7.5. Индукционный прогрев

Индукционный метод термообработки бетона основан на использовании магнитной составляющей переменного электромагнитного ноля для нагрева стали вследствие теплового действия электрического тока, наводимого электромагнитной индукцией.

Сущность метода заключается в следующем. Бетонные конструкции (армированные или неармированные), находящиеся в ферромагнитных формах, помещаются в переменное электромагнитное поле индуктора. На поверхности опалубки укладывают витками изолированный провод и пропускают по нему переменный ток, тогда в арматуре и в опалубке (если она стальная) начинают циркулировать вихревые токи, Выделяемая в результате этого арматурой и стальной опалубкой теплота расходуется на прогрев бетона конструкции.

Вихревые токи, возникающие в загрузке (т. е. в арматуре или опалубке), циркулируют не по всей ее толщине. При попадании электромагнитной волны на поверхность металла амплитуда плотности вихревых токов по сечению загрузки убывает от поверхности вглубь, причем около 90 % всей теплоты выделяется с поверхностного слоя.

В зависимости от характера армирования применяют различные схемы загрузок: прутковая арматура конструкции; жесткий каркас и прутковая арматура в неметаллической опалубке; то же, в металлической опалубке. В применяемой составной металлической опалубке имеются щели, направление которых совпадает с направлением магнитного потока, в результате чего экранирующая способность опалубки исчезает. Так как электрическое сопротивление в стыке значительно выше сопротивления при движении тока по стенкам опалубки, то ток возвращается по внутренней ее поверхности, которая и выделяет теплоту.

Для устранения перепадов температуры, обусловленных неравномерным распределением напряженности поля, витки индуктора на различных участках длины конструкции укладывают с различным шагом.

Образование структуры цементного камня и бетона происходит в исключительно благоприятных условиях, вследствие чего прочность такого бетона в 28-суточном возрасте на 15...25 % выше, чем бетона нормально-влажного (стандартного) твердения и на 25...35 % пропаренного бетона. При этой обработке в бетоне уменьшается объем микрокапиллярной пористости и количество сообщающихся пор, возрастает его непроницаемость, стойкость к воздействию агрессивных сред и долговечность.

В Институте тепло- и массообмена АН БССР разработаны проекты электромагнитных установок для термообработки железобетонных конструкций различных типов: тоннельные камеры (стационарные и передвижные) для плитных и длинноразмерных изделий; камеры-колпаки для труб большого диаметра, плоскостные элементы для монолитного железобетона и конструкций, изготовляемых в скользящей опалубке.

Для обработки монолитных конструкций и прогрева стыков применяются инвентарные мягкие разъемные индукторы, позволяющие значительно снизить трудозатраты. Сечение проводов индуктора определяют по расчету, прогрев ведут при напряжении 50...120 В о использованием сварочных и масляных понижающих трансформаторов.

Возможно применение индукционного прогрева при изготовлении изделий по кассетной или пакетной технологии с установкой индукционных нагревателей между изделиями. Такой нагреватель состоит из обмотки, выполненной из неизолированного или изолированного провода и образующей замкнутый магнитопровод с металлом стальной опалубки или с арматурой, если опалубка выполнена из дерева. Так, в типовой кассете конструкции Гипростроммаша нагреватель располо» ея между двумя стальными стенками, связанными между собой равнобокими уголками. В пространстве между соседними формами установлены индуктирующие токопроводы и изоляционные диафрагмы. Ребра жесткости устанавливаются горизонтально с расчетным шагом и go сдвижкой в шахматном порядке с тем, чтобы в образовавшейся непрерывной полости можно было разместить плоский трехзаходный зигзагообразный токопровод из стержневой арматурной стали класса А1 0 14... 18 мм.

Образованная таким образом полость замкнута ферромагнитным материалом, а наличие одного направления во всех трех стержнях токопровода и минимального зазора между ними и формующими листами позволяет замкнуть в магнитонроводе часть магнитного потока индуктора. Листы опалубки соединены между швами по периметру электросварными заклепками.

Токопровод изолируют от окружающего металла воздушным зазором, равным 15 мм, и фиксируемыми диафрагмами из асбестоцементных электроизоляционных досок, установленными через 1 м (ГОСТ 4248–78).

Индукционный нагреватель реализует комбинированный способ преобразования электрической энергии в тепловую за счет активного сопротивления стального токопровода, активного сопротивления «загрузки» вихревым токами гистерезиса строительной стали. Групповое соединение нагревателей одной кассетной установки позволяет использовать для прогрева токи промышленной частоты и сетевого напряжения.

Безопасность эксплуатации кассет обеспечивается электроизоляцией токопровода заземлением каждого нагревателя гибким проводом и системой защиты электроустановок. При применении обмотки из изолированного провода используют провода марки РКГМ с рабочей температурой до 180 °С, изоляцию «голого» провода от замыкания на металлическую опалубку осуществляют асбестовым шнуром. Расход электроэнергии составляет 70 кВтч/м³ бетона.

В конвейерной технологии применяют термообработку бетона в электроиндукционных камерах со стальными стенами, которые нагреваются до 200...300 °С и передают теплоту обрабатываемым изделиям за счет излучения и конвекции, при этом температура среды в камере достигает 120... 150 °С. КПД камер с «греющими стенами» низок, так как на различных участках наблюдаются потери: в ограждениях, при передаче от стен к среде в камере, от среды к форме, от металла форм к поверхности изделия.

Более эффективны камеры с «греющими формами». В этих камерах, щелевых или тоннельных, индукционная обмотка расположена не снаружи, а внутри камеры, на изоляторах. Токи индуцируются в металле форм или арматуре, при этом значительно сокращаются потери теплоты.

Необходимая активная мощность на термообработку 1 м³ бетона в зависимости от режима прогрева составляет 2...10 кВт. Полная же мощность зависит от коэффициента мощности цепи (а с увеличением насыщенности сечения конструкции металлом (р растет, а с увеличением периметра индуктора и электросопротивления поверхности арматуры – падает, изменяясь при этом в пределах 0,3...0,7, но не превышая 0,707. Поэтому при индукционном прогреве полная мощность при равных прочих условиях будет выше, чем при электропрогреве и составит 5...20 кВт на 1 м³ бетона.