1. Индукционные тигельные печи

1.1. Сущность индукционного нагрева и плавления шихты

Теория и физические основы индукционного нагрева металлов подробно изложены в учебниках [1, с. 15 – 153; 2, с. 168 – 180; 3, с. 206 – 213].

Индукционный нагрев шихты в плавильном тигле осуществляется в результате трёх превращений электромагнитного поля [2, с. 168 – 170].

В установках индукционного нагрева электромагнитное поле создают индуктором, представляющим собой многовитковую цилиндрическую катушку (соленоид). Через индуктор пропускают переменный синусоидальный электрический ток, в результате чего вокруг индуктора возникает изменяющееся во времени переменное магнитное поле. Это – первое превращение энергии электромагнитного поля, описанное первым уравнением Максвелла (закон полного тока).

Нагреваемый объект помещают внутрь индуктора. Изменяющийся (во времени) поток вектора магнитной индукции, созданный индуктором, пронизывает нагреваемый объект и индуцирует в нём электрическое поле. Электрические линии этого поля расположены в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного потока, и замкнуты, т.е. электрическое поле в нагреваемом объекте носит вихревой характер. Под действием электрического поля, согласно закону Ома, возникают токи проводимости (вихревые токи). Это – второе превращение энергии электромагнитного поля, описываемое вторым уравнением Максвелла (закон электромагнитной индукции).

В нагреваемом объекте энергия индуцированного переменного электрического поля необратимо переходит в тепловую. Такое тепловое рассеивание энергии, следствием чего является нагрев объекта, определяется существованием токов проводимости (вихревых токов). Это – третье превращение энергии электромагнитного поля. Энергетическое соотношение этого превращения описывается законом Джоуля – Ленца. (Ферромагнитные нагреваемые объекты нагреваются до температуры магнитных превращений (точка Кюри) не только вихревыми токами, но и под действием электрической энергии, преобразующуюся в тепловую энергию при перемагничивании.)

На величину напряжённости электрического поля в нагреваемом объекте оказывают влияние два фактора [2, с. 169]: величина магнитного потока, т.е. число магнитных силовых линий, пронизывающих объект (или сцеплённых с нагреваемым объектом), и частота питающего тока, т.е. частота изменений (во времени) магнитного потока, сцеплённого с нагреваемым объектом.

По частоте изменения тока, питающего установку индукционного нагрева, различают: 1) установки промышленной частоты (50 Гц), питающиеся от сети непосредственно или через понижающие трансформаторы; 2) установки повышенной (средней) частоты (500 – 10000 Гц), получающие питание от электромашинных или полупроводниковых преобразователей частоты;

3) высокочастотные установки (66 или 440 кГц), питающиеся от ламповых (электронных) генераторов.

В ИТП расплавляемый металл находится, например, в неэлектропроводном керамическом тигле, помещённом внутри цилиндрического многовиткового индуктора. Индуктор изготовляют из медной профилированной трубки, через которую пропускают охлаждающую воду (более подробно будет сказано позже).

Отсутствие замкнутого магнитопровода значительно увеличивает магнитный поток рассеяния; число магнитных силовых линий, сцепляемых с металлом в тигле, будет крайне мало [2, с. 170]. Это обстоятельство требует соответствующего увеличения частоты изменения (во времени) электромагнитного поля. Поэтому для эффективной работы ИТП приходится питать их токами повышенной (средней), а в отдельных случаях и высокой частоты от соответствующих преобразователей частоты тока. Подобные печи имеют очень низкий естественный коэффициент мощности (cos φ ≈ 0,03 – 0,10), что вызывает необходимость искусственной ёмкостной компенсации реактивной (индуктивной) мощности.