4.3. Индукционные нагревательные установки

Индукционные нагревательные установки (ИНУ) применяются в различных технологических процессах, и подразделяются на два основных типа: установки сквозного и поверхностного нагрева. ИНУ сквозного нагрева применяются для нагрева заготовок под последующую пластическую деформацию: ковку, штамповку, прессовку, прокатку и т. д.

В зависимости от геометрических параметров деталей и их материала источники питания ИНУ выполняют на частоту 50-10000 Гц. Выбор рабочей частоты производят таким образом, чтобы выделение теплоты происходило в слое достаточной толщины по сечению детали, нагрев считают глубинным при условии:

, (4.13)

где – радиус нагреваемой заготовки; – глубина проникновения тока в металл горячей заготовки.

Для цилиндрических стальных заготовок:

, (4.14)

где – диаметр нагреваемой заготовки, см.

Индукционный поверхностный нагрев сопровождается проявлением поверхностного эффекта и эффекта близости. Вследствие поверхностного эффекта ток в нагреваемом изделии распределяется неравномерно, наибольшая плотность тока имеет место в поверхностных слоях. Рост плотности тока от центра к поверхности проводника происходит по экспоненциальному закону, поэтому при использовании высокой частоты в поверхностных слоях можно получить большие плотности тока, обеспечивающие быстрый нагрев металла.

П оверхностный нагрев применяют для нагрева деталей под последующую термохимическую обработку (закалка, цементация, азотирование и т. п.). Схемы некоторых индукторов для поверхностного нагрева показаны на рис. 4.6, а-в.

Рис. 4.6. Технологические схемы поверхностного индукционного нагрева: 1 – индуктор; 2 – нагреваемое тело; 3 – нагретый слой изделия

Индукторы характеризуются удельной поверхностной мощностью (Вт/м²), которая зависит от частоты тока, глубины прогрева, размеров нагреваемых изделий.

Потребляемую индукционной установкой из сети активную мощность определяют через полезную мощность , идущую на нагрев деталей, и общий КПД системы:

(4.15)

где – соответственно КПД системы, индуктора, конденсаторной батареи, линии и источника питания.

Полезная мощность:

, (4.16)

где – средняя интегральная удельная теплоемкость в интервале температур  Дж/(кг-К); t_K и t₀ – конечная и начальная температуры детали, К; g – масса одной заготовки, кг; п – число заготовок, одновременно нагреваемых в индукторе; – время нагрева, с.

Для обеспечения равномерного нагрева заготовок в индукторе его длину необходимо выбирать несколько большей длины садки .

Оптимальная частота для нагрева на заданную глубину :

, (4.17)

Электрический КПД индуктора зависит от соотношения диаметров детали , индуктора удельного сопротивления металла индуктора и заготовки , магнитной проницаемости металла заготовки:

, (4.18)

Тепловой КПД индуктора при неизменной удельной мощности падает с повышением частоты и с увеличением диаметра нагреваемой заготовки.

Коэффициент мощности системы индукторсадка и реактивная мощность конденсаторной батареи.

Коэффициент мощности системы индуктор – садка:

сosφ_И= , (4.19)

где – активная и реактивная мощности садки; – активная и реактивная мощности индуктора; – реактивная мощность в зазоре между индуктором и садкой.

Реактивная мощность конденсаторной батареи (КБ) Q_k6 для компенсации естественного сosφ_И индукционного устройства:

(tgφ_И–tgφ_К), (4.20)

где – его активная мощность; φ_К – сдвиг фаз между током и напряжением в скомпенсированном контуре.

Активные потери в КБ tg , где tg – тангенс угла диэлектрических потерь.

Коэффициент полезного действия КБ при компенсации реактивной мощности индукционного устройства:

. (4.21)

Следует отметить, что при высоких частотах и низком сosφ_И потери в конденсаторах могут достигать 10–12 % мощности индуктора.