Нагрев металла с помощью индукции
Обновлено: 04.10.2024
В индукционных печах и устройствах тепло в электропроводном нагреваемом теле выделяется токами, индуктированными в нем переменным электромагнитным полем. Таким образом, здесь осуществляется прямой нагрев.
Индукционный нагрев металлов основан на двух физических законах: законе электромагнитной индукции Фарадея-Максвелла и законе Джоуля-Ленца. Металлические тела (заготовки, детали и др.) помещают в переменное магнитное поле, которое возбуждает в них вихревое электрическое поле. ЭДС индукции определяется скоростью изменения магнитного потока. Под действием ЭДС индукции в телах протекают вихревые (замкнутые внутри тел) токи, выделяющие теплоту по закону Джоуля-Ленца. Эта ЭДС создает в металле переменный ток, тепловая энергия, выделяемая данными токами, является причиной нагрева металла. Индукционный нагрев является прямым и бесконтактным. Он позволяет достигать температуры, достаточной для плавления самых тугоплавких металлов и сплавов.
Под катом видео с девайсом от 12 вотльт
Индукционный нагрев и закалка металловИнтенсивный индукционный нагрев возможен лишь в электромагнитных полях высокой напряженности и частоты, которые создают специальными устройствами — индукторами. Индукторы питают от сети 50 Гц (установки промышленной частоты) или от индивидуальных источников питания — генераторов и преобразователей средней и высокой частоты.
Простейший индуктор устройств косвенного индукционного нагрева низкой частоты — изолированный проводник (вытянутый или свернутый в спираль), помещенный внутрь металлической трубы или наложенный на ее поверхность. При протекании по проводнику-индуктору тока в трубе наводятся греющие ее вихревые токи. Теплота от трубы (это может быть также тигель, емкость) передается нагреваемой среде (воде, протекающей по трубе, воздуху и т. д.).
Наиболее широко применяется прямой индукционный нагрев металлов на средних и высоких частотах. Для этого используют индукторы специального исполнения. Индуктор испускает электромагнитную волну, которая падает на нагреваемое тело и затухает в нем. Энергия поглощенной волны преобразуется в теле в теплоту. Для нагрева плоских тел применяют плоские индукторы, цилиндрических заготовок — цилиндрические (соленоидные) индукторы. В общем случае они могут иметь сложную форму, обусловленную необходимостью концентрации электромагнитной энергии в нужном направлении.
Особенностью индукционного ввода энергии является возможность регулирования пространственного расположения зоны протекания вихревых токов. Во-первых, вихревые токи протекают в пределах площади, охватываемой индуктором. Нагревается только та часть тела, которая находится в магнитной связи с индуктором независимо от общих размеров тела. Во-вторых, глубина зоны циркуляции вихревых токов и, следовательно, зоны выделения энергии зависит, кроме других факторов, от частоты тока индуктора (увеличивается при низких частотах и уменьшается с повышением частоты). Эффективность передачи энергии от индуктора к нагреваемому току зависит от величины зазора между ними и повышается при его уменьшении.
Индукционный нагрев применяют для поверхностной закалки стальных изделий, сквозного нагрева под пластическую деформацию (ковку, штамповку, прессование и т. д.), плавления металлов, термической обработки (отжиг, отпуск, нормализация, закалка), сварки, наплавки, пайки металлов.
Косвенный индукционный нагрев применяют для обогрева технологического оборудования (трубопроводы, емкости и т. д.), нагрева жидких сред, сушки покрытий, материалов (например, древесины). Важнейший параметр установок индукционного нагрева — частота. Для каждого процесса (поверхностная закалка, сквозной нагрев) существует оптимальный диапазон частот, обеспечивающий наилучшие технологические и экономические показатели. Для индукционного нагрева используют частоты от 50Гц до 5Мгц.
Преимущества индукционного нагрева
1) Передача электрической энергии непосредственно в нагреваемое тело позволяет осуществить прямой нагрев проводниковых материалов. При этом повышается скорость нагрева по сравнению с установками косвенного действия, в которых изделие нагревается только с поверхности.
2) Передача электрической энергии непосредственно в нагреваемое тело не требует контактных устройств. Это удобно в условиях автоматизированного поточного производства, при использовании вакуумных и защитных средств.
3) Благодаря явлению поверхностного эффекта максимальная мощность, выделяется в поверхностном слое нагреваемого изделия. Поэтому индукционный нагрев при закалке обеспечивает быстрый нагрев поверхностного слоя изделия. Это позволяет получить высокую твердость поверхности детали при относительно вязкой середине. Процесс поверхностной индукционной закалки быстрее и экономичнее других методов поверхностного упрочнения изделия.
4) Индукционный нагрев в большинстве случаев позволяет повысить производительность и улучшить условия труда.
Индукционный нагрев, закалка и индукционная плавка металлов
Самым совершенным видом нагрева является такой, при котором тепло создается непосредственно в нагреваемом теле. Такой способ нагрева очень хорошо осуществляется пропусканием через тело электрического тока. Однако, прямое — включение нагреваемого тела в электрическую цепь не всегда возможно по причинам технического и практического характера.
В этих случаях совершенный вид нагрева может быть осуществлен применением индукционного нагрева, при котором тепло также создается в самом нагреваемом теле, что исключает излишний, обычно большой, расход энергий в стенках печи или в других нагревающих элементах. Поэтому, несмотря на сравнительно невысокий к. п. д. генерирования токов повышенной и высокой частоты, общий к. п. д. индукционного нагрева оказываётся часто выше, чем при других способах нагрева.
Индукционный способ позволяет также осуществлять быстрый нагрев неметаллических тел равномерно по всей их толщине. Плохая теплопроводность таких тел исключает возможность быстрого нагрева их внутренних слоев обычным способом, т. е. подводом тепла извне. При индукционном способе тепло образуется одинаково как в наружных слоях, так и во внутренних и может даже возникнуть опасность перегрева последних, если не сделать необходимой теплоизоляции наружных слоев.
Особо ценным свойством индукционного нагрева является возможность весьма высокой концентрации энергии в нагреваемом теле, легко поддающейся точной дозировке. Только электрической дугой можно получить тот же порядок плотности энергии, однако, этот способ нагрева трудно поддается контролю.
Особенности и общеизвестные преимущества индукционного нагрева создали широкие возможности применения его во многих отраслях промышленности. Кроме того, он позволяет создавать новые виды конструкций, которые вовсе не осуществимы пои обычных способах термообработки.
Физический процесс
В индукционных печах и устройствах тепло в электропроводном нагреваемом теле выделяется токами, индуктированными в нем переменным электромагнитным полем. Таким образом, здесь осуществляется прямой нагрев.
Индукционный нагрев металлов основан на двух физических законах: законе электромагнитной индукции Фарадея-Максвелла и законе Джоуля-Ленца. Металлические тела (заготовки, детали и др.) помещают в переменное магнитное поле, которое возбуждает в них вихревое электрическое поле. ЭДС индукции определяется скоростью изменения магнитного потока. Под действием ЭДС индукции в телах протекают вихревые (замкнутые внутри тел) токи, выделяющие теплоту по закону Джоуля-Ленца. Эта ЭДС создает в металле переменный ток, тепловая энергия, выделяемая данными токами, является причиной нагрева металла. Индукционный нагрев является прямым и бесконтактным. Он позволяет достигать температуры, достаточной для плавления самых тугоплавких металлов и сплавов.
Интенсивный индукционный нагрев возможен лишь в электромагнитных полях высокой напряженности и частоты, которые создают специальными устройствами - индукторами. Индукторы питают от сети 50 Гц (установки промышленной частоты) или от индивидуальных источников питания - генераторов и преобразователей средней и высокой частоты.
Простейший индуктор устройств косвенного индукционного нагрева низкой частоты - изолированный проводник (вытянутый или свернутый в спираль), помещенный внутрь металлической трубы или наложенный на ее поверхность. При протекании по проводнику-индуктору тока в трубе наводятся греющие ее вихревые токи. Теплота от трубы (это может быть также тигель, емкость) передается нагреваемой среде (воде, протекающей по трубе, воздуху и т. д.).
Индукционный нагрев и закалка металлов
Наиболее широко применяется прямой индукционный нагрев металлов на средних и высоких частотах. Для этого используют индукторы специального исполнения. Индуктор испускает электромагнитную волну, которая падает на нагреваемое тело и затухает в нем. Энергия поглощенной волны преобразуется в теле в теплоту. Эффективность нагрева тем выше, чем ближе вид испускаемой электромагнитной волны (плоская, цилиндрическая и т. д.) к форме тела. Поэтому для нагрева плоских тел применяют плоские индукторы, цилиндрических заготовок - цилиндрические (соленоидные) индукторы. В общем случае они могут иметь сложную форму, обусловленную необходимостью концентрации электромагнитной энергии в нужном направлении.
Особенностью индукционного ввода энергии является возможность регулирования пространственного расположения зоны протекания вихревых токов.
Во-первых, вихревые токи протекают в пределах площади, охватываемой индуктором. Нагревается только та часть тела, которая находится в магнитной связи с индуктором независимо от общих размеров тела.
Во-вторых, глубина зоны циркуляции вихревых токов и, следовательно, зоны выделения энергии зависит, кроме других факторов, от частоты тока индуктора (увеличивается при низких частотах и уменьшается с повышением частоты).
Эффективность передачи энергии от индуктора к нагреваемому току зависит от величины зазора между ними и повышается при его уменьшении.
Косвенный индукционный нагрев применяют для обогрева технологического оборудования (трубопроводы, емкости и т. д.), нагрева жидких сред, сушки покрытий, материалов (например, древесины). Важнейший параметр установок индукционного нагрева - частота. Для каждого процесса (поверхностная закалка, сквозной нагрев) существует оптимальный диапазон частот, обеспечивающий наилучшие технологические и экономические показатели. Для индукционного нагрева используют частоты от 50Гц до 5Мгц.
Индукционные плавильные печи
Индукционную печь или устройство можно рассматривать как своего рода трансформатор, в котором первичная обмотка (индуктор) подключена к источнику переменного тока, а вторичной обмоткой служит само нагреваемое тело.
Для рабочего процесса индукционных плавильных печей характерно электродинамическое и тепловое движение жидкого металла в ванне или тигле, способствующее получению однородного по составу металла и его равномерной температуры по всему объему, а также малый угар металла (в несколько раз меньше, чем в дуговых печах).
Индукционные плавильные печи применяют при производстве литья, в том числе фасонного, из стали, чугуна, цветных металлов и сплавов.
Индукционные плавильные печи можно разделить на канальные печи промышленной частоты и тигельные печи промышленной, средней и высокой частоты.
Индукционная канальная печь представляет собой трансформатор, обычно промышленной частоты (50 Гц). Вторичной обмоткой трансформатора служит виток из расплавленного металла. Металл заключен в кольцевом канале из огнеупора.
Основной магнитный поток наводит в металле канала ЭДС, ЭДС создает ток, ток нагревает металл, поэтому, индукционная канальная печь подобна трансформатору, работающему в режиме короткого замыкания.
Индукторы канальных печей выполняют из продольной медной трубки, он имеет водяное охлаждение, канальная часть подового камня охлаждается от вентилятора или от централизованной воздушной системы.
Индукционные канальные печи предназначены для непрерывной работы с редкими переходами с одной марки металла на другую. Индукционные канальные печи, в основном применяют для плавки алюминия и его сплавов, а также меди и некоторых ее сплавов. Другие серии печей специализированы как миксеры для выдержки и перегрева жидкого чугуна, цветных металлов и сплавов перед разливкой в литейные формы.
Работа индукционной тигельной печи основана на поглощении электромагнитной энергии проводящей садки. Садка размещена внутри цилиндрической катушки - индуктора. С электрической точки зрения, индукционная тигельная печь представляет собой короткозамкнутый воздушный трансформатор, вторичной обмоткой которого является проводящая садка.
Индукционные тигельные печи используют преимущественно для плавки металлов на фасонное литье при периодическом режиме работы, а также вне зависимости от режима работы — для плавки некоторых сплавов, например бронз, которые пагубно влияют на футеровку канальных печей.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Как устроен и работает индукционный нагреватель
Принцип работы индукционного нагревателя заключается в разогреве электропроводящей металлической заготовки индуцированным в ней замкнутым вихревым током.
Вихревые токи — токи, возникающие в сплошных проводниках вследствие явления электромагнитной индукции, когда эти проводники пронизываются переменным магнитным полем. На создание этих токов затрачивается энергия, которая превращается в тепло и нагревает проводники.
Для уменьшения этих потерь и устранения нагрева вместо сплошных проводников применяют слоистые, в которых отдельные слои разделены изоляцией. Эта изоляция препятствует возникновению больших замкнутых вихревых токов и уменьшает потери энергии на их поддержание. Именно из этих соображений сердечники трансформатора, якоря генераторов и т. п. делают из тонких листов стали, изолированных друг от друга слоями лака.
В качестве индуктора в индукционном нагревателе выступает катушка с переменным током, предназначенная для создания переменного электромагнитного поля высокой частоты.
Переменное магнитное поле высокой частоты, в свою очередь, действует на электропроводящий материал, наводя в нем замкнутый ток высокой плотности, и тем самым разогревая заготовку вплоть до ее расплавления. Данное явление известно давно, и объяснимо со времен Майкла Фарадея, описавшего явление электромагнитной индукции еще в 1931 году.
Изменяющееся во времени магнитное поле наводит переменную ЭДС в проводнике, который оно при этом своими силовыми линиями пересекает. Таким проводником может в принципе быть обмотка трансформатора, сердечник трансформатора, или цельный кусок какого-нибудь металла.
Если ЭДС наводится в обмотке, то получается трансформатор или приемник, а если прямо в магнитопроводе или в накоротко замкнутой обмотке — получается индукционный нагрев магнитопровода или обмотки.
В некачественно спроектированном трансформаторе, например, нагрев сердечника токами Фуко был бы однозначно явлением вредным, но в индукционном нагревателе похожее явление служит для достижения полезной цели.
С точки зрения характера нагрузки, индукционный нагреватель с разогреваемой в нем проводящей заготовкой — это как трансформатор с закороченной вторичной обмоткой из одного витка. Поскольку сопротивление внутри заготовки крайне мало, то даже небольшого наведенного вихревого электрического поля достаточно, чтобы создать ток такой высокой плотности, чтобы его тепловое действие (см. Закон Джоуля-Ленца) оказалось бы очень выразительным и практичным.
Первая канальная печь такого рода появилась в Швеции в 1900 году, она питалась током частотой 50-60 Гц, применялась для канальной плавки стали, а металл подавался в тигель, расположенный на манер короткозамкнутого витка вторичной обмотки трансформатора. Проблема экономичности, разумеется, присутствовала, так как КПД был менее 50%.
Сегодня индукционный нагреватель — это трансформатор без сердечника, состоящий из одного или нескольких витков относительно толстой медной трубки, по которой при помощи насоса пропускается охлаждающая жидкость системы активного охлаждения. В электропроводящее тело трубки, как в катушку индуктивности, подается переменный ток частотой от нескольких килогерц до единиц мегагерц, в зависимости от параметров обрабатываемого образца.
Дело в том, то при высоких частотах происходит вытеснение вихревого тока из нагреваемого самим вихревым током образца, так как магнитное поле этого самого вихревого тока вытесняет породивший себя ток на поверхность.
Это проявляется как скин-эффект, когда максимальная плотность тока оказывается в результате приходящейся на тонкий слой поверхности заготовки, и чем выше частота и ниже удельное электрическое сопротивление разогреваемого материала — тем скин-слой тоньше.
Для меди, например, на частоте 2 МГц скин-слой составляет всего четверть миллиметра! Это значит, что внутренние слои медной заготовки разогреваются не вихревыми токами непосредственно, а путем теплопроводности от тонкого наружного ее слоя. Тем не менее, эффективности технологии достаточно, чтобы получить быстрый разогрев или плавление практически любого электропроводящего материала.
Современные индукционные нагреватели строятся на основе колебательного контура (катушка-индуктор и батарея конденсаторов), питаемого резонансным инвертором на IGBT или MOSFET – транзисторах, позволяющих достичь рабочих частот до 300 кГц.
Для более высоких частот применяют электронные лампы, которые позволяют достичь частот в 50 МГц и выше, например для плавки в ювелирном деле требуются довольно высокие частоты, так как размер заготовки очень мал.
С целью повышения добротности рабочих контуров, прибегают к одному из двух путей: либо повышают частоту, либо увеличивают индуктивность контура, путем добавления в его конструкцию ферромагнитных вставок.
С помощью высокочастотного электрического поля в промышленности осуществляется также диэлектрический нагрев. Отличие от индукционного нагрева - используемые часты тока (до 500 кГц при индукционном нагреве и более 1000 кГц при диэлектрическом). В этом случае важно, чтобы нагреваемое вещество плохо проводило электричество, т.е. было диэлектриком.
Преимущество метода - выделение тепла непосредственно внутри вещества. В этом случае плохо проводящие вещества можно быстро нагреть изнутри. Подробно об этом смотрите здесь: Принципиальные физические основы методов высокочастотного нагрева диэлектриков
Принцип действия и области применения индукционного нагрева
Электротермические устройства, которые осуществляют нагрев электропроводящих материалов посредством наведения в них индуктированных токов, называются индукционными нагревателями. Поскольку э. д. с. индукции возникает при изменении возбуждающих электромагнитное поле токов, то такие устройства могут работать только на переменном токе.
Основным элементом индукционных нагревателей является индуктор — катушка, содержащая определенное количество витков, которая при пропускании по ней переменного тока создает переменное магнитное поле. Здесь происходит преобразование (первое) электрической энергии в энергию магнитного поля.
При внесении в переменное магнитное поле электропроводящего тела индуктированная в нем э. д. с. вызывает появление "вторичного" тока. Происходит обратное преобразование (второе) энергии магнитного поля в электрическую энергию.
И, наконец, вторичный ток, наведенный в нагреваемом теле, согласно закона Джоуля-Ленца выделяет тепло: электрическая энергия переходит в тепловую. В результате третьего преобразования энергии и получается то тепло, которое обеспечивает нагрев или расплавление материалов в индукционных нагревателях.
Схема индукционного нагрева
Для работы индукционных нагревателей не требуется непосредственного контакта источника энергии с нагреваемым объектом, а необходимо только наличие магнитной связи между объектом и индуктором.
Основным и наиболее давним применением индукционных нагревателей в промышленности является их использование в качестве индукционных электропечей, предназначенных для плавки цветных и черных металлов и их сплавов. Индукционные электропечи обеспечивают высокую чистоту плавки, так как не вносят в расплавляемый материал никаких примесей.
Кроме того, индукционные электропечи создают равномерный прогрев всей массы расплавляемого материала без значительных местных перегревов. Последнее обстоятельство очень важно при выплавке многокомпонентных сплавов, составные части которых имеют различные температуры плавления. При наличии местных перегревов (как, например, в дуговых печах) в таких сплавах интенсивно угарают более легкоплавкие компоненты и начальный состав шихты нарушается.
Область применения индукционных нагревателей не ограничивается установками для плавления металлов. Очень часто в современном производстве индукционный нагрев используется для поверхностной закалки деталей, в операциях изгиба труб и профильного проката марки биметаллических изделий, для пайки изделий сложной конфигурации и т. д.
При нагреве электропроводящих материалов в электромагнитном поле высокой частоты большую роль играет наличие поверхностного эффекта. Поверхностный эффект проявляется все более и более отчетливо по мере увеличения частоты питающего тока.
Возможность быстрого нагрева только верхних слоев материала, необходимая при поверхностной закалке, целиком основана на использовании этого эффекта.
Толщина слоя, называемая "глубиной проникновения тока", зависит от удельного сопротивления материала, частоты тока и абсолютной магнитной проницаемости.
Кроме того, подбирая такой режим работы индукционного нагревателя, чтобы при нем обеспечивалась высокая концентрация индуктированных токов в поверхностных слоях, можно получить значительное увеличение к. п. д. нагревателя.
Главным достоинством метода индукционной поверхностной закалки является возможность концентрированного выделения тепловой энергии в поверхностных слоях изделий произвольной формы и возможность передачи энергии без непосредственного контакта между нагревателем и деталью. Равномерность нагрева деталей сложной конфигурации обеспечивается с помощью индукторов специальной формы. В общем случае форма индуктора повторяет очертания детали.
Применение индукционных нагревателей, как правило, обеспечивает улучшение качественных показателей технологических операций, повышение производительности труда и создает условия для перехода производства на более высокий уровень с широкой механизацией и автоматизацией процессов.
Индукционный нагрев применяется и для такой распространенной операции, как наплавка. Наплавкой называется неразъемное соединение слоя наплавляемого металла с основным металлом.
Обычно применяется наплавка цветных металлов и сплавов на стальные и чугунные изделия. Для наплавки необходимо и достаточно расплавить присадочный металл, а основной металл довести до температуры, близкой к температуре плавления присадочного материала. Присадочный материал, применяемый для наплавки, может быть в любой форме — в виде прутков, полос, стружки и т. д.
Использование индукционных нагревательных устройств в промышленности не ограничивается рассмотренными примерами, область их применения чрезвычайно широка и увеличивается с каждым годом.
Значительные преимущества использования индукционных методов нагрева — экономичность, универсальность применения, высокое качество продукции, рост производительности труда и т. д. — позволяют оценить эти методы как прогрессивные, а индукционные нагреватели считать наиболее совершенным видом электротермических устройств.
Читайте также: