління повинна відстежувати перехід через точку Кюрі і автоматично зменшувати частоту генератора, що задає, підлаштовуючи його в резонанс з коливальним контуром (або зменшувати подається потужність, якщо зміна частоти неприпустимо).

Якщо проводиться нагрів немагнітних матеріалів, то вищесказане значення не має. Внесення в індуктор заготовки магнітною практично не змінює індуктивність індуктора і не зрушує резонансну частоту робочого коливального контуру, і необхідності в системі управління немає.

Якщо розміри заготовки багато менше розмірів індуктора, то вона теж не сильно зміщує резонанс робочого контуру.

Індукційні плити [ правити | правити код ]

Індукційна плита - кухонна електрична плита , Розігріває металевий посуд індукованими вихровими струмами, які створюються високочастотним магнітнім полем , Частотою 20-100 кГц.

Така плита володіє більшим ККД в порівнянні з ТЕН електроплитками, так як менше тепла йде на нагрів корпусу, а крім того відсутній період розгону і охолодження (коли даремно витрачається вироблена, але не поглинена посудом енергія).

Індукційні плавильні печі [ правити | правити код ]

Індукційні (безконтактні) плавильні печі - електричні печі для розплавлення і перегріву металів, в яких нагрів відбувається за рахунок вихрових струмів, що виникають в металевому тиглі (і металі), або тільки в металі (якщо тигель виготовлений не з металу; такий спосіб нагріву більш ефективний , якщо тигель погано теплоізольований).

Застосовується в ливарних цехах металургійних заводів, а також в цехах точного лиття та ремонтних цехах машинобудівних заводів для отримання сталевих виливків високої якості. Можлива плавка кольорових металів (бронзи, латуні, алюмінію) і їх сплавів в графітовому тиглі. Індукційна піч працює за принципом трансформатора, у якого первинної обмоткою є водоохолоджуваний індуктор, вторинної та одночасно навантаженням - що знаходиться в тиглі метал. Нагрівання і розплавлення металу відбуваються за рахунок протікають в ньому струмів, які виникають під дією електромагнітного поля, створюваного індуктором.

• Бабат Г. І., Свенчанський А. Д. Електричні промислові печі. - М.: Госенергоіздат, 1948. - 332 с.
• Бурак Я. І., Огірко І. В. Оптимальний нагрів циліндричної оболонки з залежними від температури характеристиками матеріалу // Мат. методи і фіз.-мех. поля. - 1977. - Вип. 5. - С. 26-30.
• Васильєв А. С. Лампові генератори для високочастотного нагріву. - Л.: Машинобудування, 1990. - 80 с. - (Бібліотечка високочастотника-терміста; Вип. 15). - 5300 екз. - ISBN 5-217-00923-3 .
• Власов В. Ф. Курс радіотехніки. - М.: Госенергоіздат, 1962. - 928 с.
• Изюмов Н. М., Лінде Д. П. Основи радіотехніки. - М.: Госенергоіздат, 1959. - 512 с.
• Лозинський М. Г. Промислове застосування індукційного нагріву. - М.: Изд-во АН СРСР, 1948. - 471 с.
• Застосування струмів високої частоти в електротермії / Под ред. А. Е. Слухоцкого. - Л.: Машинобудування, 1968. - 340 с.
• Слухоцкій А. Е. Індуктори. - Л.: Машинобудування, 1989. - 69 с. - (Бібліотечка високочастотника-терміста; Вип. 12). - 10 000 прим. - ISBN 5-217-00571-8 .
• Фогель А. А. Індукційний метод утримання рідких металів в підвішеному стані / Под ред. А. Н. Шамова. - 2-е изд., Испр. - Л.: Машинобудування, 1989. - 79 с. - (Бібліотечка високочастотника-терміста; Вип. 11). - 2950 екз. - ISBN 5-217-00572-6 .