книги из ГПНТБ / Богословский, С. Д. Высокочастотное литье в зубопротезной технике

ОСНОВЫ НАГРЕВА МЕТАЛЛОВ ТОКАМИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ

В основу нагрева металлов токами высокой частоты (т.в.ч.) положены прежде всего электрические колеба­ ния, порождающие вихревые токи, которые в свою оче­ редь индуктивно нагревают поверхность металлических тел с различной глубиной проникновения в зависимости ¿ от частоты электрических колебаний. В этой главе мы опишем сущность электрических колебаний, вихревые токи и поверхностный эффект нагрева т.в.ч.

Развитие электрических колебаний и источников их получения неразрывно связано с развитием радиотехни­ ки. Практическое приложение электрических колебаний для целей радиовещания было произведено изобретате­ лем радио А. С. Поповым в конце XIX века.

Максвелл и Герц во второй половине XIX века дали детальный анализ законов циркуляции вихревых токов,

открытых Фуко.

Долгое время после открытия вихревых токов они изучались как вредное явление, ведущее к потерям и на­ греву в электрических машинах, и только в начале XX века их тепловое действие было применено и получило небольшое распространение для целей индукционной плавки металлов.

Бурно возросшее применение индукционного нагрева т.в.ч. преимущественно для целей поверхностной закалки относится к периоду 1935—1950 гг. К концу этого же периода можно отнести развитие плавки малых коли­ честв металлов и сплавов.

Электрические колебания. Эти колебания имеют ана­ логию со звуковыми колебаниями. Для получения зву­ ковых колебаний (волн) применяют различные тела (камертон, струна), которые, колеблясь, отдают в воздух часть своей энергии в виде звуковых волн. В радио­ технике для получения электромагнитных волн применя­ ют так называемый электрический колебательный кон­ тур. Колебательный контур представляет собой электри­ ческую цепь, составленную из конденсатора и катушки (рис. 1).

10

Если электрические колебания не «подталкиваются», то они, аналогично маятнику, быстро затухают. Весь ко­ лебательный процесс в радиотехнических установках длится не более десятитысячных долей секунды. Для того чтобы контур достаточно часто «подталкивать», был изобретен оригинальный способ генерирования не­ затухающих электрических колебаний (автоколебаний) с помощью электронной лампы (так называемой генера­ торной лампы). Генераторная лампа является неотъем­ лемой частью всякой радиотехнической установки и служит периодическим толканием для контура. Приме­ ром автоколебательной механической системы могут служить часы, в которых потенциальная энергия пружи­ ны (или гири) поддерживает колебания маятника.

Благодаря изобретению электронной лампы в насто­ ящее время удалось создать электрические колебания от нескольких колебаний в сутки до миллиарда колебаний в секунду.

Мы опишем только работу электронной лампы и ее роль в автоколебательной системе применительно к лам­ повым генераторам.

В основе работы электронных ламп лежит так назы­ ваемое явление термоэлектронной эмиссии, или эффект Эдисона. .

Эдисон наблюдал, что в лампах накаливания при высоких температурах с поверхности накаленного металла (волоска) выделяются отрицательные заряды— электроны. В дальнейшем это явление, получившее на­ звание термоэлектронной эмиссии, было подробно изуче­ но и теоретически установлена зависимость тока эмиссии с 1 см2 поверхности накаленного металла от абсолютной температуры.

Практически желательно при невысоких температу­ рах получить большой ток эмиссии — ток насыщения. При изучении движения электронов было замечено, что

11

большой ток эмиссии. Поэтому при изготовлении нити накаливания (катода) электронных ламп прибавляют указанные окиси («оксидные» катоды) или окиси то­ рия (торированные электроды).

Простейшей электронной лампой является двухэлек­ тродная лампа —- диод (рис. 2, а).

В баллоне-вакууме Б+ помещаются два электрода — катод (нить накала) К и анод А. Катод соединяется с отрицательным полюсом, а анод — с положительным ба­ тареи В.

Электрическое поле при таком включении будет на­ правлено от А к К, электроны будут притягиваться к аноду, и будет течь электронный ток. При обратном включении батареи никакого тока не будет, так как электроны будут отталкиваться от анода (одноименно заряженные). Таким образом, описанная лампа пропу­ скает ток только в одном направлении, поэтому такие лампы называются выпрямителями, или диодными де­ текторами. Эти лампы в высокочастотных установках — ламповых генераторах играют огромную роль.

В 1900 г. была предложена электронная лампа с тре­ мя электродами (триод), в которой между анодом и ка­ тодом был помещен электрод в виде металлической сетки или спирали. В дальнейшем такая лампа была применена

врадиотехнике для получения электрических автоколе­ баний. В трехэлектродной лампе электроны перемеща­ ются под влиянием результирующего поля сетки и анода и напряжение на сетке оказывает гораздо большее влия­ ние на ток, чем напряжение на аноде, так как она ближе расположена к катоду (рис. 2, б).

Спомощью сетки можно усиливать электронный ток

влампе, поэтому лампы с сеткой получили название усилительных ламп. Электронный ток в электронной лампе распределяется следующим образом.

Обратная величина проницаемости называется коэф­ фициентом усиления. Кроме проницаемости и коэффи­ циента усиления, качество лампы характеризуется еще одним параметром — внутренним сопротивлением самой лампы. Четвертым показателем качества лампы являет­ ся крутизна ее характеристики. Она показывает, на­ сколько возрастает сила тока при увеличении напряже­ ния на сетке — 1 В.

12

Рис. 2. Принципиальные схемы электронно-ламповых генераторор токов высокой частоты (т.в.ч.). Объяснение в тексте.

Если ¡на сетку давать одновременно с постоянным на­ пряжением е смещение, т. е. переменную электродвижу­ щую силу (э.д.с.), то'на постоянный ток анода будет накладываться переменный ток н лампа с переменным напряжением на сетке будет работать как генератор пе­ ременного тока е напряжением те (рис. 2, в).

13

В схеме рис. 2, г, д батареи накала, смещения анода

не показаны.

Максимальная колебательная мощность во внешней цепи будет при условии, когда внешнее сопротивление будет равно внутреннему сопротивлению лампы.

В схеме рис. 2, д обратная связь получается через ка­ тушку Lg. Катушка контура L связана с катушкой Lg индуктивно, т. е. под действием колебаний в катушке L наводится э.д.с. индукции к катушке Lg и передается соответственно на сетку. Ламповые генераторы с обрат­ ной связью называются генераторами с самовозбужде­ нием. Генераторы с самовозбуждением могут работать не только при трансформаторных связях (выше рассмот­ ренная связь), но и при автотрансформаторных связях между цепями анода и сетки. Самая распространенная автотрансформаторная связь—это так называемая трех­ точечная схема Гартлея.

Вихревые токи. Механизм нагрева металла с помо­ щью вихревых токов можно объяснить следующим обра­ зом. В металле существуют электрические заряды, кото­ рые создают вокруг себя электрические поля (электро­ статические поля) . При помещении такого металла в переменное магнитное поле в нем возникают электри­ ческие поля электродинамического характера, т. е. про­ исходит движение зарядов в проводнике. В результате взаимодействия указанных полей циркуляция электри­ ческого поля усложняется. Поле теряет потенциальный и приобретает вихревой характер (потенциал этого поля становится не однозначной функцией), замкнутые сило­ вые линии не начинаются и.не оканчиваются на электри­ ческих зарядах. В этом вихревом, довольно сложном поле внутри проводника перемещаются заряды (свобод­ ные электроны) с большими скоростями. Массивные сплошные проводники обладают малыми сопротивления­ ми, и токи Фуко в них могут достигать большой силы (тысячи ампер). Под влиянием индукции быстроменяющегося магнитного поля свободные электроны приобре­ тают огромные ускорения, т. е. создают большой кине­ тический эффект. Сталкиваясь с компонентами кристал­ лической решетки металла, ускоренные электроны и соз­ дают тепловой эффект (джоулево тепло). Таким образом, подводимая электромагнитная колебательная энергия от генератора сначала превращается в механическую, а последняя трансформируется в тепловую энергию. Под-

14

счет энергии, локализуемой массой металла в результате наведения токов Фуко, довольно сложный.

В разделе «Поверхностный эффект» приведенные све­ дения вполне достаточны для практического решения во­ просов индукционного нагрева и плавки цилиндрических заготовок из стали и сплавов.

Поверхностный эффект. Явление поверхностного эф­ фекта, или скин-эффекта (от английского skin — кожа), свойственно не только вихревым, а любым переменным токам. Установлено, что плотность переменного тока распределяется по сечению проводника не одинаково, а увеличивается к поверхности его.

Для цилиндрического проводника плотность тока является функцией радиуса проводника. Плотность тока концентрируется главным образом на поверхности про­ водника. Чем выше частота переменного тока, тем менее глубоко ток проникает внутрь проводника. Глубина про­ никновения переменного тока внутрь проводника полу­ чила название «толщина скин-слоя».

Вообще мерой поверхностного эффекта является от­ ношение активного сопротивления проводника перемен­ ному току к сопротивлению проводника постоянному току.

Глубина проникновения тока обратно пропорциональ­ на корню квадратному из частоты. При радиочастотах поверхностный эффект выявляется очень резко, т. е. при весьма 'высокой частоте вихревые токи сосредоточива­ ются у поверхности проводника заготовки и очень интен­ сивно нагревают ее. Поэтому радионагрев получил боль­ шое распространение и внедрение в промышленности (плавка, пайка, поверхностная электрозакалка и другие виды термообработки). Нужно иметь в виду, что свыше 90% энергии токов Фуко, локализуемой заготовкой, по­ мещенной в индуктор (катушку вторичного контура), приходится на скин-слой.

Поверхностный эффект происходит вследствие междуслойной взаимоиндукции, в результате чего сопротив­ ление току увеличивается (уменьшается проводящее сечение), а самоиндукция проводника, наоборот, умень­ шается (уменьшается энергия поля).

Для практических подсчетов h-глубины проникно­ вения тока можно использовать формулу (1). Так, на­ пример, для углеродистой стали при температуре выше точки Кюри (768°), а также для немагнитных стальных

15

и кобальто-хромовых сплавов толщина скин-слоя будет ' выражаться примерно такой формулой, где f является частотой тока в герцах:

Для той же стали (малолегированной углеродистой) толщина скин-слоя при 20° будет выражаться фор­ мулой:

Глубина проникновения тока в холодной стали почти в 30 раз меньше глубины проникновения тока в горячёй стали: сопротивление в горячей стали уменьшается в 10—12 раз, а магнитная проницаемость падает до еди­ ницы.

Соответственно можно подсчитать глубину погруже­ ния тока и в цветные металлы.

Для красной меди:

Для алюминия:

Ниже приведены таблицы глубины проникновения тока в зависимости от частот и поглощаемой энергии (табл. 1, 2).

С помощью приведенных таблиц можно облегчить работу по подбору технологического режима для плавки в зависимости от габаритов заготовок. Кроме того, таб­ лицы позволяют легко рассчитать толщину медных токо­ проводящих трубок в зависимости от применяемой ча­ стоты.

При работе на радиочастотах энергия выделяется главным образом в толщине скин-слоя (см. табл. 1) и, естественно, мощность нужно подсчитывать не на/едини­ цу объема, а на единицу поверхности металла (1 см2). В табл. 2 приведены зависимости амплитуды плотности тока от h-глубины для различных веществ. Подсчеты плотности тока были сделаны для двух радиочастот — ІО5 и 10® Гц.

16

Таблица 2

Энергия, поглощаемая скин-слоем в цилиндрическом теле

Из приведенных таблиц видно, что с увеличением ак­ тивной толщины скин-слоя концентрация энергии резко падает, однако падение плотности тока разное для раз­ личных металлов. Так, например, при частоте 10е Гц для железа обрыв тока практически наступает на глуби­ не в 0,01 ом (2-10-9%), на той же глубине в меди присут­ ствует свыше 20% тока (20,75%). Эти значения необхо­ димо иметь в виду при разработке технологии нагрева и плавки металлических заготовок на различных частотах, а также при плавке заготовок из антимагнитных нержа­ веющих сталей и сплавов.

Из приведенных данных видно, что при одной и той же радиочастоте удельная мощность в стали почти в 8 раз больше мощности, поглощаемой ^омё^вличная

научно-техническая^ библиотека СССР

ЭКЗЕМПЛЯР ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА

Как правило, при всех прочих равных условиях не-’’ магнитные металлы нагреваются т.в.ч. значительно мед­ леннее, чем ферромагнитные металлы. Это имеет свое объяснение: для немагнитных тел р-магнитная проницае­ мость примерно равна единице, и в них не наблюдается резко выраженного скин-эффекта, ток не так интенсивно «подтягивается» к поверхности проводника. Скин-слой в немагнитных металлах получается расплывчатым (тол­

стым).

Условия теплопередачи при нагреве металлов токами высокой частоты. Интенсивность высокочастотного на­ грева металлов зависит не только от электрических дан­ ных, т. е. от частоты тока, напряженности поля, эффекта близости и др., но она также зависит от физико-химиче­ ских свойств металлов. Скорость нагрева немагнитных металлов (медь, латунь и др.) в значительной степени определяется удельной их проводимостью. При нагреве ферромагнитных металлов и сплавов (железо, сталь, ни­ кель и др.), кроме проводимости, значительную роль иг­ рает магнитная проницаемость. Удельная электропрово­ димость и магнитная проницаемость при глубинном (сквозном) нагреве играют существенную роль. Если процесс нагрева на поверхности проводника имеет осо­ бый характер (не подчиняется законам теплопроводно­ сти) и трансформация электроколебательной энергии в тепловую происходит внутри самого изделия (токи Фу­ ко и скин-эффект), то глубинный орогрев т.в.ч. подчи­ няется обычным законам теплопроводности.

Теплопроводность связана с электропроводностью, которая поэтому является важнейшей характеристикой при сквозном нагреве.

Распределение температур в нагретом теле также об­ условлено коэффициентом 'внутренней теплопровод­ ности.

Распределение тепла в нагретом теле происходит по логарифмическому закону, который действителен при допущении, что теплоотдача с торцевых поверхностей тела подчиняется закону Ньютона, т. е. необходимо счи­ тать, что количество отдаваемого тепла пропорционально температуре.

Указанный выше закон распределения температуры при нагреве т.в.ч. заготовок под плавку особенно важен, так как от величины температуры перепада зависит ско­ рость плавки.

19

Рис. 3. Схема процесса нагрева и плавки металлов т.в.ч: Объясне­ ние в тексте.

Изложенные теоретические сведения по индукционной плавке токами высокой частоты и влияния теплопро­ водности подтверждаются на практике. При такой плав­ ке металлической заготовки в тигле наблюдается следу­

ющее (рис. 3).

1. Заготовка после включения нагрева т.в.ч. в индук­ тор в течение нескольких секунд нагревается по поверх­ ности до температуры 900—1000°. Грани заготовки на­ греваются выше примерно на 100° (3 а).

2.Плавка заготовки начинается снизу, так как дно тигля создает условия меньших теплопотерь и заготов­ ка начинает тонуть и окончательно тонет в жидком ме­ талле, повышая его уровень в тигле (3 6).

3.Образуется расплавленный металл с выпуклым

форм (Зв).

Все эти состояния металла создают условия, гаранти­ рующие его от перегрева и изменения химического со­ става.

19