Основы индукционного нагрева

При прохождении по проводнику переменного тока около него создается переменное электромагнитное поле. В куске металла, помещенном в это поле, индукти­руются токи, частота которых совпадает с частотой пер­вичного тока. Прохождение индуктированного электри­ческого тока вызывает нагрев металла. Нагрев металла описанным способом называется индукционным, а про­водник, по которому пропускается электрический ток, - индуктирующим проводом. Индуктирующий провод мо­жет быть изготовлен из любого хорошо проводящего материала и ему может быть придана любая форма. Чаще всего он навивается из прямоугольных медных трубок в виде цилиндрических спиралей. Внутри спи­рали устанавливается нагреваемая заготовка. Для уменьшения тепловых потерь между индуктирующим проводом и заготовкой помещается изоляция из шамота или других жароупорных, теплоизоляционных материа­лов. Для отвода тепла, выделяющегося при прохожде­нии тока, по медной трубке, образующей индуктирую­щий провод, пропускается вода. Индуктирующий провод, жароупорная футеровка, шланги, через которые подается вода, изоляционные бруски для крепления ин­дуктирующего провода, контактные пластины, припаян­ные к нему и служащие для подвода тока, объединя­ются в единое устройство, называемое индуктором (рис. 1).

Рис. 1. Индуктор для нагрева цилиндрических заготовок:
1 - индуктирующий провод - спираль из прямоугольной медной трубки; 2 - тепловая изоляция из шамотных втулок; 3 - нагреваемые заготовки; 4 - трубчатые охлаждаемые водой направляющие, поддерживающие заго­товки; 5 - плита нз асбоцемента. К плите присоединены бруски 6; 6 - бруски, на которые опирается индуктирующий провод 1; 7 - шланги для подачи воды в индуктирующий провод 1 и направляющие 4; 8 - ко­лодки на индукторе, с которыми соединены шланги 7; 9 - колодки, к ко­торым с помощью шлангов подается вода из системы водоснабжения; 10 - накидные болты для соединения между собой колодок 8 и 9; 11 - контактная пластина.

 

Переменный ток как в индуктирующем проводе, так и в нагреваемом металле распределяется по сечению, неравномерно, плотность тока имеет наибольшее зна­чение на поверхности проводника и спадает к его серд­цевине по экспоненциальному закону. Для простоты решения задач индукционного нагрева металлов условно принято считать, что переменный электрический ток протекает лишь в некотором определенном поверхно­стном слое, а в сердцевине проводника тока нет вообще.

 

 

Толщина слоя, по которому проходит ток, назы­вается глубиной проникновения тока и определяется по следующей формуле:

               (1)

где ω -2πƒ;

ƒ - частота тока, гц;

μ - магнитная проницаемость, гн/м;

ζ - удельная электропроводность материала, 1 /ом.

Все материалы и сплавы по магнитным свойствам можно разбить на две группы:

1) ферромагнитные металлы и сплавы, т. е. имею­щие магнитную проницаемость значительно большую, чем магнитная проницаемость вакуума;

2) парамагнитные металлы и сплавы, имеющие маг­нитную проницаемость, близкую к магнитной проницае­мости вакуума.

К первой группе относятся углеродистые стали, же­лезо, никель и кобальт, во второй - жароупорные и не­ржавеющие стали, латунь, алюминий, мельхиор и др.

В процессе нагрева диамагнитных и парамагнитных металлов и сплавов изменяется лишь их удельная элек­тропроводность, магнитная же проницаемость остается практически неизменной. Ввиду этого глубина проник­новения тока при нагреве диамагнитных и парамагнит­ных металлов и сплавов увеличивается незначительно лишь вследствие уменьшения электропроводности ма­териала.

В процессе нагрева ферромагнитных металлов и сплавов наряду с уменьшением удельной электро­проводности уменьшается и их магнитная проницае­мость.

При достижении нагреваемым металлом определен­ной температуры значение магнитной проницаемости падает до величины магнитной проницаемости вакуума, что ведет к резкому увеличению глубины проникнове­ния тока. Эта температура называется температурой магнитных превращений или критической точкой. По­этому различают глубину проникновения тока в сталь, нагретую ниже температуры магнитных превращений, и глубину проникновения в сталь, нагретую выше тем­пературы магнитных превращений («горячая» глубина проникновения тока).

В расчетах индукционных нагревательных устройств необходимо использовать значения глубины проникно­вения тока в медь индуктора, температура которой при нагреве заготовок достигает 40-60° С, и глубины про­никновения тока в сталь, нагретую до температуры 1000- 1200°С.

Эти значения соответственно равны:

               (2)

 

               (3)

Установка для индукционного нагрева кроме индук­тора включает в себя также и другие элементы. Однако индуктор яв­ляется основным, так как посредством индуктора происходит преобразование энергии электромагнитного поля в тепловую.

Если в индукторе находится одна заготовка, длина ее для обеспечения равномерного нагрева концов и середины должна быть несколько меньше длины индук­тора. После подключения такого индуктора к источнику токов высокой частоты (ТВЧ), например машинному высокочастотному генератору, начинается процесс на­грева, режим которого непрерывно меняется вместе с изменением физических свойств заготовки. После достижения заготовкой требуемой температуры нагрев выключается. Заготовка выдается из индуктора для по­следующей обработки. Такой способ нагрева называется периодическим. Применяется также другой способ нагрева, когда в индукторе одновременно находится несколько заготовок. В индуктор через определенные интервалы времени подается очередная заготовка. При этом из него выталкивается заготовка, нагретая до заданной температуры. Если одновременно в индукторе находится достаточно большое число заготовок, режим работы такого индуктора при постоянстве напряжения на нем практически можно считать постоянным. Вы­ключение нагрева в момент подачи в индуктор новой заготовки не производится. Этот способ нагрева называется методическим.

---

Источник: "Применение сквозного индукционного нагрева в промышленности" Богданов В.Н., Рыскин С.Е.