4. Установки індукційного нагріву

1. Загальна характеристика установок

Принцип індукційного нагріву полягає у перетворенні в тепло електромагнітної енергії, яка поглинається металом, який нагрівається. Фізично цей процес полягає в збудженні в металі, який нагрівається, е.р.с., яка створює в ньому змінний струм; теплова енергія, яка виділяється цим струмом, і є причиною нагріву металу.

Джерелом електромагнітного поля в установках індукційного нагріву служить індуктор, частіше всього він має вигляд соленоїда (циліндричної котушки із суцільного чи трубчастого мідного дроту).

Переваги індукційного нагріву у порівнянні з іншими методами нагріву полягають у наступному:

• передача електричної енергії безпосередньо в тіло, яке нагрівається, дозволяє здійснити пряме нагрівання провідникових матеріалів і значно збільшити його швидкість порівняно з печами непрямого нагріву, де вироби нагріваються лише з поверхні;

• передача електроенергії в тіло, яке нагрівається, при індукційному нагріванні не потребує контактних пристроїв, що значно спрощує конструкцію нагрівачів та дозволяє використовувати цей метод в умовах автоматизованого потокового виробництва з застосуванням вакууму та захисних середовищ;

• завдяки явищу поверхневого ефекту максимальна потужність виділяється в поверхневому шарі виробу, який нагрівається, і тим самим індукційний метод при загартуванні забезпечує швидке нагрівання поверхні виробу та дозволяє отримати високу твердість поверхні, зберігаючи серцевину відносно в'язкою; процес поверхневого індукційного загартування швидкий та більш економічний, ніж при інших методах поверхневого зміцнення виробів;

• індукційний метод нагріву, у більшості випадків, дозволяє підвищити продуктивність праці і значно поліпшити санітарно–гігієнічні умови виробництва.

Індукційне нагрівання застосовують для плавлення металів та сплавів; для отримання чистих напівпровідників і металів методом зонного плавлення; для поверхневого і місцевого загартування сталевих та чавунних виробів; для нагрівання під пластичну деформацію; для паяння, зварювання металів та ін.

За призначенням індукційні установки поділяються на плавильні печі і установки для загартування металів.

За частотою живильного струму індукційні установки поділяють на установки промислової частоти, які живляться від мережі 50 Гц (безпосередньо чи через спеціальні знижувальні трансформатори); підвищеної частоти (500–10000 Гц), які живляться від електромашинних чи напівпровідникових перетворювачів частоти; високочастотні (вище 10 кГц) установки, які живляться від лампових генераторів.

Індукційні установки розрізняють за принципом дії – неперервної, напівперервної і періодичної дії; за способом нагрівання вони можуть бути методичними чи садочними. Індукційні печі у конструктивному виконанні бувають з осердям (канальні печі) і без осердя (тигельні печі).

3.4.2 Фізичні основи індукційного нагрівання

а)

б)

Рис. 23 Принципова схема (а) і схеми заміщення (б) індукційної печі з

осердям

На рис. 23 представлені електрична схема і схеми заміщення індукційної установки з осердям. Аналогічний вигляд буде мати схема заміщення індукційної установки без осердя, хоча потік розсіяння та індуктивний опір її будуть значно більшими, ніж в установці з осердям.

В металі, який нагрівають і який знаходиться в змінному магнітному полі, що створюється індуктором, з'являється е.р.с. E_м (В)

,

де f – частота струму, Гц;

W_м – число послідовно з'єднаних витків, які формують контур металу, який нагрівають (як правило W_м=1);

Ф_м – максимальне значення магнітного потоку, Вб.

Під дією е.р.с. E_м в металі з'являється струм I_м (А)

,

де r_м , x_м – активний та індуктивний опір металу, Ом.

Струм І_м нагріває метал відповідно до закону Джоуля – Ленца. Потік активної потужності P_A (кВт/м²), що проходить через одиницю площі металу, який нагрівають, обчислюється за формулою

,

де – напруженість магнітного поля, А/м;

– питомий електричний опір металу, Омּм;

– відносна магнітна проникність металу.

Виражаючи напруженість магнітного поля через намагнічувальну силу, яка припадає на 1 м довжини індуктора, отримаємо

,

де I_i та W_i – струм і число витків, які припадають на одиницю висоти індуктора.

Потужність, яку передають у метал, можна виразити

,

де r_пр.м– активний опір металу, який нагрівають, що приведений до індуктора, Ом.

Активний опір металу ,

де l_м – довжина середнього шляху струму в металі, м;

S_м – площа поперечного перерізу металу, м².

Отже енергія, що виділяється в металі, який нагрівають, пропорційна квадрату намагнічувальної сили індуктора (I_i∙W_i)² і залежить від електричного опору металу, його магнітної проникності, частоти струму, геометричних розмірів металу і індуктора та ін.

Величина називається коефіцієнтом поглинання потужності.

Активна потужність, яка підводиться до індуктора,

P_i = I_i²∙r_e

де r_e – еквівалентний опір системи індуктор–садка, r_e = r_i + r_пр.м.

Втрати потужності індуктора ∆P_i = I_i²∙r_i.

Електричний к.к.д. для системи індуктор–садка

.

Частина потужності P_м йде на відшкодування теплових втрат печі, а інша частина (P_к) – на нагрівання металу.

Відношення називається тепловим к.к.д. установки; добуток

називається повним к.к.д. установки.

Одним з основних енергетичних показників індукційної установки є коефіцієнт потужності. Відомо, що всередині металу при постійних значеннях μ і ρ фаза магнітного поля відстає від фази електричного поля на кут φ = 45^◦. Тому можна сказати, що всередині металу індуктивний опір дорівнює активному r_м=x_м, отже "внутрішній коефіцієнт потужності" завжди дорівнює

.

Результуючий коефіцієнт потужності системи індукційного нагріву значно менший від цієї величини внаслідок великого потоку розсіювання.

При високих частотах, коли глибина проникнення струму (z₀) значно менша від відстані (a) між металом та індуктором

.

Практично в установках індукційного нагріву рідко доводиться мати справу з коефіцієнтом потужності вищим за 0,3, а часто його величина становить 0,1–0,001.

Для підвищення коефіцієнта потужності паралельно індуктору підключають батарею конденсаторів. Нагрівальний контур при цьому налаштовується в резонанс. Умову резонансу можна з відомим припущенням записати в вигляді рівності індуктивного і ємнісного опорів

,

звідки ,

де і – відповідно індуктивність (Гн) і ємність (Ф) контуру.

З цих співвідношень видно, що умова резонансу може бути забезпечена відповідним підбором індуктивності, ємності і частоти струму.

В умовах резонансу коливальний контур споживає від джерела лише активну потужність. При цьому джерело енергії та з'єднувальні шини розвантажуються від реактивної енергії, а контур має лише активний еквівалентний опір r_e.