Индукционный нагрев: Принцип работы индукционных печей и индукционный нагрев

Содержание

Принцип работы индукционных печей и индукционный нагрев

Нагреваемый объект помещают внутрь индуктора или рядом с ним. Изменяющийся (во времени) поток вектора магнитной индукции, созданной индуктором, пронизывает нагреваемый объект и индуктирует электрическое поле. Электрические линии этого поля расположены в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного потока, и замкнуты, т. е. электрическое поле в нагреваемом объекте носит вихревой характер. Под действием электрического поля, согласно закону Ома, возникают токи проводимости (вихревые токи). Это — второе превращение энергии электромагнитного поля, описываемое вторым уравнением Максвелла.

В нагреваемом объекте энергия индуктированного переменного электрического поля необратимо переходит в тепловую. Такое тепловое рассеивание энергии, следствием чего является нагрев объекта, определяется существованием токов проводимости (вихревых токов). Это — третье превращение энергии электромагнитного поля, причем энергетическое соотношение этого превращения описывается законом Ленца—Джоуля.

Описанные превращения энергии электромагнитного поля дают возможность:

  1. передать электрическую энергию индуктора в нагреваемый объект, не прибегая к контактам (в отличие от печей сопротивления)
  2. выделить тепло непосредственно в нагреваемом объекте (так называемая «печь с внутренним источником нагрева» по терминологии проф. Н. В. Окорокова), в результате чего использование тепловой энергии оказывается наиболее совершенным и скорость нагрева значительно увеличивается (по сравнению с так называемыми «печами с внешним источником нагрева»).

На величину напряженности электрического поля в нагреваемом объекте оказывают влияние два фактора: величина магнитного потока, т. е. число магнитных силовых линий, пронизывающих объект (или сцепленных с нагреваемым объектом), и частота питающего тока, т. е. частота изменений (во времени) магнитного потока, сцепленного с нагреваемым объектом.

Это дает возможность выполнить два типа установок индукционного нагрева, которые различаются и по конструкции и по эксплуатационным свойствам: индукционные установки с сердечником и без сердечника.

По технологическому назначению установки индукционного нагрева подразделяют на плавильные печи для плавки металлов и нагревательные установки для термической обработки (закалки, отпуска), для сквозного нагрева заготовок перед пластической деформацией (ковкой, штамповкой), для сварки, пайки и наплавки, для химико-термической обработки изделий и т. д.

По частоте изменения тока, питающего установку индукционного нагрева, различают:

  1. установки промышленной частоты (50 Гц), питающиеся от сети непосредственно или через понижающие трансформаторы;
  2. установки повышенной частоты (500-10000 Гц), получающие питание от электромашинных или полупроводниковых преобразователей частоты;
  3. высокочастотные установки (66 000-440 000 Гц и выше), питающиеся от ламповых электронных генераторов.

Индукционный нагрев – установка с сердечником

В плавильной печи (рис. 1) цилиндрический многовитковый индуктор, изготовленный из медной профилированной трубки, насаживают на замкнутый сердечник, набранный из листовой электротехнической стали (толщина листов 0,5 мм). Вокруг индуктора размещают огнеупорную керамическую футеровку с узким кольцевым каналом (горизонтальным или вертикальным), где находится жидкий металл. Необходимым условием работы является замкнутое электропроводное кольцо. Поэтому невозможно расплавить отдельные куски твердого металла в такой печи. Для пуска печи приходится в канал заливать порцию жидкого металла из другой печи или оставлять часть жидкого металла от предыдущей плавки (остаточная емкость печи).

Установки индукционного нагрева, ТВЧ установки, кузнечные и закалочные комплексы :: История развития индукционного нагрева :: Заказ по телефону +7-499-6413840

Статья подготовлена с использованием материалов международной конференции APIH-05 Actual probIems of induction heating (research and applications), в частности статьи А. Мюльбауэр, А. Васильев, «Краткая история техники индукционного нагрева и плавки»

1. Обстоятельства предопределившие появление индукционного нагрева

К обстоятельствам предопределившим появление индукционного нагрева относятся великие открытия в области электротехники это, во — первых, открытие М. Фарадеем (1791 — 1867 г.) электромагнитной индукции. «При движении проводника в поле магнита в нем наводится ЭДС, или что тоже при движении магнита вокруг проводящего контура». Этот ток называется индуцированным. Причем, если магнит вносится в контур — то в нем индуцируется ток одного направления, а если магнит выносится, то возникает ток другого направления. Открытие Фарадея подтолкнуло к новым научным результатам в области электротехники. Окончательное теоретическое обоснование взаимодействия электромагнитного поля со средой дал Джеймс Керк Максвелл (1831 — 1879 г.). Именно Максвелл положил начало современной электродинамике. Идеи Максвелла и Фарадея были подтверждены трудами Г. Эрстеда, который в 1820 г. обнаружил вокруг проводника с током магнитное поле и А. Ампером который открыл эффект механического притяжения и отталкивания у проводников, по которым протекают токи. Ом дал описание связи электрического тока с сопротивлением проводника, получив всем известные соотношения. Математическую связь между силой тока, сопротивлением проводника сформулировал Джеймс Джоуль (1818 — 1889 г.) в 1840 г. (Закон Джоуля). Опираясь на эти законы В. Симене в 1866 г. обосновал принцип электрического генератора и двигателя, положив начало электромашиностроению. Несколько позже Н. Тесла (1856 — 1943 г.) открыл явления бегущего вращающегося электромагнитного поля и создал в 1880 г. первый генератор двухфазного тока, он вплотную подошел к конструкциям многофазного переменного тока, разработал первый трансформатор и получил высоковольтный источник напряжения на высокой частоте, что в дальнейшем привело к появлению мощных генераторов переменного тока и обеспечило развитие электронагрева. Ч. Стейнметц (1856 — 1923 г.) осуществил практические рекомендации, использующие принцип индуцирования тока в проводящей среде обмотками (катушками), питаемыми от источника переменного тока.

2. Индукционные системы в металлургии, обработка металлов

До индукционных систем появились электронагревательные устройства, осуществляющие контактный нагрев на частотах 50 — 60 Гц. На этих же частотах появились первые канальные печи для плавки металлов. Вслед за открытием радио были созданы первые источники тока высокой частоты. Осуществились идеи, выдвинутые ранее и связанные с нагревом металла внутри соленоида. Дальнейшее улучшение источников тока высокой частоты привело к эффективному внедрению индукционных тигельных печей и средств высокочастотной обработки.

 

2.1. Как все начиналось

В 1887 г. С. Ферранти предложил первую конструкцию индукционной тигельной печи. Плавка осуществлялась в тигле в виде кольца, металл, находящийся в тигле представлял вторичную обмотку трансформатора, питающегося током 50 — 60 Гц. Первые опыты по использованию тока высокой частоты были сделаны Е. Колби в США, но частота тока была низкой, а мощность небольшой и опыты окончились неудачно. Можно сказать, что первую успешно работающую печь для плавки стали, построил в Швеции F. А. Kjellin (рис.1.) в 1900 г. на фирме Benedicks Bultfabrik.

Рис.1. Первая канальная печь построенная Kjellin

Она питалась от однофазного трансформатора, емкость печи составляла 50 кг. стали и потребляемая энергия 7 кВт час/тонн. Именно Kjellin можно считать отцом открытых промышленных канальных печей для плавки цветных металлов и стали. Попытки сделать индукционные тигельные печи промышленного типа до ХХ века не увенчались успехом из-за отсутствия источников тока. Можно назвать инженера Саладина — фирма Societe Schneider Cie. Creusot (Франция), получившего патент на высокочастотную печь в 1905 г.

В Германии А. Debuch использовал импульсный дуговой генератор для питания тигля небольшого размера, он расплавил 20 грамм олова в тигле в течении 2 минут однако все исследования были прерваны войной 1914 г.

Одновременно с работами по проектированию печей для плавки металла начиная с 1900 г. появляются интенсивные исследования в области применения электронагрева для термообработки стали. Особенно уже в то время стоял вопрос упрочнения автомобильных деталей и в первую очередь коленчатых валов, их упрочнение проводилось термохимическим способом, что часто оказывалось не совсем эффективным. Идея применения электронагрева высказывалась неоднократно, но успеха не имела из-за отсутствия в первую очередь источников тока высокой частоты и необходимой теории. Однако в США интенсивно работал в 1920 г. Dr. Е. Northrup над проблемой применения термообработки стальных изделий в машиностроении. В том же 1920 г. он получил патент на использование так называемого фокус — индуктора. Интенсивное развитие автомобилестроения в США и Германии привело к необходимости новых методов упрочнения коленчатых и распределительных валов. Вперед вырвалась фирма ТОССО (штат Огайо), Кливленд и в Германии AJAX ELECTROTCHERМIC CORPORAТION. Большие работы велись также в Трентоне, Нью — Джерси США. В 1930 г. аналогичные работы начались в СССР в Ленинграде. Первые опыты по высокочастотной закалке в СССР начал проф. Вологдин ВЛ. Еще в 1925 г. он провел первые эксперименты по высокочастотной закалке стали, но они оказались неудачными, не было получено равномерности нагрева и особенно не были изучены свойства сталей при нагреве и охлаждении. Однако через 9 лет ВЛ. Вологдин вместе с инженером В.И. Романовым провели успешные опыты по высокочастотной закалке деталей автомашин.

2.2 Плавка индукционным методом

Время от 1900 по 1945 гг.

Переход от канальных печей к современным в.ч. тигельным печам длился с 1900 — 1940 гг. В начале начинают развиваться канальные печи с закрытым каналом (рис.2.). Еще в 1905г. была создана печь для плавки стали в Volklingen (Германия) с двойным ярмом магнитопровода (фирма Rochling — Rodenhauser). Увеличение мощности в канальных печах привело к появлению эффекта бурного перемешивания, т.к. сочетания низкой частоты и больших токов содействовало росту электродинамических усилий и появлению пинч эффекта. Эти явления были изучены Р. Вагу (Франция), Е. Nortlllup и С. Hering в США. Решение проблем нашел J. Wyatt, работающий в Ajax Metal Corporation, который в 1915 году предложил заостренный в виде буквы «V» канал, расположенный ниже пода печи (рис.3). Это сделало возможным борьбу против пинч эффекта за счет гидростатического давления расплава. Однако надо заметить что печи, предложенные Kjellin явились базой для последующего усовершенствования канальных печей. В 1916 г. фирма Ajax Electric Furnace основала производство и продажу канальных индуктивных печей для плавки латуни и бронзы и их сплавов.

В 1928 г. Е. Russ начал эксплуатировать канальные печи плавки чугуна, используя duplex process. Однако, несмотря на внедрение канальных печей, процесс требовал применения новых по тому времени типов печей и ими оказались тигельные высокочастотные печи. В США Е. Northrup профессор физики Принстонского Университета в 1916 г. спроектировал и запустил в Палмеровской лаборатории первую высокочастотную тигельную печь, получающую питание от искрового генератора 20 КГц первый грант за этот тип печи он получил в 1918 г. В этой же лаборатории проф. Northrup создал также целый ряд изобретений в области электронагрева, который широко известен, как, например Ajax — Northrup — HF fumaces (рис.4.) плавильная установка 20 кВт, однофазная и 60 кВт, трехфазная.

Рис. 2. Печь фирмы фирмы Rochling Rodenhauser

Рис.3. Среднечастотная печь фирмы Ajax — Wyatt с каналом V – образной формы

Рис. 4. Ранний вариант высокочастотной печи Northrup

Northrup публикует работы посвященные решению проблем индукционного нагрева на высоких частотах в 1919,1920 и 1921 гг., а особенно обращает внимание на бессердечниковые индукционные печи. Эти работы показывают на большой прогресс в области высокочастотного нагрева и излагают основы теории и применения метода индукционных нагревательных систем. В 1920 г. организуется Ajax Electrothermic Corporation. Эта фирма становится ведущей в области бессердечниковых индукционных печей. Профессор Northrup остается работать в Принстоне и целиком переходит на руководство компанией (A.E.C.), где работал долгие годы с большим успехом. Активность (A.E.C.) приводит к появлению предприятий за пределами СIПА (Образуется Ливанская Сталеплавильная компания в 1930 г.). Во Франции в 1920 г. М. Ribaud начал независимо от Northrup руководит выпуском печей и искровых генераторов на частоты тока от 50 кГц до 100 кГц для плавки нескольких кг. металла. В Европе первые высокочастотные плавильные системы, снабженные вращающимися машинными генераторами (конверторами) появились в 1925 г. Институте Кайзера Вильгельма в Дюссельдорфе — Германия (KWI). Исследователи KWI, начали работы по освоению новых методов плавки и пришли к выводу, что преимущество электрических печей будет только тогда когда ненадежный искровой генератор будет заменен более экономичным машинным генератором незатухающих колебаний. В 1926 г. F. Wever и Wilhelm Fischer опубликовали глубокое исследование работы бессердечниковых печей и результаты расчетов, подтвержденные экспериментами и компания Hirsch — Kupfer and Messingwerke смонтировала первую плавильную установку с вращающимся генератором 100 кВт для плавки никеля и бронзы. В 1926 г. появилась первая сталеплавильная тигельная печь на 300 кг., питаемая от машинного генератора 2000 Гц и 150 кВА на сталеплавильном заводе Dorrenberg Company Runderoth. Новым направлением явилось появление индукционной вакуумной печи в Германии. Надо отметить, что Е. Northrup в США создал прототип вакуумной индукционной печи в 1920 г. С другой стороны W. Rоhn запустил это направление в Германии, что позволило основать фирму Heraeus Vacuum melting facility в 1923 г.

В тридцатых годах признание преимущества применения металлургических печей индукционного типа стало очевидным. Большие работы были развернуты на фирме ASEA в Швеции и Германии, к этим работам присоединились компании Otto Junker и Вrown Boveri.

До настоящего времени ничего не говорил ось о работах в этой области русских ученых. Здесь необходимо упомянуть имя Валентина Петровича Вологдина, который создал целую серию электромашинных высокочастотных преобразователей от 10 — 100кВт в диапазоне частот 2 — 20 кГц. Подробно о вкладе русских ученых мы остановимся во второй части доклада.

Итак, в середине 30 годов теоретические основы электромагнитных индукционных систем, подкрепленные экспериментами, сформировали основные знания в этой области. Позже увеличиваются размеры плавильных и нагревательных устройств, совершенствуются способы футеровки, увеличивается мощность в единице объема и емкость печей. Усовершенствуются методы расчета печей, которые позволили говорить об индустрии печестроения. Были сформулированы фундаментальные принципы работы, конструирования и эксплуатации. В эти же годы (около 1930 г.) фирма Ajax — Wyatt применяла канальные индукционные печи для получения алюминиевых сплавов при консультации М. Тата, сначала в Европе. Затем Тата покидает Европу и переносит свою деятельность в США (1940 г.). Он вступает в Ajax — Tata — Wyatt, начиная играть большую роль в металлургии. Фирма преобразуется в объединение Ajax Engineering Corporation были основаны в 1941 г. во главе с М. Тата. Тата продолжает исследования в области перемешивания металла в канальных печах, это приводит к изобретению индукторов с однонаправленными токами. Первый большой заказ из 30 печей для плавки алюминия, был отправлен в Россию.

Этот период знаменуется переходом автомобильной промышленности к использованию алюминия и отказом от применения цинка. Литейный завод Hirsch — Kupfer und Messingwerke в Finow (Германия) был полностью переведен на электрические печи. В нем насчитывалось 27 Ajax — Wyatt печей и 4 высокочастотные безсердечниковые печи в действии. В том же году Russ Company (Германии) начала эксплуатацию канальных печей с вертикальными каналами для Франции для поставки высококачественной стали. Там же в 1932 г. была испытана индукционная тигельная печь Dоrrеnberg — Company и годом позже Siemens и Halske демонстрируют 4 тонную тигельную печь на высокой частоте на выставке Heat exhibition в Essen. Другая 4 тонная печь была введена в действие в 1934 г. у Krupp AG и в Deutsche Edelstahlwerke в Богемии и работала очень хорошо. Таким образом, в тридцатые годы были фактически завершены первые исследования по бессердечниковым тигельным печам. В 1934 г. в Швеции L. Dreyfus сконструировал бессердечниковую печь с применением двух частот в которой однофазный ток средней частоты был для плавления а многофазный для перемешивания и внесения прибавок с использованием того же индуктора.

Поскольку Швеция в годы войны испытывала трудности в высококачественном угле, то ASE увеличила производство электропечей, в 1944 г. фирма строит 8 тонную печь средней частоты 1700 кВт 725 Гц для собственных нужд. Это продвинуло вперед работы по освоению серий электропечей и сделало ASEA ведущей в области рассмотренного типа печей. Содружество с фирмой М. Тата позволило расширить производство тигельных печей в США, все эти фирмы совместно с фирмой Otto Junker (Германия) можно считать пионерами в области этого типа печей.

Время после 1945 г.

В это время ASEA является также лидирующей фирмой в области индукционных канальных печей особенно после хороших усовершенствований в 1959 г. их конструкции и методов управления плавкой.

Рис. 5. Цилиндрическая канальная индукционная печь фирмы ASEA

Около 60 индукторов с мощностью 1100 кВт были использованы, а для двух канальных печей применив еще большие мощности. В 1965 г. ASE достигает уровня 125 тонной канальной печи для Chrysler в США оборудованной 4 сдвоенными единицами 1100 кВт в индукторе для плавки и выдержки железа. В конце 60 годов появляются новые цилиндрические печи для выдержки, имеющие уменьшенные тепловые потери. Это позволило улучшить эксплуатационные свойства и увеличить срок службы футеровки. В 1981 — 84 был сделан большой шаг в конструкции индукторов для печей с сдвоенным каналом который свободен от засорения, имеет меньшие потери. В 1985 г. была сделана печь на 32 тонны с 4 индукторами для плавки алюминия для пивных канистр (фирма Granges Aluminium Швеция). В 1988 году компания ASEA и ВВС сливаются и образуют компанию АВВ, которая начинает выпуск нового поколения печей. Специальные тиристорные преобразователи обеспечивают контроль мощности. Ясно, что с точки зрения экономики выгодно увеличивать мощность и производительность печи в единице. В Германии линия по производству частотных печей достигают 120 т. чугуна при уровне мощностей достигает 3000 кВт.

В США после 1945 г. главным образом две компании определяли развитие индукционных плавильных печей. Это Ajax Magnethermic Сотрогапоп и начиная с середины 1950 г. Inductotherm Corporation.

В 1959 г. Ajax Electric Furnace Company и Ajax Engineering Company были объединены с Magnethermic Corporation и 2002 г. становятся Ajax Magnethermic Corporation и основываются Ajax ТОССО Magnethermic. Эти объединения становятся главными поставщиками индукционных нагревателей и плавильного оборудования, в основном, больших мощностей, в том числе канальных индукционных печей с «Jet Flow» индукторами. Эти плавильные печи делают удобным литье металла вместе с отходами.

Наконец компания TOCCO Ajax переходит барьер мощности 8000 кВт и является лидером по производству самых больших канальных печей. В Германии после войны компания Otto Junker и Brown Bowery (ВВС) начинают успешное освоение индукционных тигельных печей на 50 — 60 кг. Эти печи первоначально использовали для плавки чугуна, но затем для стали и цветных металлов. Начиная с 1950 г. темп производства шаг за шагом увеличивается, увеличивается мощность, плотность энергии и К.П.Д. В 1964 г. ВВС получает заказ из США для самой большой тигельной печи для плавки чугуна с возможностью выдержки металла при мощности 21000 кВт (рис.6) с емкостью от 60 тонн и выше. Автомобильная промышленность нуждается в высококачественном железе. Этот тип печей оказался наиболее выгодным, чем другие типы по своей простоте и эффективности. Установленная плотность энергии была самая высокая, эти цифры колеблются от 250 кВт/т до 350 к8т/т. В 1977 г. пускается завод с двумя 30 — тонными печами на 8000 кВт, включая устройство для предварительного разогрева, транспортных средств, тиристорные преобразователи.

Рис.6. Среднечастотная тигельная печь емкостью 60 т. мощностью 21000 кВт

В то время тиристоры становятся дешевыми и именно в эти годы применение инверторов позволило выбирать частоты тока согласно размеров печей. Так для больших печей удобная частота была 250 Гц, а для малых печей частота была гораздо больше. Правильный выбор частоты позволял быстро и эффективно вести плавку. В 80- х годах увеличивается высота печи, т. к. увеличивается частота от 50 до 250 Гц, при этом удается поддерживать движение ванны в печи таким же, как и при 50 Гц. Плотность мощности в расплаве доходит до 2.24х350 кВт/т = 787кВт/т. Согласно соотношению между движением расплава и частотой тока возможно доведение удельной мощности до 1000 кВт/т и такие печи могли бы быть построены в это время. В Германии в конце 80-х годов в ВВС созданы печи для серого железа один экземпляр 6 тонн и мощность 6 МВт другая 12 тонн 9.3 МВт на частоте 250 Гц. Высокие печи требуют четкого управления процессом и высокой точности. В тот же самый период ASEA в Швеции активно развивает производство печей. В 1956 г. компания поставила 2 вакуумные печи емкостью 2 тонны для компании Utica Drop и Forge Corp. в США. Эти печи для плавки использовали ток с частотой 890 Гц, а для перемешивания 30 Гц. Вместе с тем увеличивается потребность в сплавах содержащих алюминий, и это при водит К увеличению температур и к вакуумным плавкам. В 1961 г. ASEA представил 5.5 т. с частотой 600 Гц и 3400 кВт, плотность мощности достигла 618 кВт/т. Годом позже в 1965 г.ASEA демонстрирует 20 т. печь 4400 кВт. Это была самая большая печь того времени. Все время идет наращивание мощности и емкости печей, увеличивается к.п.д. и мощность инверторов средней частоты с возможностью выбора частоты привела к полному отказу от машинных генераторов. В это же время была изготовлена самая большая печь на 18000 кВт для плавки карбида железа емкостью 63 тонны на промышленной частоте. В 1992 г. АВВ сделают мощную печь, практически избавленную от шума, 2 печи по 12 тонн 9.5 МВт и 250 Гц каждая имеют плотность энергии 790 кВт для Daimler Benz в Мангейне Германия.

В 1992 г. в АВВ создана двойная печь с питанием от одного источника и в то же время с возможностью контроля каждой печи. Начиная с 1953 г. Henry М. Rowan создает Inductortherm company и становится в США лидером по выпуску печей от 15 кВт и выше (тигельные) до 42000 кВт (канальная). Уделяется большое внимание автоматике и системам контроля.

Современные плавильные установки представляют собой системы, встраиваемые на металлургические заводы в автоматические линии с контролем всех процессов от загрузки до разлива (рис.7).

Рис. 7. Схема управления процессом плавки тигельной печи фирмы АВВ

2.3.Индукционный нагрев для термообработки

Фактически индукционные системы для термообработки привлекли внимание ученых и инженеров с 1930 — х годов. Для этого необходимо было иметь источники питания высокой частоты тока и разработанную теорию поведения металла в электромагнитном поле, с учетом изменения параметра металла, (удельного сопротивления, магнитной проницаемости) и подойти к вопросу выбора частоты. Как уже упоминалось, первые теоретические положения были полностью сформулированы для случая металлических образцов, помещенные в соленоид питаемых переменным током. Это было сделано в 1918 г. Е. F. Northrup. Это были первые шаги в индукционном нагреве для термообработки. Развитие автомобилестроения подтолкнуло развитие этого типа термообработки. Особенно узким участком было производство коленчатого вала автомобиля.

Рис. 8. Индуктор фирмы ТОССО для закалки шеек коленчатого вала: А — деталь подвергающаяся закалке, В — две полу -цилиндрические части индуктора, С — камера закалочного душа, D — подводящие охлаждение штуцера

В США (ТОККО) Ohio Crankshaft Corporation сконцентрировало свои усилия на проблеме технологии в.ч. индукционной закалки подшипников и шейки коленчатых валов и его щек. Эти проекты начались в 1930 г. при индукционной закалке основным компонентов является индуктор. РИС.8 показывает основные КОНСТРУКЦИЙ Тоссо (авторы Deneen и Dunn) на рис. 9 и рис. 10 представлены усовершенствованные варианты систем, позволяющих избежать ненадежного токового разъема частей индуктора.

Рис. 9. Индуктор фирмы ТОССО с водоохлаждаемым спреером

Рис. 10. Первый экспериментальный индуктор фирмы Elotherm

Основной трудностью конструкции индукторов для закалки коленчатого и распределительного валов двигателей было получение равномерной структуры после термообработки в следствии невозможности вращательного движения в индукторе шеек коленчатого вала и несимметричной формы кулачков распределительного вала. Эти работы велись в США, Германии и России. Они предусматривали разные варианты петлевого индуктора с перемещением индуктора вместе с вращением вала, и, наконец, с вариантами бестоковой связи двух петель (верхний и нижний) с введением электромагнитной связи между ними.

3. Развитие высокочастотной техники в России

Рис. 11. Первый электротехнический ВУЗ ЛЭТИ

Можно сказать, что электрические цепи и электромагнитные поля в конце XIX в. стали предметом пристально го внимания русских инженеров. Этому способствовал широкий обмен мнений между интеллигентными слоями русского общества и соответствующими слоями Англии, Франции, Германии, Италии и других стран. Особенно большим событием в жизни России явилось изобретение радио А.С. Поповым. Вокруг изобретения А.С. Попова образовалась группа ученых энтузиастов, среди них особенно выделялся молодой инженер ВЛ. Вологдин.

Именно использование электромагнитного излучения для передачи информации послужило мощным толчком для прикладных направлений в науке и производстве. Вологдин окончил очень престижный в это время Технологический институт в Петербурге по направлению механические системы, но еще в студенческие годы увлекся электротехникой и даже вместе с профессором Боргманом (автор известных во всем мире учебников по физике) создал в Технологическом институте электротехнологическую лабораторию.

В России уже в 1900 г. были сконструированы линии беспроволочного телеграфа между островами Готланд и Кутсоа в Балтийском море. Создание этой станции позволило эффективно спасти броненосец «Генерал — адмирал Апраксин», а затем ледокол «Ермак» спас финских рыбаков, унесенных на льдине, а радиотелеграф помог разыскать их. Все эти события привели к тому, что В.П. Вологдин получил задание на оснащение русского флота радиопередающими устройствами. Именно в эти годы ВЛ. Вологдин сконструировал серийный машинный генератор 1000 Гц 2кВт для питания радиостанций флота. Конструкция индукторного генератора с безобмоточным ротором и разнесенными полюсами оказалась самой надежной в этом классе электрических машин.

В дальнейшем ВЛ. Вологдин сосредоточил свои работы в области радиотехники. Он сконструировал серию умножителей частоты, целую серию электромашинных генераторов высокой частоты. К 1913 ВЛ. Вологдин уже запустил производство генераторов с частотой до 20 кГц и мощностью до 10 кВт. Интересно, что работа ВЛ. Вологдина была высоко оценена известным американским автором электромашинных генераторов Александерсеном, который признал, что генераторы ВЛ. Вологдина лучше предложенных им. Широкую известность получила деятельность после революции В.Л. Вологдина в Нижегородской лаборатории, этой лаборатории был поручен весь цикл работ в области радиопередающих устройств. Дальнейшие работы привели Вологдина к комплексным системам электромашинный генератор — умножитель частоты, что позволило получить частоты до 120 кГц. Будучи энтузиастом электромашинной техники, В.П. Вологдин также внимательно следил за развитием электронных ламп.

Расцвет электронной техники привел В. П. Вологдина к работе в области выпрямителей. До сих пор во всех монографиях мира приводится каскадная схема выпрямления В. П. Вологдина. Тем не менее, В. П. Вологдин ищет новые пути применения высоких частот, генерируемых машинными генераторами. В период с 1925-1935г. В. П. Вологдин проводит активные работы в области индукционных печей для плавки цветных металлов. И когда на главном автомобильном гиганте СССР (ЗИС) встал вопрос о термообработке шеек коленчатого вала и кулачкового распределительного вала Вологдин предложил применить индукционный нагрев.

Исторический прием в 1936 г. В. П. Вологдина у главы тяжелой промышленности г. Орджоникидзе привел к необыкновенному размаху работ в области поверхностной индукционной закалки токами высокой частоты. В 1935 г. деятельность В. П. Вологдина прочно связывается с Электротехническим институтом в Ленинграде. С этих лет в ЛЭТИ возникает школа высокочастотной электротермии, функционирующая до сих пор.

Работы в области воздействия высокочастотных электромагнитных полей на металлы и диэлектрики, начиная с середины 30-х годов, распространились на громадное число заводов. В первую очередь это были автомобильные, авиационные, судостроительные и военные заводы. Большую роль сыграла монография В. П. Вологдина, вышедшая в 1939 г. «Поверхностная закалка индукционным методом». Заметную роль сыграли заводские лаборатории, в первую очередь лаборатория ЗИЛ — руководитель профессор К.З. Шепеляковский, предложивший использовать специальные сорта стали с быстрой прокаливаемостью. Была также создана лаборатория ТВЧ на Горьковском автомобильном заводе (инженеры Натанзон и Положинцев), одновременно с вопросами индукционного нагрева занялись профессор Г.И.. Бабат (Москва) известный своими обширными изобретениями, и М. Г. Лозинский, работающий в институте Машиноведения АНСССР.

В годы войны расширился круг людей, занимающихся высокочастотной закалкой. Этому способствовало перебазирование ведущих заводов центра СССР на восток и слияние их с уже существующими на этих местах заводами. Ярким примером является работа эвакуированной из Ленинграда лаборатории ВЛ. Вологдина в Челябинск, где работали коллективы Челябинского тракторного, Кировского (Путиловского), ленинградского заводов. Десятки танков были выпущены только в Челябинске с применением термообработки т.в.ч. деталей танка. Аналогичная картина была на авиационных заводах (Саратов, Ташкент и Омск). В 1943 г. вышло постановление о при суждении престижной Сталинской премии в области науки и техники в СССР. Эта высокая премия была вручена В.П. Вологдину, Г.И. Бабату (1911-1961 гг.), М.Г. Лозинскому (1909-1970 гг.) и инженеру Б.Н.Романову. Последние три работали на оборонных заводах СССР. По поводу этой премии, врученной в тяжелые годы войны необходимо остановиться особо. Во-первых, это было официальное признание значения направления — индукционный высокочастотный нагрев с целью упрочнения стали, во-вторых, в числе авторов были названы специалисты, имеющие разный подход и к теории и к практике индукционного нагрева. Это привело к серьезному конфликту между учеными, но, тем не менее, способствовало развитию индукционного нагрева. Как пример можно привести точку зрения на выбор частоты тока. Г.И. Бабат и М. Г. Лозинский были сторонниками применения очень высоких частот тока требующих высоковольтных ламповых генераторов. В.П. Вологдин, опираясь на труды металловедов и математиков, и учитывая марки сталей, применяемых в то время, пришел к противоположному выводу для определения частот для закалки крупных деталей. Эти частоты тока могли быть генерированы за счет индукторных генераторов.

Точка зрения В.П.Вологдина оказалась в то время правильной. Необходимо отметить и профессор Г.И.Бабат и профессор М.Г. Лозинский явились авторами крупных монографий посвященных теоретическим вопросам индукционного нагрева это «Индукционный нагрев и его промышленное применение» Москва 1965 г. автор Г.И. Бабат ., «Промышленное применение индукционного нагрева» Москва 1957 г. автор М. Г.Лозинский, посвященная памяти ВЛ. Вологдина. Вместе с этим упомянем монографию ВЛ. Вологдина «Поверхностная индукционная закалка» 1947 г. Рукопись этой книги была во время войны в Минске захвачена фашистскими войсками в 1941 г. и была рассмотрена в управлении Геринга с резолюцией последнего о срочном переводе.

После войны лаборатория ТВЧ возвращается в Ленинград в Ленинградский Электротехнический Институт им. В.И. Ульянова (Ленина). Все усилия страны были направлены на возрождении разрушенного войной народного хозяйства.

Именно в эти годы ВЛ. Вологдин добивается преобразования лаборатории ЛЭТИ в самостоятельный институт. Приказом И.В. Сталина в 1947 г. был открыт существующий до сих пор институт токов высокой частоты, носящий после смерти его создателя его имя. В эти же годы ВП. Вологдин получает первым золотую медаль имени А.С. Попова за заслуги в области радиотехники. Вместе с ним этой награды были удостоены академик А.И. Берг академик А.П. Минц профессор Б.А. Введенский.

В 1947 г. в ЛЭТИ была создана кафедра высокочастотной техники, выпустившая за все годы своего существования более 1500 инженеров в области высокочастотной электротермии, 20 докторов и более 150 кандидатов технических наук. Открытия ВНИИТВЧ способствовали развитию науки в областях высокочастотной обработки металлов, диэлектриков и полупроводников, созданию теоретических основ высокочастотной электротермии. В 1952 г. за успешное внедрение индукционного нагрева в кузнечное производство коллективу ученых ЛЭТИ в ВНИИТВЧ (В. П. Вологдин, А. Н. Шамов, В. Н. Богданов, С. Н. Перовский) была при суждена вторая Сталинская премия.

Благодаря ВНИИТВЧ и ЛЭТИ возникли научные центры по подготовке специалистов в области высокочастотного нагрева в Свердловске (Уральский Политехнический Институт), Самаре (Самарский Технический Университет), Новосибирске (Новосибирский Технический Университет), Красноярске (Красноярский Технический Университет). Создание этих кафедр связано (в Свердловске) с именем проф. Н. М. Родигина — автора теории нагрева металлов индукционным методом на низких частотах, проф. Э. Я. Раппопорта (в Самаре) известного работами в области автоматизации систем индукционного нагрева, проф. Чередниченко В. С. (в Новосибирске), имеющего большой опыт в создании специальных индукционных печей. Отдельно развивалась кафедра электротермических установок в МЭИ (Москва). Ее организатор — Свенчанский А.Д. специалист в области печей сопротивления. В настоящее время перечисленные кафедры вместе с ВНИИТВЧ создали крупные направления в области индукционного нагрева.

ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВ МЕТАЛЛОВ


   Этот несложный самодельный прибор основан на нагревании металлов токами Фуко. Нагревает почти все металлы, но в основном используется для нагрева железа. Данный вариант собрал чисто ради изучения принципа работы и нагрева небольших металлических изделий: болты, шайбы, гайки, иглы, и небольшие железные шарики. Конечно данный генератор имеет маленькую мощность в виду того, что использовал низковольтные транзисторы типа КТ805ИМ. Схема силовой части — обычный полумост, служащий источником высокочастотного переменного напряжения, после стоит согласующий трансформатор дающий на индуктор только ток. Индуктор с параллельно соединенным конденсатором, образуют колебательный контур, который должен быть загнан в резонанс. В противном случае нагрева металлов не будет. Драйвер транзисторов реализован на обратноходовом преобразователе ( то есть однотактный. обратный ход это ЭДС первичной обмотки за счет которого происходит генерирование противоположного периода, относительно прямого такта от транзистора) у этого драйвера deadtime отсутствует. И поэтому пришлось использовать дополнительные задерживающие цепочки в базах. Благодаря им нагрев транзисторов снизился на 70%, чем просто подавать на базы транзисторов сигналы через гасящие резисторы — что к этому драйверу пременять нельзя.


   Задающий генератор индукционного нагревателя может быть сделан из всего, что угодно, напрмер: TL-494, NE555, генератор на логике или какой-нибудь экзотический вариант. В своём варианте использовал микросхему К174ХА11 настроив на предел частоты от 40 до 80 кГц. И скважность ровно 50% — это самый оптимальный вариант для драйверов. Полная схема генератора для нагрева металлов приведена ниже:


   Трансформатор ТР1 намонан на маленьком ферритовом колечке внешнем диаметром 2см все обмотки намотаны одинаковым проводом 0,4 и содержат по 30витков. Трансформатор тока (ТР2) намотан на ферритовом кольце диаметром 50мм. Первичная обмотка содержит в себе 22витка проводом 1мм, вторичная 2-3 витка сложенными в четверо проводом 1мм. Индуктор изготовлен из 3мм проволоки внутренним диаметром 11мм, число витков 6. 


   Для настройки резонанса я ставил последовательно индуктору обычный светодиод включенный через 1к резистор если генератор после включения не заработал нужно поменять местами выводы одной из обмоток идущих на базы транзисторов. При первом пуске на силовую сразу не подавать все напряжение нужно подять прилизительно 10-12в и пощупать транзисторы на нагрев при правильной работе схемы транзисторы практически не нагреваются.

   Фото мало — всего одно, но есть видео работы устройства. Автор: товарищь bvz.

   Форум по технологиям

   Форум по обсуждению материала ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВ МЕТАЛЛОВ




МИКРОФОНЫ MEMS

Микрофоны MEMS — новое качество в записи звука. Подробное описание технологии.




Как работает индукционный нагрев? — nagrevtrub.ru

Индукционное оборудование широко применяется в производстве, строительстве и ремонте, когда необходима температурная обработка материалов. Термическое воздействие может осуществляться температурами от 100ОС до 1250оС как на поверхности изделия, так и на всей заготовке.

Метод индукционного нагрева используется для самых разных задач:

  • Для подготовки агрегатов к обслуживанию;
  • При выполнение сварочных работ;
  • При обработке сварных швов;
  • Для всех видов термообработки металлов.

Принцип работы индукционных установок

Принцип работы индукционного нагрева заключается в преобразовании магнитного поля в тепловую энергию, что вызывает быстрый разогрев детали. Технология воздействия полностью бесконтактная – ток высокой частоты провоцирует в детали изменение электромагнитного поля с выделением тепла.

Рис. 1 Индукционная установка для труб

Подвергать индукционному нагреву можно любые токопроводимые материалы. Благодаря этому стало возможным выполнять термообработку любых деталей из:

  • латуни;
  • меди;
  • стали;
  • цветных металлов;
  • черных металлов;
  • электропроводящей керамики;
  • других составов, сплавов.

Изменять температуру нагрева можно при помощи автоматического пульта управления, что обеспечивает высокую безопасность на производстве.

Принцип работы индукционных установок

Устройства, реализуемые компанией Nagrevtrub, позволяют быстро нагреть металл докрасна в течение нескольких минут, например, для подшипника массой 1 кг требуется до 2,5 мин.

Достигается такой результат следующим образом:

  1. Через индуктор, представляющий собой колебательный контур из индукционной катушки и конденсаторной батареи, проходит переменный ток, с помощью которого создается переменное магнитное поле. Подачу тока выполняет генератор. Чем больше витков катушки и выше сила тока, тем сильнее магнитное поле.
  2. Образовавшиеся вихревые токи в индукторе (Токи Фуко) создают мощное электромагнитное поле, которое переходит на металл (з-н Джоуля-Ленца). Заготовки, нуждающиеся в нагреве, размещаются вблизи с индуктором или в индукторе.
  3. При прохождении токов через изделие они преобразуются в тепловую энергию, вызывая выделение тепла. Чем больше будет магнитное поле, тем сильнее будет нагреваться предмет. Благодаря сопротивлению двух противоположных магнитных полей (предмета и индуктора) осуществляется постепенный нагрев от поверхности материала к его центру. На глубину прогревания можно повлиять, изменяя частоту преобразователя в меньшую сторону.

Индукционные нагревательные приборы предназначены исключительно для токопроводящих материалов.

Универсальность промышленных индукционных нагревателей

Индукционные нагреватели используются для широкого спектра операций над металлом:

  • отпуск для достижения пластичности и ударной вязкости заготовок;
  • сварка для изготовления электросварных труб;
  • отжиг при производстве трубопроката, полос, проволоки;
  • закалка с быстрым охлаждением для увеличения стойкости к износу деталей;
  • пайка двух материалов посредством расплавления присадочного металла;
  • склейка полимеров, сушка клеевых средств, затвердевание связующих составов.

Тепловая обработка с помощью ТВЧ применяется в цехах независимо от промышленных масштабов благодаря удобству и безопасности для операторов.

Преимущества установок индукционного нагрева перед другими нагревателями

  • Скорость работы – самый быстрый способ термообработки.
  • Высокая точность – благодаря локальному воздействию нагрев происходит только конкретной зоны.
  • Безопасность процесса – в отличие от газовых горелок отсутствует пожароопасный фактор.
  • Компактность – незначительные габариты делают установки мобильными и удобными в эксплуатации.
  • Сниженное энергопотребление – высокое КПД при малых затратах энергии.

Индукционные системы 100% экологически безвредные и не портят целостности металла в отличие от горелок и ТЭНов.

Индукционный предварительный нагрев кабеля с автоматической заменой индукторов

Компания GH Induction разработала полностью автоматизированную систему предварительного нагрева кабелей/проводников, которая позволяет избежать риска производственных потерь из-за человеческого фактора и значительно повысить надежность производства. Ключевым моментом является автоматическая смена индуктора, что также обеспечивает эргономические преимущества. 

Преимущества индукционного нагрева

Индукционный нагрев или нагрев ТВЧ — это процесс нагрева электропроводящего материала путем наведения в нем вихревых токов, который используется для нагрева, закалки, склеивания или соединения металлов. Для современных производственных процессов индукционный нагрев предлагает привлекательное сочетание скорости, энергоэффективности, точности и контроля.

Применение в кабельной промышленности

Индукционный нагрев — это щадящее, бесконтактное и экологически чистое решение. Этот процесс получил широкое распространение для нагрева проводников и идеально подходит для решения множества различных задач при производстве кабельной продукции. Поскольку тепло генерируется непосредственно в кабеле без контакта, поверхность кабеля остается идеально гладкой и без царапин. Процессы изоляции и оболочки кабелей высокого и среднего напряжения, подводных кабелей, шахтных кабелей и других силовых кабелей являются прекрасным примером процессов, в которых индукционный нагрев обеспечивает исключительные преимущества.

Предварительный нагрев проводников

В частности, индукционный предварительный нагрев проводников используется при нанесении изоляционных слоев (экструзия) для достижения высокого качества изоляции при высокой скорости производства. Почему  предварительный нагрев так важен в этом процессе? На рисунке 1 показан типичный кабель с различными слоями изоляции. Для нанесения изоляции из сшитого полиэтилена (XLPE, XLPE) чрезвычайно важно обеспечить ее однородное отверждение. В материале могут остаться зазоры, которые могут привести к пробою изоляции под воздействием высокого напряжения, проходящего через кабель. Как показано на рисунке 1, этот слой относительно толстый, поэтому трудно отвердить изоляцию только снаружи. В этом случае для отверждения материала потребуется пропустить кабель через длинный нагреватель на очень низкой скорости. Однако если проводник нагревается до нанесения изоляционного слоя, то изоляционный материал также косвенно нагревается изнутри за счет тепла, выделяемого проводником. Поэтому с помощью индукционного нагрева можно наносить однородно отвержденный изоляционный слой при высокой скорости производства.

Рис. 1: Медный кабель с изоляцией, VATAN KABLO

На рисунке 2 показан типичный нагреватель проводников на производственной линии, расположенный непосредственно перед экструзионной линией. Для производителей кабелей различных типов и диаметров, выпускаемых на одной линии, настоятельно рекомендуется использовать стойку с несколькими индукторами. Автоматическая конфигурация позволяет избежать ручного вмешательства, например, замены, а также удаления воздуха и повторного подключения индуктора. Предварительным нагревом проводника можно управлять дистанционно, без ручного вмешательства.

Рис. 2: Предварительный нагрев проводников в производственной линии (стойка с 4 индукторами).

Отраслевая тенденция

Все больше производителей кабельной продукции ищут решения для повышения надежности производства и минимизации человеческого фактора на производстве, чтобы избежать дорогостоящих простоев производства.

Автоматические нагреватели проводов/кабелей от GH Induction обладают множеством преимуществ:

  • Предотвращение ошибок:
    • Предотвращение выхода из строя из-за неправильного подключения узлов индукторов (слишком туго / слишком слабо затянуты).
    • Предотвращение выхода из строя из-за использования неправильного индуктора (конфигурация «полностью автоматическая»).
    • Избежание утечек воды благодаря отсутствию необходимости повторного подключения водопроводных линий.
  • Эргономичность: Индуктор не нужно менять с помощью крана или физического подъема. Риск травмирования сотрудников сведен к минимуму.
  • Автоматизация процесса: Управление и мониторинг нагрева можно осуществлять дистанционно.
  • Хранение: Индукторы можно хранить непосредственно на стеллаже.

Компания GH Induction поставляет систему индукционного преднагрева проводников с «полуавтоматической» заменой индукторов для компании VATAN KABLO (Турция). В этой конфигурации индукторы нужно только вручную переместить в положение нагрева, в котором находится проводник (рис. 3). При переходе на другой тип кабеля нет необходимости соединять индукторы, силовые соединения и водопроводные линии. Каждый индуктор снабжен собственными линиями охлаждения, а переключение охлаждающей воды осуществляется с помощью электромагнитных клапанов. Для переключения электрического соединения каждый индуктор имеет соединительный зажим. После перемещения индуктора в рабочее положение пневматический цилиндр закрывается, обеспечивая питание индуктора от источника питания.

Рис. 3: VATAN KABLO — «полуавтоматический» предварительный нагрев проводников (горизонтальное исполнение)

Автоматические решения

Полностью автоматическая система (рис. 4) устраняет необходимость ручного позиционирования индукторов. Они перемещаются автоматически с помощью шарико-винтовой пары с приводом от мотор-редуктора. Обе системы, «полуавтоматическая» и «полностью автоматическая», доступны в вертикальном или горизонтальном исполнении. GH Induction адаптирует все системы к требованиям заказчика и доступному пространству на производстве.

В ближайшее время: В этом году, в дополнение к автоматизированной системе, GH предложит другие новые и эксклюзивные функции, которые повышают контроль качества процесса индукционного предварительного нагрева кабеля.

Рисунок 4: «Полностью автоматический» нагреватель проводников ( вертикальная конструкция)

О GH INDUCTION:

Группа GH Induction — одна из самых опытных компаний в мире в области нагрева ТВЧ, штаб-квартира которой находится в г. Валенсия, Испания. Известные производители кабелей используют нагреватели проводников GH Induction в своем производстве. По всему миру, в более чем 30 странах, GH Induction Group поставила наиболее известным производителям кабеля и интеграторам более 200 установок предварительного нагрева кабеля. GH Induction Group — это солидная и инновационная компания с более чем 4000 клиентов и более чем 60-летним международным опытом, инновациями и знаниями в области индукционных технологий.

https://www.ghinduction.ru

Подпишитесь на сообщество «GH Induction Russia» на Facebook, чтобы не пропускать актуальные новости компании! 

Индукционный нагрев является эффективной технологией.

Генераторы eldec обладают превосходными техническими характеристиками для индукционного нагрева металлов. Индукционный нагрев – быстрый и точный процесс. Применяется для всех электропроводных материалов. Теплота целенаправленно подается в  области заготовки, где необходимо выполнить термообработку.

Индукционный нагрев – эффективный способ целенаправленного нагрева металлов

Индукционный нагрев лежит в основе таких технологий, как: индукционная закалка, индукционный отпуск, индукционный отжиг, индукционная пайка, индукционная сварка, а также других технологий горячего формования. Генераторы eldec разработаны специально для индукционного нагрева. Благодаря широкому ассортименту индукционных генераторов, eldec может предложить оптимальное решение (оптимальный генератор) для любой области применения.

Что такое индукционный нагрев? Каков принцип действия индукционного нагрева?

При индукционном нагреве в металлической заготовке под действием переменного электромагнитного поля создаются вихревые токи, преобразуемые в тепловую энергию вследствие гистерезисных потерь. – Или, говоря проще: электрический ток, проходящий через заготовку, нагревает металл. За счет этого при индукционном нагреве тепло подается непосредственно в заготовку без внешнего воздействия, как это, например, происходит при нагревании пламенем или в печи. Поэтому данная технология имеет очень высокий коэффициент полезного действия. Кроме того, таким образом можно нагревать даже непроводящие материалы. К тому же осуществляется только непрямое нагревание окружающей среды.

Факторы воздействия на индукционный нагрев

Глубина нагрева заготовки зависит от свойств металла, из которого она изготовлена. Еще одним важным фактором воздействия на глубину нагрева при использовании данного метода является частота тока, создаваемого генератором. Высокие частоты в первую очередь подходят для нагревания точно по контуру заготовки с незначительной глубиной. Низкие частоты подходят для более значительной глубины нагрева. 

Поэтому, в зависимости от конкретной производственной задачи, проводится индивидуальный анализ для выбора оптимального генератора для необходимого индукционного нагрева. При этом одним из ключевых факторов успешного индукционного нагрева является правильный выбор частоты. Однако на расчетные параметры решения для индукционного нагрева также влияют материал заготовки, температура нагревания и размеры партий. 

eldec предлагает генераторы для индукционного нагрева следующих материалов:
  • медь
  • медные сплавы
  • латунь
  • алюминий
  • железо
  • сталь
  • высококачественная сталь
  • твердые сплавы
  • вольфрам
  • хром
  • никель
  • никелевые сплавы
  • кобальт
  • драгоценные металлы
  • углеродное волокно
  • серебро
  • платина
  • графит
  • кремний

Основы индукционного нагрева — НПП «ТЕХИНДАКТ»

Индукционный нагрев – это процесс нагрева металлов посредством переменного электромагнитного поля. Поскольку нагрев осуществляется полевым способом, он является бесконтактным.

Это самый современный способ как объемного, так и поверхностного нагрева металлов. Благодаря своим преимуществам, сегодня он используется в любом современном производстве, где есть участки термообработки металла. Нагрев для штамповки, закалки, отпуска, отжига — сегодня любая технологическая операция термообработки может быть проведена с технологией индукционного нагрева.

Как это работает

Индукционный нагрев происходит за счет выделения теплоты от протекания вихревых токов (токов Фуко), создаваемых электромагнитным полем внутри нагреваемого материала. Поскольку выделение тепла происходит непосредственно в нагреваемой детали, тепловой переход нагреватель-деталь при этом отсутствует, а нагрев является максимально эффективным.

Наведенные вихревые токи являются полностью замкнутыми внутри нагреваемой заготовки, не выходят за ее пределы и не могут протекать от заготовки к оператору. Поэтому несмотря на значительное тепловыделение от протекаемых токов в заготовке, индукционный нагрев является достаточно безопасным способом нагрева.

Технически процесс индукционного нагрева производится следующим образом. Металлическая заготовка помещается внутрь электромагнитного индуктора установки индукционного нагрева (УИН). Индуктор, в простейшем случае, представляет собой многовитковую катушку, выполненную из медной трубки, по которой протекает переменный электрический ток, а также протекает вода для охлаждения трубки. Контакт между заготовкой и витками индуктора при этом отсутствует. При протекании по виткам индуктора электрического тока, внутри индуктора создается переменное магнитное поле, которое индуцирует внутри заготовки вихревые электрические токи, разогревающие материал заготовки.
   

Важным фактором в индукционном нагреве является удельное электрическое сопротивление нагреваемого материала: материалы с низким удельным сопротивлением (медь, латунь) нагреваются хуже. Значительно лучше нагреваются сплавы на основе железа. Это обуславливается как его высоким удельным сопротивлением, так и ферромагнитными свойствами железа и его сплавов, усиливающими внешнее магнитное поле.

Преимущества

— бестопливный

Индукционный нагрев не требует сжигания газа, мазута или угля. Для его работы необходима только электроэнергия. Чистота и экологичность технологического процесса существенно выше.

 
 

 

 
 

— быстродействие

Нагрев детали начинается в момент включения установки. В отличие от камерных печей, он не требует многочасового предварительного прогрева печи и готов к работе сразу.

     

— управляемость

Деталь можно нагревать целиком, а можно только необходимые зоны. Высокая интенсивность нагрева также позволяет нагревать и закаливать только поверхность детали, не прокаливая ее вглубь.

 
     
 

— эффективность

Современные преобразователи имеют КПД более 95%, что разительно сокращает потери электроэнергии. Энергия при этом расходуется именно на нагрев детали, а не муфеля промышленной электропечи.

     

— повторяемость

Индукционный нагрев обеспечивает высокую повторяемость результата. Точность стабилизации тока и точность позиционирования деталей в индукторе обеспечивают гарантированный результат.

 
     
 

— специфичность

Существует ряд техпроцессов, которые невозможно реализовать другими методами нагрева. Среди них и поверхностная закалка, и зонная закалка, и левитационная плавка и другие технологии.

     

Что это такое, как это работает

На главную > Индукционный нагрев > Что такое индукционный нагрев

Индукционный нагрев — это процесс, который используется для соединения, упрочнения или размягчения металлов или других проводящих материалов. Для многих современных производственных процессов индукционный нагрев предлагает привлекательное сочетание скорости, постоянства и контроля.

Основные принципы индукционного нагрева известны и применяются в производстве с 1920-х годов. Во время Второй мировой войны технология быстро развивалась, чтобы удовлетворить насущные потребности военного времени в быстром и надежном процессе упрочнения металлических деталей двигателя.В последнее время акцент на методах бережливого производства и акцент на улучшенном контроле качества привели к повторному открытию индукционной технологии, а также к разработке полностью контролируемых твердотельных индукционных источников питания.

Что делает этот метод нагрева таким уникальным? В наиболее распространенных методах нагрева факел или открытое пламя воздействуют непосредственно на металлическую деталь. Но при индукционном нагреве тепло фактически «индуцируется» внутри самой детали за счет циркулирующих электрических токов.

Индукционный нагрев основан на уникальных характеристиках радиочастотной (РЧ) энергии — части электромагнитного спектра ниже инфракрасной и микроволновой энергии. Поскольку тепло передается изделию с помощью электромагнитных волн, деталь никогда не вступает в непосредственный контакт с пламенем, сам индуктор не нагревается (см. рис. 1), а изделие не загрязняется. При правильной настройке процесс становится очень повторяемым и контролируемым.

Как работает индукционный нагрев

Как именно работает индукционный нагрев? Это помогает иметь базовое понимание принципов электричества.Когда переменный электрический ток подается на первичную обмотку трансформатора, создается переменное магнитное поле. Согласно закону Фарадея, если вторичная обмотка трансформатора находится в пределах магнитного поля, будет индуцироваться электрический ток.

В базовой установке индукционного нагрева, показанной на Рисунке 2, твердотельный ВЧ источник питания пропускает переменный ток через индуктор (часто это медная катушка), а нагреваемая деталь (заготовка) помещается внутрь индуктора. Катушка индуктивности служит первичной обмоткой трансформатора, а нагреваемая часть становится вторичной обмоткой короткого замыкания.Когда металлическая деталь помещается в индуктор и входит в магнитное поле, внутри детали индуцируются циркулирующие вихревые токи.

Как показано на рисунке 3, эти вихревые токи текут против удельного электрического сопротивления металла, генерируя точное и локализованное тепло без какого-либо прямого контакта между деталью и индуктором. Этот нагрев происходит как с магнитными, так и с немагнитными частями, и его часто называют «эффектом Джоуля», имея в виду первый закон Джоуля — научную формулу, выражающую взаимосвязь между теплом, выделяемым электрическим током, проходящим через проводник.

Во-вторых, внутри магнитных частей выделяется дополнительное тепло из-за гистерезиса — внутреннего трения, возникающего при прохождении магнитных частей через индуктор. Магнитные материалы естественным образом оказывают электрическое сопротивление быстро меняющимся магнитным полям внутри индуктора. Это сопротивление создает внутреннее трение, которое, в свою очередь, производит тепло.

Таким образом, в процессе нагревания материала нет контакта между индуктором и деталью, а также нет дымовых газов.Нагреваемый материал может быть расположен в помещении, изолированном от источника питания; погруженные в жидкость, покрытые изолированными веществами, в газовой атмосфере или даже в вакууме.

Важные факторы, которые следует учитывать

Эффективность системы индукционного нагрева для конкретного применения зависит от нескольких факторов: характеристик самой детали, конструкции индуктора, мощности источника питания и степени изменения температуры, необходимой для применения.

Характеристики детали

МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ИЛИ ПЛАСТИКОВЫЙ
Во-первых, индукционный нагрев напрямую работает только с проводящими материалами, обычно металлами. Пластмассы и другие непроводящие материалы часто можно нагревать косвенно, сначала нагревая проводящий металлический токоприемник, который передает тепло непроводящему материалу.

МАГНИТНЫЕ ИЛИ НЕМАГНИТНЫЕ
Магнитные материалы легче нагревать. В дополнение к теплу, индуцированному вихревыми токами, магнитные материалы также выделяют тепло благодаря так называемому эффекту гистерезиса (описанному выше).Этот эффект перестает проявляться при температурах выше точки «Кюри» — температуры, при которой магнитный материал теряет свои магнитные свойства. Относительное сопротивление магнитных материалов оценивается по шкале «проницаемости» от 100 до 500; в то время как немагнитные материалы имеют проницаемость 1, магнитные материалы могут иметь проницаемость до 500.

ТОЛСТАЯ ИЛИ ТОНКАЯ
При использовании токопроводящих материалов около 85 % теплового эффекта приходится на поверхность или «кожу» детали; интенсивность нагрева уменьшается по мере удаления от поверхности.Таким образом, маленькие или тонкие детали обычно нагреваются быстрее, чем большие толстые детали, особенно если большие детали необходимо прогреть полностью.

Исследования показали зависимость между частотой переменного тока и глубиной проникновения нагрева: чем выше частота, тем меньше нагрев детали. Частоты от 100 до 400 кГц производят относительно высокоэнергетическое тепло, идеально подходящее для быстрого нагрева небольших деталей или поверхности/поверхности более крупных деталей. Было показано, что для глубоко проникающего тепла наиболее эффективными являются более длительные циклы нагрева на более низких частотах от 5 до 30 кГц.

СОПРОТИВЛЕНИЕ
Если вы используете один и тот же индукционный процесс для нагрева двух одинаковых кусков стали и меди, результаты будут совершенно разными. Почему? Сталь, наряду с углеродом, оловом и вольфрамом, обладает высоким удельным электрическим сопротивлением. Поскольку эти металлы сильно сопротивляются протеканию тока, тепло накапливается быстро. Металлы с низким удельным сопротивлением, такие как медь, латунь и алюминий, нагреваются дольше. Удельное сопротивление увеличивается с температурой, поэтому очень горячий кусок стали будет более восприимчив к индукционному нагреву, чем холодный.

Конструкция индуктора

Именно внутри индуктора переменное магнитное поле, необходимое для индукционного нагрева, создается за счет потока переменного тока. Таким образом, конструкция индуктора является одним из наиболее важных аспектов всей системы. Хорошо спроектированный индуктор обеспечивает правильную схему нагрева для вашей детали и максимизирует эффективность источника питания индукционного нагрева, в то же время позволяя легко вставлять и снимать деталь.

Мощность источника питания

Мощность индукционного источника питания, необходимого для нагрева конкретной детали, можно легко рассчитать.Во-первых, необходимо определить, сколько энергии необходимо передать заготовке. Это зависит от массы нагреваемого материала, удельной теплоемкости материала и требуемого повышения температуры. Следует также учитывать тепловые потери от теплопроводности, конвекции и излучения.

Требуемая степень изменения температуры

Наконец, эффективность индукционного нагрева для конкретного применения зависит от величины требуемого изменения температуры. Может быть обеспечен широкий диапазон температурных изменений; как правило, для увеличения степени изменения температуры обычно используется большая мощность индукционного нагрева.

Что такое индукционный нагрев? — Индуктохит Инк

Компании группы Inductotherm используют электромагнитную индукцию для плавления, нагрева и сварки в различных отраслях промышленности. Но что такое индукция? И чем он отличается от других способов нагрева?

Для типичного инженера индукция — увлекательный метод нагрева. Те, кто не знаком с индукционным нагревом, могут удивиться тому, как кусок металла в змеевике за считанные секунды становится вишнево-красным .Оборудование для индукционного нагрева требует понимания физики, электромагнетизма, силовой электроники и управления технологическими процессами, но основные концепции индукционного нагрева просты для понимания.

Основы

Открытая Майклом Фарадеем индукция начинается с катушки из проводящего материала (например, из меди). Когда ток течет через катушку, создается магнитное поле внутри и вокруг катушки. Способность магнитного поля совершать работу зависит от конструкции катушки, а также от величины тока, протекающего через катушку.

Направление магнитного поля зависит от направления протекания тока, поэтому переменный ток через катушку приведет к изменению направления магнитного поля с той же скоростью, что и частота переменного тока. Переменный ток частотой 60 Гц заставит магнитное поле менять направление 60 раз в секунду. Переменный ток частотой 400 кГц заставит магнитное поле переключаться 400 000 раз в секунду.

Когда проводящий материал, заготовка, помещается в изменяющееся магнитное поле (например, поле, создаваемое переменным током), в заготовке возникает напряжение (закон Фарадея).Наведенное напряжение приведет к потоку электронов: ток! Ток, протекающий через заготовку, будет идти в направлении, противоположном току в катушке. Это означает, что мы можем контролировать частоту тока в заготовке, контролируя частоту тока в катушке.

Когда ток течет через среду, движению электронов будет оказываться некоторое сопротивление. Это сопротивление проявляется в виде тепла (эффект джоулевого нагрева). Материалы, которые более устойчивы к потоку электронов, будут выделять больше тепла при протекании через них тока, но, безусловно, можно нагреть материалы с высокой проводимостью (например, медь) с помощью индуцированного тока.Это явление имеет решающее значение для индукционного нагрева.

Что нам нужно для индукционного нагрева?

Все это говорит нам о том, что для индукционного нагрева необходимы две основные вещи:

  1. Изменяющееся магнитное поле
  2. Электропроводный материал, помещенный в магнитное поле

Чем индукционный нагрев отличается от других методов нагрева?

Существует несколько способов нагрева объекта без индукции.Некоторые из наиболее распространенных промышленных методов включают газовые печи, электрические печи и соляные ванны. Все эти методы основаны на передаче тепла продукту от источника тепла (горелка, нагревательный элемент, жидкая соль) посредством конвекции и излучения. Как только поверхность продукта нагревается, тепло передается через продукт с теплопроводностью.

Продукты с индукционным нагревом не полагаются на конвекцию и излучение для доставки тепла к поверхности продукта. Вместо этого тепло генерируется на поверхности продукта потоком тока.Затем тепло от поверхности продукта передается через продукт с теплопроводностью. Глубина, на которой тепло генерируется непосредственно с помощью индуцированного тока, зависит от того, что называется электрической эталонной глубиной .

Электрическая эталонная глубина сильно зависит от частоты переменного тока, протекающего через заготовку. Ток более высокой частоты приведет к меньшей электрической эталонной глубине , а ток более низкой частоты приведет к более глубокой электрической эталонной глубине .Эта глубина также зависит от электрических и магнитных свойств заготовки.

Электрическая эталонная глубина высоких и низких частот

Компании группы Inductotherm используют преимущества этих физических и электрических явлений для настройки решений по нагреву для конкретных продуктов и областей применения. Тщательный контроль мощности, частоты и геометрии катушки позволяет компаниям группы Inductotherm разрабатывать оборудование с высоким уровнем контроля процесса и надежности независимо от области применения.

Индукционная плавка

Для многих процессов плавка является первым этапом производства полезного продукта; индукционная плавка быстрая и эффективная. Изменяя геометрию индукционной катушки, индукционные плавильные печи могут вмещать загрузку, размер которой варьируется от объема кофейной кружки до сотен тонн расплавленного металла. Кроме того, регулируя частоту и мощность, компании группы Inductotherm могут обрабатывать практически все металлы и материалы, включая, помимо прочего: железо, сталь и сплавы нержавеющей стали, медь и сплавы на ее основе, алюминий и кремний.Индукционное оборудование разрабатывается индивидуально для каждого применения, чтобы обеспечить его максимальную эффективность.

Основным преимуществом индукционной плавки является индукционное перемешивание. В индукционной печи металлическая шихта плавится или нагревается током, генерируемым электромагнитным полем. Когда металл расплавляется, это поле также приводит в движение ванну. Это называется индуктивным перемешиванием. Это постоянное движение естественным образом перемешивает ванну, создавая более однородную смесь и способствуя сплавлению.Интенсивность перемешивания определяется размером печи, мощностью, подаваемой на металл, частотой электромагнитного поля и типом/количеством металла в печи. Величину индукционного перемешивания в любой данной печи можно регулировать для специальных применений, если это необходимо.

Индукционная вакуумная плавка

Поскольку индукционный нагрев осуществляется с помощью магнитного поля, заготовка (или нагрузка) может быть физически изолирована от индукционной катушки с помощью огнеупорной или другой непроводящей среды.Магнитное поле будет проходить через этот материал, вызывая напряжение в нагрузке, содержащейся внутри. Это означает, что загрузку или заготовку можно нагревать в вакууме или в тщательно контролируемой атмосфере. Это позволяет обрабатывать химически активные металлы (Ti, Al), специальные сплавы, кремний, графит и другие чувствительные проводящие материалы.

Индукционный нагрев

В отличие от некоторых методов сжигания, индукционный нагрев точно контролируется независимо от размера партии. Изменение тока, напряжения и частоты с помощью индукционной катушки приводит к точно настроенному инженерному нагреву, идеально подходящему для точных применений, таких как цементация, закалка и отпуск, отжиг и другие формы термообработки.Высокий уровень точности имеет важное значение для критически важных приложений, таких как автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность, оптоволокно, соединение боеприпасов, закалка проволоки и отпуск пружинной проволоки. Индукционный нагрев хорошо подходит для специальных применений металлов, таких как титан, драгоценные металлы и современные композиты. Точное управление нагревом, доступное с индукцией, не имеет себе равных. Кроме того, используя те же принципы нагрева, что и при нагреве в вакуумных тиглях, индукционный нагрев можно проводить в атмосфере для непрерывного применения.Например, светлый отжиг труб из нержавеющей стали.

Высокочастотная индукционная сварка

При индукции с использованием тока высокой частоты (ВЧ) возможна даже сварка. В этом приложении очень небольшие электрические эталонные глубины , которые могут быть достигнуты с помощью ВЧ-тока. В этом случае полоса металла формируется непрерывно, а затем проходит через набор точно спроектированных валков, единственной целью которых является сжатие краев сформированной полосы вместе и создание сварного шва.Непосредственно перед тем, как сформированная полоса достигает комплекта валков, она проходит через индукционную катушку. В этом случае ток течет вниз вдоль геометрического «клина», образованного краями полосы, а не только снаружи образовавшегося канала. При протекании тока по краям полосы они нагреваются до подходящей температуры сварки (ниже температуры плавления материала). Когда кромки прижимаются друг к другу, весь мусор, оксиды и другие примеси вытесняются, в результате чего получается кузнечный сварной шов в твердом состоянии.

Будущее

С наступлением эпохи высокотехнологичных материалов, альтернативных источников энергии и потребности в расширении возможностей развивающихся стран уникальные возможности индукции предлагают инженерам и проектировщикам будущего быстрый, эффективный и точный метод нагрева.

Индукционный кузнечный нагрев

Inductoforge® Induction Системы индукционного кузнечного нагрева для заготовок

Инновационная технология индукционной ковки для исключительной производительности

Inductoheat — технология индукционного кузнечного нагрева используется для нагрева прутков и заготовок различных диаметров.Источник питания Inductorge ®  , созданный для работы в агрессивных средах ковки, представляет собой последнее поколение проверенной в промышленности системы. Существующая надежная технология усовершенствована, чтобы обеспечить уникальные функции, особенно полезные для кузнечной промышленности.

Технология индукционного кузнечного нагрева

Достижения в наших технологиях нагрева кузнечного цеха включают новые системы нагрева заготовок Inductoforge ® , в которых используется стандартизированная модульная конструкция, которая обеспечивает гибкость в источниках питания, механических приспособлениях, элементах управления и эксплуатации.Для модульной системы нагрева Inductorge ® доступна компьютерная программа моделирования температурного профиля IHAZ™. Программный пакет iHaz™ представляет собой технологию прогнозирующего численного моделирования, которая точно прогнозирует температуру по всему поперечному сечению прутка/заготовки, от поверхности до сердцевины. Эти системы очень эффективны и позволят больше фунтов. в час с использованием меньшего количества энергии по сравнению с обычными системами ковки. Использование программного обеспечения для моделирования iHaz позволяет оператору выбирать тип материала, размеры, производительность, желаемую температуру и другие параметры для расчета наилучшего возможного рецепта.

  • Загрузка рецепта напрямую в индукционный нагреватель заготовок через Ethernet.
  • Устранение предположений о рецепте
  • Мощность распределяется по линии катушки, как определено в рецепте моделирования iHaz.
  • Во время высокой производительности система Inductoforge увеличивает мощность первых модулей и снижает мощность последующих модулей.
  • Для снижения производительности мощность может быть перераспределена на более поздние модули при сохранении непревзойденной однородности температуры.
  • Используйте оценки мощности, полученные в результате расчета iHaz, для определения затрат на электроэнергию для новых проектов.

Резервный


  • Позволяет ковочному блоку останавливаться и удерживать заготовки при температуре, пока устраняются проблемы в дальнейшем.
  • Предотвращает попадание заготовок в бункер отбраковки, сокращая количество отходов.

Спецификации конструкции для тяжелых условий эксплуатации

  • Установки созданы для работы в суровых условиях кузнечного цеха
  • Мощный закаленный цепной конвейер с регулируемыми боковыми направляющими для различных размеров заготовок
  • Встроенная система рециркуляции воды с теплообменником
  • Встроенные желоба для окалины
  • Мощность модули похожи друг на друга и имеют минимальное количество компонентов в каждом шкафу, что упрощает поиск и устранение неисправностей и обслуживание.
  • Долговечные и прочные силовые модули зарекомендовали себя в полевых условиях за надежность и отсутствие простоев.
  • Несколько источников питания позволяют продолжить производство с более низкой скоростью, если один модуль требует обслуживания.

Запросить цену

Индукционный нагрев для электромобилей

Качественные электромобили по частям 

В течение 60 лет компания Inductoheat поставляет системы индукционного нагрева OEM-производителям автомобилей и другим поставщикам для улучшения качества компонентов.Мы были в авангарде индукционных технологий и продолжаем разрабатывать наиболее специализированные и надежные индукционные термические процессы для традиционного автомобиля.

В то время как автомобили с двигателями внутреннего сгорания будут частью автомобильного ландшафта в ближайшие десятилетия, Inductoheat стремится адаптировать и внедрять новые технологии индукционного нагрева для того, что принесет автомобильный рынок. С появлением электромобилей мы видим изменения в отрасли и прекрасную возможность представить передовые индукционные технологии новичкам в автомобильной сфере.

Хотя конструкция и приводные механизмы электромобиля отличаются от обычных платформ с двигателем внутреннего сгорания, существуют и другие отличия, которые необходимо учитывать при рассмотрении компонентов электромобиля. Электромобили создают мгновенный и гораздо более высокий крутящий момент по сравнению с автомобилями внутреннего сгорания при ускорении или изменении скорости. Из-за этого компоненты трансмиссии, такие как шестерни, валы и соединения, должны быть усилены, чтобы выдерживать дополнительные нагрузки и напряжения.Индукционный нагрев может должным образом удовлетворить это требование, обеспечивая превосходную прочность и улучшая другие механические характеристики по сравнению с альтернативными методами, такими как науглероживание. Например, индукционный нагрев обеспечивает соответствующую глубину корпуса, меньшую деформацию и исключительную повторяемость, поскольку это технология обработки одной детали.

Существует также много других автомобильных применений, от бампера до бампера, которые можно выполнить более эффективно, используя индукционный нагрев по сравнению с другими методами.

Индукционный нагрев электромобилей: применение

Индукционная закалка

0
  • Главные валы
  • Соединения постоянного скорости
  • рулевая стойка
  • рулевых шестерни
  • шестерни
  • кольцо шестерни
  • Ударные стержни
  • Ударные стержни
  • Дверной ударные балки
  • HUBS
  • Когда область индукционного нагрева электромобилей становится чрезвычайно широкой, Inductoheat использует компьютерное моделирование.Компьютерное моделирование и моделирование по методу конечных элементов – это мощный инструмент, используемый нашими инженерами и учеными для исследования или проектирования физической системы и/или процесса с использованием виртуальной математической модели. Это моделирование обеспечивает количественный подход к проектированию и разработке процессов индукционного нагрева, допуская сложные физические явления, которые невозможно четко наблюдать и/или измерять.

    Мы продолжаем внедрять передовые технологии и производить самые надежные системы индукционного нагрева для рынка электромобилей.

    Индукционный нагрев

    : что это такое и как это работает?

    Что такое индукционный нагрев?

    Индукционный нагрев – это процесс нагрева металлов и других электропроводящих материалов, который является точным, воспроизводимым и безопасным бесконтактным методом. Он включает в себя сложную комбинацию электромагнитной энергии и теплопередачи, которая проходит через индукционную катушку, создавая электромагнитное поле внутри катушки для металлических пуховых материалов. Такие материалы, как сталь, медь, латунь, графит, золото, серебро, алюминий и карбид, можно нагревать для целого ряда применений, включая различные виды термообработки, такие как закалка, отжиг, отпуск, пайка, пайка, термоусадочная посадка, термообработка. крепление, склеивание, отверждение, плавление и многое другое.

    Два ключевых явления должны быть изучены, чтобы понять основы индукционного нагрева; Закон индукции Фарадея и скин-эффект.

    Закон индукции Фарадея

    Когда электропроводящий материал (например, металл) помещается в изменяющееся во времени магнитное поле, в его части индуцируется электрический ток (называемый «вихревым током»), создающий второе магнитное поле, противодействующее приложенному полю (рис. ниже). Причина этого явления заключается в том, что изменяющееся во времени магнитное поле нарушает расслабленное состояние электропроводящего материала.В свою очередь, материал пытается противостоять этому изменению, создавая другое магнитное поле, чтобы нейтрализовать навязанное поле.

    Как работает индукционный нагрев?

    Феномен индукции имеет два важных следствия:

    я. Индуцированная сила . Пример показан на рисунке ниже, где постоянный магнит опускается в медную трубку. Наведенная сила по закону Фарадея пытается остановить движение магнита внутри трубки.

           

    ii. Индуцированный нагрев. Когда электропроводящий материал подвергается воздействию переменного магнитного поля, в зависимости от материала тепло индуцируется двумя механизмами; Джоулев нагрев и магнитный гистерезис. Последнее происходит в магнитных металлах (таких как углеродистая сталь с температурой ниже Кюри), в которых вращение соседних магнитных диполей из-за изменения направления наложенного магнитного поля приводит к трению и теплу. Этот эффект усиливается при увеличении частоты наложенного магнитного поля.2, где R — электрическое сопротивление пути тока. Сопротивление пути тока обратно пропорционально площади поперечного сечения, по которому протекает ток.

    Как генерируется индуцированное тепло?

    Если электропроводящий материал подвергается воздействию магнитного поля, в материале индуцируются вихревые токи. Особые характеристики таких токов приводят к явлению, которое мы называем «индукционным нагревом». Вихревые токи концентрируются на поверхности материала.Причина в том, что на высокой частоте наложенное магнитное поле очень быстро меняет свое направление. Поэтому индуцированные токи в одном направлении не успевают проникнуть в глубь металла до истечения своего времени. Толщина проникновения тока в материал называется «глубиной скин-слоя». Глубина скин-слоя зависит от электромагнитных свойств материала, а также обратно пропорциональна частоте. На рисунке ниже показана зависимость глубины скин-слоя от частоты.2. Следовательно, происходит преобразование высокой энергии из электрической в ​​тепловую.

     

    Артикул:

    • С. Зинн и С. Л. Семиатин, «Элементы индукционного нагрева, конструкция, управление и применение», ASM International, ISBN-13: 9780871703088, 1988

    Видео: https://www.youtube.com/watch?v=5BeFoz3Ypo4

     

    Индукционный нагреватель — принцип работы

    Исторически сложилось так, что как для бытовых, так и для коммерческих целей использовались различные методы нагрева.Проводимость, конвекция и излучение являются основными видами теплопередачи, а более сложная термодинамика основана на этих трех основных принципах. Несколько методов теплопередачи применяются в обрабатывающей промышленности для изменения удельного электрического сопротивления, магнитных и физических свойств металлов с использованием более совершенных методов. Вопрос в том, можем ли мы использовать индукционные нагреватели для передачи тепла?

    Что такое индукционный нагрев?

    Индукционный нагрев — это процесс, предназначенный для нагрева электропроводящего материала, такого как металл, для изменения его физических свойств без контакта материала с индуктором.Тепло индуцируется к проводящему материалу с циркулирующими электрическими токами, так как он помещается в магнитное поле. Например, металлы предварительно нагревают до высоких температур перед прессованием и ковкой. Это известно как индукционная ковка, и для нагрева используется индукционный нагреватель.

    Промышленные процессы, которые требуют от производителей модификации металлов, в основном используют индукционный нагрев. Металлы, будучи хорошими проводниками, легко становятся мягкими или твердыми, а также соединяются с другими металлами посредством индукционного нагрева.

    В процессе индукционного нагрева материал можно размещать дальше от источника питания. Материал также можно погружать в жидкости, газы или хранить в вакууме. Отсутствуют остаточные выбросы при горении, поэтому металлы нагреваются без образования пламени и дыма. Этот процесс обеспечивает повышенную, регулируемую и постоянную скорость теплопередачи в систему с минимальными потерями тепла.

    Индукционный нагрев полезен для всех тех процессов, где нужно избегать прямого пламени, добиваться быстрых результатов, высокого качества и долговечности.

    Компоненты индукционного нагревателя

    Типичный индукционный нагреватель состоит из:

    • блок питания
    • электромагнит
    • электрический осциллятор
    • рабочая индукционная катушка

    Источник питания должен обеспечивать подачу переменного тока на рабочую катушку.

    Как работает индукционный нагреватель?

    Нагреваемый материал находится внутри змеевика. Индукционная рабочая катушка охлаждается водой и не касается нагретого материала.Блок питания используется для преобразования постоянного тока в переменный.

    Электронный генератор посылает высокочастотный переменный ток на электромагнит. Катушка получает переменное магнитное поле. Это магнитное поле передается материалу или проводнику, предназначенному для нагрева. В проводнике возникает электрический ток, также известный как вихревой ток. Затем проводник нагревается за счет потока и циркуляции вихревых токов через сопротивление материала. Это также известно как джоулев нагрев.Ферромагнитные металлы, такие как железо, также могут нагреваться из-за потерь на магнитный гистерезис.

    Изображение © 2018 EngineeringClicks

    Начальная высокая частота электрического тока может варьироваться в зависимости от многих факторов, таких как тип нагреваемого материала, уровень глубины нагрева, тип соединения между катушкой и проводником, а также размер объекта.

    Материалами для нагрева могут быть металлы, полупроводники, а также непроводники. Стекло и пластик не являются проводниками. Для нагрева материала с низкой или нулевой проводимостью; индукция сначала используется для нагрева другого проводника, такого как графит, который может передавать тепло непроводящему материалу.

    Индукционный нагрев полезен для многих типов процессов. Его можно использовать там, где подходит очень низкая температура, а также для других процессов, где может потребоваться температура до 3000 градусов Цельсия. В зависимости от процесса и спецификаций процессы нагрева могут занять много месяцев или всего доли секунды.

    Факторы, влияющие на индукцию нагрева

    Скорость, с которой металл будет нагреваться, зависит главным образом от его удельного сопротивления. Если он имеет более высокое удельное сопротивление и низкое сопротивление, то он выделяет больше тепла при прохождении тока.Но из-за низкого удельного сопротивления металл выделяет меньше тепла. Поэтому для индукционного нагрева лучше всего подходят черные металлы, имеющие более высокое удельное сопротивление. Индукционный нагреватель также может повышать температуру меди и алюминия, но медленнее.

    Тепло, выделяющееся в металле, также зависит от начального тока катушки, числа витков катушки, частоты источника питания, связи между катушкой и материалом и удельного электрического сопротивления материала.

    Если система правильно подключена и расположена, индукция проходит более плавно и лучше контролируется.Во время и после процесса индукционный нагреватель не нагревается.

    Приложения

    Индукционный нагрев используется в домашнем хозяйстве для приготовления пищи на плитах. В промышленности есть много применений индукции, например, в исследованиях и дизайне, сушке объектов, сварке деталей, методах усадки, ковке, плавке, герметизации, а также пайке.

    Помимо использования индукционного нагревателя, можете ли вы придумать какие-либо другие способы преобразования электрической энергии в тепловую?

    Индукционный нагрев — Блог Digilent

    Знаете ли вы, что можно плавить металл с помощью магнитных полей? Это кажется довольно сумасшедшим, но это возможно.

    Как это работает

    Так как же это работает? Большое количество переменного тока проходит через медную катушку, которая охлаждается водой, чтобы не перегреваться. Большое количество тока в катушке генерирует сильные магнитные импульсы. Эти магнитные импульсы заставляют электроны течь внутри куска металла. Этот внутренний поток электронов называется вихревым током. Частота магнитных импульсов настраивается в зависимости от размера объекта и состава материала.Правильная настройка частоты импульсов вызывает более сильные вихревые токи. Естественное электрическое сопротивление металла и сильные вихревые токи в конечном итоге делают металл достаточно горячим, чтобы расплавиться.

    Полезные приложения

    Индукционный нагрев является обычным явлением в промышленном мире. Его можно использовать для самых разных применений, таких как промышленные печи, сварка, приготовление пищи, установка тепла, термообработка и многое другое. Индукционный нагрев популярен, потому что он более энергоэффективен для некоторых применений, а нагревательные элементы более гибкие.Традиционные нагревательные элементы, основанные на конвекции и теплопроводности, должны быть обработаны до определенных размеров и форм. Индукционные нагреватели работают до тех пор, пока рассматриваемый объект помещается в катушку.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.