Законы, физические величины и свойства применяемых материалов, определяющие индукционный нагрев

Для быстрой навигации по статье нажмите ссылку:

→ 1. Область применения токов высокой частоты

→ 2. Поверхностный эффект, глубина проникновения тока

→ 3. Формы и размеры проводника

→ 4. Магнитная проницаемость

→ 5. Электрическое сопротивление

→ 6. Теплоемкость

→ 7. Теплопроводность

→ 8. Температуропроводность

---

1. Область применения токов высокой частоты

Под высокочастотным нагревом (нагрев токами высокой ча­стоты) понимается нагрев при бесконтактной передаче энергии в нагреваемое тело с помощью электромагнитного поля. В зависи­мости от того, какая составляющая электромагнитного поля играет основную роль, различают нагрев в магнитном поле (индукцион­ный нагрев) и электрическом поле (диэлектрический или «емкост­ный» нагрев). Системы высокочастотного нагрева имеют ряд осо­бенностей:

1. нагрев может осуществляться только на переменном токе;
2. понятие «высокая» или «низкая» частота является относи­тельным и определяется соотношением размеров тел и длины электромагнитной волны в их материале;
3. в системах всегда имеется реактивная мощность (индуктив­ная или емкостная), причем ее величина обычно много больше активной;
4. системы являются объектами с распределенными пара­метрами, что усложняет измерения в них и расчеты.

Для индукционного нагрева используются частоты от 50 Гц до 5 мГц, для диэлектрического - от сотен килогерц до тысяч мегагерц.

Индукционный нагрев успешно применяется для следующих технологических процессов:

1. плавки металлов в открытых и вакуумных индукционных печах;
2. индукционного нагрева заготовок под штамповку, прокатку, гибку и другие способы пластической деформации;
3. поверхностной индукционной закалки;
4. индукционного нагрева для термообработки (отжиг, отпуск, рекристаллизация, нормализация, закалка) сортового проката, труб, лент;
5. сварки труб, профилей и кабельных оболочек;
6. высокочастотной пайки и наплавки инструмента для меха­нической обработки (резцы, фрезы, протяжки и др.) и горнобурового инструмента (долота, шарошки), изоляторов и выводов кон­денсаторов, всевозможных трубчатых соединений и других изде­лий, которые трудно изготовить в виде цельных конструкций;
7. индукционного нагрева с целью сушки или оплавления лако­вых, полиэтиленовых и других антикоррозионных, термозащит­ных и электроизоляционных покрытий лент, труб и профи­лей;
8. индукционного нагрева труднообрабатываемых материалов перед механической обработкой резанием (слябы, слитки из тита­новых и других специальных сплавов);
9. бестигельной зонной плавки и очистки полупроводниковых материалов-кремния, германия и др.;
10. эпитаксиального наращивания пленок чистых металлов и полупроводников;
11. плавки металлов во взвешенном состоянии;
12. обогрева технологического оборудования (трубопроводы, химические реакторы, экструдеры, пресс-формы и т. д.);
13. индукционного нагрева газов (воздух, кислород, аргон, ксенон и др.) для осуществления химических реакций и проведе­ния различных высокотемпературных технологических процессов.

Диэлектрический нагрев используется для разнообразных технологий, основными из которых являются:

1. сушка древесины, пряжи, сыпучих материалов типа люми­нофоров и т. д.;
2. склейка изделий из древесины (оконные переплеты, двери, щиты, мебель, музыкальные инструменты); полимерных и комби­нированных материалов;
3. сварка изделий из полихлорвинила и других пластмасс, а также синтетических волокон и пленок;
4. подогрев пресс-порошков перед штамповкой;
5. подогрев с целью ускорения полимеризации при изготовле­нии изделий из стеклопластиков и реактопластов;
6. формование изделий из пенополистирола при изготовлении тепловой изоляции холодильников, упаковочной тары, теплоизо­ляционных плит, моделей для точного литья и т. д.;
7. сушка литейных стержней;
8. дефростация и разогрев пищевых продуктов.

Общая и единичная мощность установок диэлектрического на­грева, используемых в промышленности, значительно меньше, чем индукционных, а их конструкция в сильной степени определяется особенностями технологического процесса. Проектирование таких установок сводится или к выбору существующих установок, вклю­чающих источник питания и технологическое устройство, или к индивидуальному проектированию специальной установки с одновременной разработкой технологического процесса.

Имеется много других весьма эффективных применений токов высокой частоты в промышленном производстве. Области и мас­штабы их использования непрерывно расширяются.

2. Поверхностный эффект, глубина проникновения тока

Индукционный нагрев осуществляется вихревыми токами, ин­дуктированными в нагреваемом предмете. Поэтому индукционным способом можно нагревать только электропроводящие материалы. Вихревые токи возникают в проводнике, если его поместить в пере­менное магнитное поле. Эти токи всегда замыкаются в нагревае­мом теле и протекают в плоскости, перпендикулярной напряжен­ности магнитного поля. Магнитное поле образуется индуктором, когда по нему пропускают переменный ток.

Применяется большое количество разнообразных конструкций и форм индукторов: Однако в большинстве случаев индукторы - это одновитковые или многовитковые катушки, изготовленные из медной трубки. Когда индуктор возбуждает магнитное поле, на­правленное по оси детали, говорят, что индукционный нагрев осуществляется в продольном магнитном поле. Если же направ­ление поля перпендикулярно оси нагреваемой детали, говорят, что индукционный нагрев осуществляется в поперечном магнит­ном поле. Плотность индуктированных в проводнике вихревых токов по сечению проводника неодинакова, она уменьшается от поверхности к центру. Это явление носит название поверхност­ного эффекта. Поверхностный эффект наблюдается при любой форме проводника.

Рис. 1. Проявление поверхностного эффекта в ци­линдре при разных частотах

 

 

На рис. 1 показано распределение тока и мощности по слоям одинаковой толщины в цилиндрическом проводнике из немагнит­ной стали диаметром 50 мм, помещенном в магнитное переменное поле частотой 500 и 10 ООО Гц. Ток в индукторе принят одинако­вым при той и другой частоте.

В соответствии с распределением тока в поверхностном слое выделится наибольшая мощность. Действительно, в нашем случае при частоте 10 000 Гц 75% всей мощности, переданной в провод­ник, выделилось в первом слое. Поверхностный эффект выражен при прочих равных условиях более резко там, где частота выше.

Амплитуда плотности тока в массивном однородном теле убы­вает непрерывно по экспоненте e ^-x/Δ. На расстоянии Δ от поверх­ности она уменьшается в е ≈ 2,718 раз (основание натурального логарифма).

Величина Δ, называемая глубиной проникновения тока в дан­ный материал, играет очень большую роль в теории индукцион­ного нагрева. Она служит своеобразной единицей измерения, опре­деляющей линейные размеры нагреваемых тел и индуктора, и ши­роко используется в электрических и тепловых расчетах. Если минимальный линейный размер поперечного сечения тела, в ко­тором протекают вихревые токи, много больше Δ (в восемь и более раз), то частота является высокой (или тело массивным), если же он меньше Δ, то частота низкая (или тело «прозрачное» для электромагнитного поля данной частоты).

В массивном теле в пределах слоя толщиной Δ выделяется почти вся энергия (86,5%), а мощность, передаваемая в тело, мо­жет быть точно найдена, если считать, что весь индуктированный ток равномерно распределен в слое Δ. Это позволяет находить сопротивления тел при ярком поверхностном эффекте по форму­лам для постоянного тока. В общем случае Δ теряет свою физи­ческую интерпретацию и является расчетной величиной, харак­теризующей длину электромагнитной волны в материале (λ = 2лΔ) и зависящей только от его свойств и частоты тока:

где ρ - электрическое сопротивление материала проводника, Ом∙см; μ - относительная магнитная проницаемость; f - частота тока, Гц.

 

Для ферромагнитных материалов различают глубину проник­новения в холодный металл Δ_x (до температуры точки Кюри) и в горячий металл - Δ_г или Δ₂. Значения глубины проникнове­ния Δ для разных материалов и частот приведены в табл. 1.

Таблица 1. Значения глубины проникновения тока (см)

3. Формы и размеры проводника

Из рис. 1 видно, что при частоте 500 Гц мощность, выделенная в цилиндре, меньше, чем при 10000 Гц. Это свидетельствует о низ­ком к. п. д. индуктора, а при 500 Гц, что всегда наблюдается при слабо выраженном поверхностном эффекте, к. п. д. будет выше, если диаметр цилиндра увеличить. Для сравнительной оценки результатов индукционного нагрева и удобства решения уравне­ний электромагнитного поля для каждой формы проводника введен безразмерный параметр т - показатель степени поверхностного эффекта. Из всего многообразия форм проводников выделяют обычно три наиболее распространенных:

сплошной цилиндр с радиусом R₂

 

пластина прямоугольной формы с толщиной h₂

полый цилиндр с толщиной стенки τ₂ (труба)

 

Характеристики нагрева, например распределение плотности тока, у тел одинаковой формы (подобных тел) будут те же самые, если их показатели степени поверхностного эффекта равны. На­пример, частота 50 Гц при нагреве цилиндра радиусом 280 мм ана­логична частоте 2500 Гц при нагреве цилиндров радиусом 40 мм из того же материала, так как в обоих случаях показатель т один и тот же. Таким образом, показатель степени поверхност­ного эффекта определяет относительную частоту или относитель­ный размер тела.

4. Магнитная проницаемость

Относительная магнитная проницаемость большинства мате­риалов близка к единице, лишь немного превышая ее для пара­магнетиков или не достигая для диамагнетиков. Сюда относятся все газы, большинство непроводниковых материалов и метал­лов - медь, алюминий, титан, графит, аустенитные стали и др.

Вещества, у которых относительная магнитная проницаемость значительно превышает единицу, называются ферромагнетиками. К ним относятся железо, кобальт, никель и сплавы на их основе, в том числе большинство сталей и чугунов. Для ферромагнетиков характерна зависимость μ от напряженности магнитного поля, температуры и ряда других факторов, таких, как характер термо­обработки, предварительное намагничивание и т. д.

С повышением температуры μ может несколько снижаться (в сильных полях) или возрастать (в слабых полях), а затем при определенной температуре, называемой точкой Кюри, резко падает до единицы. Для сталей точка Кюри равна 740-780° С, для никеля - 360° С, кобальта- 1140° С.

Рис. 2. Усредненные магнитные свойства стали:
1 - кривая намагничивания В = f (H); 2, 3, 4 - зависимость H² от Н (значения H^z надо умножить 10⁵ ;10⁶; 10⁷ соответст­венно для каждой из этих кривых)  

Зависимость μ от H слож­на и неоднозначна. Разли­чают несколько видов маг­нитной проницаемости (ус­редненная, динамическая и т. д.), однако при рас­четах индукторов обычно ис­пользуется μ, определяемая по основной кривой намагни­чивания для действующего значения напряженности ма­гнитного поля. С увеличе­нием H проницаемость быстро растет, достигает максимума при некоторой напряженно­сти H называемой критиче­ской, и затем падает, стремясь в пределе к единице. В слабых и средних полях μ различных ферромагнетиков существенно раз­личается (в десятки раз), однако в сильных полях (H >> H_кр), характерных для индукционного нагрева, кривые намагничива­ния отличаются мало. Усредненная кривая намагничивания для углеродистых сталей и зависимость H² √μ приведены на рис. 2. Они позволят связать напряженность поля и μ с удельной мощ­ностью, поглощаемой ферромагнетиком в переменном магнитном поле. При этом напряженность поля от поверхности в глубь центра уменьшается и μ возрастает. Если поверхностный эффект выра­жен сильно, плотность тока в ферромагнетике меняется почти по прямой, а удельная мощность равна

где Н_e - действующее значение напряженности магнитного поля на поверхности среды, А/см; μ_е - относительная магнитная проницаемость на поверхности, ; ρ - удельное сопро­тивление, Ом∙см; Δ_е - глубина проникновения тока при μ= μ_е(табл. 2).

Отсюда , где ρ₀ взято в кВт/см². Зная ρ₀ , находим  и затем по кривой рис. 2 - Н_е и μ_e. В лога­рифмическом масштабе зависимости μ_е = f (Н_е), μ_е == f (ρ₀) и Δ_е  =  f ( f, ρ₀) близки к прямым и более удобны для использования (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость магнитной прони­цаемости стали μ и глубины проникно­вения тока Δ от удельной мощности ρо при различных частотах тока f  (μ- сплошные линии слева вниз направо; Δ - сплошные ли­нии слева вверх на­право; Δ-штрихо­вые линии при мас­штабе справа; μ  = f (Н) - штрих-пунктирная линия)

Если поверхностный эффект в ферромагнетике выражен не­ярко, необходимо специальное рассмотрение зависимости μ от ρ₀.

Следует отметить, что магнитная проницаемость сталей аустенитного класса, например стали XI8H10T, может отличаться от единицы (μ = 1,5÷2,0) из-за наличия остаточного феррита.

Таблица 2. Значения Δ, μ_е для углеродистой стали при ρ= 18-10^-6 Ом∙См

5. Электрическое сопротивление

Известно, что электрическое сопротивление металлов с ростом температуры возрастает (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость удельного электросопротив­ления материалов от температуры

Для ферромагнетиков наибольшее изменение происходит при температуре точки Кюри. В дальнейшем рост его замедляется. При температурах выше 1000° С сопротив­ление сталей различных марок практически становится одина­ковым. В табл. 3 указаны сопротивления материалов, наиболее часто нагреваемых индукционным методом.

Таблица 3. Удельное сопротивление металлов

6. Теплоемкость

Значения теплоемкости можно найти в табл. 3 и 4. С повыше­нием температуры теплоемкость возрастает. Теплоемкость боль­шинства чистых металлов лежит в пределах 5,8-6,2 ккал/г °С (г∙атом- вес вещества в граммах, равный атомному весу). Сред­няя теплоемкость в диапазоне температур 50-1300° С равна 0,16 кал/г∙°С практически для всех марок сталей.

Таблица 4. Значения средней теплоемкости с (кал/г-° С) в интервале от 50° С до Т для различных сталей

7. Теплопроводность

С ростом температуры теплопроводность чистых металлов обычно понижается. Исключение представляют алюминий и не­которые сплавы, например нержавеющая сталь Х18Н10Т, у которых теплопроводность растет при увеличении температуры. Теплопроводность всех марок сталей сближается при темпера­туре выше 800° С. Среднее значение ее для стали (900° С) равно 0,065 кал/см∙с∙°С. Значения коэффициента теплопроводности для некоторых металлов и сплавов приведены в табл. 3.

8. Температуропроводность

Температуропроводность является расчетной величиной, ха­рактеризующей скорость распространения температуры и завися­щей от теплоемкости, теплопроводности и удельного веса материала в соответствии с формулой . Температуропроводность оказывает значительное влияние на результаты тепловых расчетов. Поэтому выбирать ее рекомендуется с учетом темпера­туры нагрева (табл. 5).  

Таблица 5. Значения коэффициента температуропроводности а (см²/с) для различных сталей

---

Источник: "Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок" Шамов А. Н., Бодажков В. А.