6.7. Индукционные печи

Индукционные печи применяют для нагревания веществ или реакционных сосудов, обладающих достаточной электропровод­ностью. Такая печь представляет собой соленоид, сердечником которой является нагреваемый сосуд с веществом. Например, индукционная печь с графитовым тиглем 3 (рис. 124, а) позво­ляет получить внутри тигля температуру порядка 2500 - 3000 ⁰С. Индукционные токи, возникающие в сосуде или в веществе, называют вихревыми токами, или токами Фуко.

Фуко Леон (1819- 1868) - французский физик-механик, впервые обнару­жил нагревание металлических предметов при движении их в магнитном поле.

Количество энергии в форме теплоты, выделяемое в единицу времени токами Фуко, прямо пропорционально квадрату частоты изменения магнитного тока, поэтому для получения высоких температур в индукционных печах применяют токи высоком частоты. Нагрев токами Фуко происходит тем быстрее, чем большей электропроводящей массой обладает сосуд с веществом. Для получ­ения равномерного распределения температуры в массе вещества стенки сосуда в местах большего потребления энергии делают более толстыми. В этом случае исчезают зоны перегрева в веществе и уменьшается его спекание.

Рис. 124. Индукционные печи: обычная (а), вакуумная (б), для трубчатого реак­тора (в, г) и для зонной плавки (в):

1 - индукционная катушка; 2 - керамический патрон; 3 - металлический тигель; 4 -криптол; 5- смотровое окно;

6- трубка; 7- расплав; 8- твердая фаза; 9- водяная рубашка; 10- медный экран; 11 - стальной цилиндр

Регулирование температуры при индукционном нагреве воз­можно в пределах 50 - 600 ^СС, а индукторы можно подключать и к сети с частотой 50 Гц при напряжении 220 - 380 В. При небольшой мощности индукционной печи 10-50 кВт ее включают либо непосредственно в электрическую сеть, либо - через трансформатор, который позволяет подбирать необходимое на­пряжение на индукторе. В частности, индукционная печь с ка­тушкой из 200 витков медной ленты (2x4 мм) при частоте 50 Гц, напряжении 380 В и силе тока 20 А развивает температу­ру до 550 - 600 °С. Такую индукционную катушку теплоизоли­руют от объекта нагревания. Поэтому во время работы печи она остается холодной.

Для больших мощностей катушку изготавливают из изолиро­ванной медной трубки 1 (рис. 124, б), по которой пропускают воду для охлаждения индуктора. Правда, в такой вакуумном индукционной печи из-за сравнительно большого зазора между индуктором и тиглем 3 увеличивается рассеяние магнитного поля индуктора, что приводит к дополнительным затратам энергии.

Индукционные печи применяют и для нагревания потоков газов и жидкостей в стеклянных трубках, но для этого их окружают стальным цилиндром 11 (рис. 124, в) в зоне нагрева. кварцевые трубчатые индукционные печи 2 (рис. 124, г) рабо­тают только тогда, когда вещество находится в металлических лодочках.

При зонной плавке (см. разд. 9.7) энергия, генерируемая в пределах очищаемого вещества 7 (рис. 124, д), сводит к мини­муму загрязнения, поступающие из материала трубки или кон­тейнера; к тому же возникающие за счет индукции вихревые потоки хорошо перемешивают расплав.

Долговечность индукционной печи практически не ограни­чена. Ее недостатки: большие размеры вспомогательного обору­дования, его дороговизна и сложность регулирования темпера­турного режима печи. Небольшие изменения в положении сосу­да и электропроводности вещества могут резко изменить мощ­ность печи.