Введение

Явление нагрева металлических тел в переменных магнитных полях стало впервые изучаться как физический феномен еще в эпоху первых работ Фарадея над электромагнитной индукцией. Позднее электромагнитная теория Максвелла дала методы вычисления распределения вихревых токов.

В 1880 г. Генрих Герц в своей диссертации «Об индукции во вращающихся шарах» дал детальный анализ законов циркуляции вихревых токов. Им был в сущности создан вполне разработанный математический аппарат для точного расчета явлений, связанных с вихревыми токами. Современные методы расчета распределения вихревых токов представляют собой в значительной мере упрощение методов, которыми пользовался Герц.

И вот спустя почти 50 лет методы обработки металлов путем нагрева их в быстропеременных электромагнитных полях начали входить в промышленную практику [1].

Индукционный подогрев получил значительное распространение в области сварки магистральных трубопроводов. Высокая производительность и малые габариты установок, легкость автоматизации и встраивания в технологические линии, высокое качество термически обработанных изделий, практически полная безинерционность индукционного подогрева обеспечили широкое применение этой технологии на предприятиях металлургической, газовой, нефтяной, химической и атомной промышленности [2].

Индукционный нагрев труб и трубных заготовок применяется:

- для сушки и подогрева перед нанесением лакового, полимерного покрытия;

- для подогрева трубопроводов;

- для изгиба труб;

- для редуцирования труб;

- для производства цельнотянутых крутоизогнутых отводов;

- для термообработки труб и сварных швов [1].

1 Анализ систем проходного индукционного нагрева труб

1. 1 Необходимость подогрева сварных трубопроводов индукционным способом

Одним из основных средств повышения надежности сварных соединений является термическая обработка, в результате которой снижается уровень сварочных напряжений, улучшаются структура и свойства металло − соединения. Трубы из низкоуглеродистых и низколегированных сталей перлитного класса подогревают (особенно в зимнее время) до 100 − 300 °С, что предохраняет сварное соединение при сварке от быстрого охлаждения, приводящего к возникновению трещин в шве.

Различают предварительный подогрев (до начала сварки) и сопутствующий (непосредственно в процессе сварки или во время перерывов в процессе сварки).

Существует два основных типа оборудования для термообработки по способу нагрева: радиационный и индукционный.

Хотя индукционный нагрев используется повсеместно во многих отраслях промышленности в течение десятилетий, в области сварки он не был широко распространен. Компании со сварочноемкими производствами существенно увеличили эффективность своей работы в результате его применения.

Системы индукционного нагрева являются бесконтактными. Они нагревают изделие до высокой температуры за счет электромагнитных волн. Электромагнитное поле создает вихревые потоки внутри изделия, возбуждая молекулы металла и производя нагрев изделия. Поскольку нагревание происходит внутри металлической поверхности, эффективность такого нагрева достаточно высока. В то же время сам индуктор практически не нагревается.

Индукционный нагрев обеспечивает лучшую однородность высокой температуры, уменьшенное время цикла и более низкие затраты расходных элементов системы. На изделиях с существенной толщиной сокращение времени на нагрев для снятия напряжений может достигать 50%.

Теплоизоляция, используемая при индукционном нагреве, не столь сложна и может многократно использоваться. Кроме того, индукторы не содержат хрупких или керамических материалов. Установка индуктора обычно занимает не более 15 минут. Эффективность источника питания индуктора (инвертора) составляет около 90%, самого процесса нагревания — больше, чем 80%, что имеет немаловажное значение для экономии энергетических ресурсов.

Универсальность индукторов делает их незаменимыми при нагреве изделий сложной формы: отводов, клапанов, фланцев и др. Возможность приспосабливать индуктор в течение процесса нагрева к форме изделия позволяет в реальном времени контролировать нагрев нужной области (Рисунок 1) и так изменять его положение, чтобы получить наилучший результат.

Высокая концентрация и точная локализация энергии при индукционном нагреве обеспечивают короткий цикл, высокую производительность, улучшают показатели использования оборудования и материалов и снижают риск деформации при нагреве.

Индукционный нагрев позволяет с легкостью осуществить точное автоматическое управление процессом; он идеально согласуется с автоматизированным производством и не требует специальной подготовки персонала. Так же позволяет избежать сложное техническое обслуживание, измерения, нагрева футеровки печей и их охлаждения; в процессе нагрева не выделяется дым или другие вредные эмиссии, загрязняющие материалы и оборудование - все это снижает опасность процесса и улучшает рабочие условия [3].

Рисунок 1 – Индукционный нагрев в промышленных условиях