Индукционный нагрев металла мощность

Обновлено: 04.01.2025

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 H 2 от Н (значения H z надо умножить 10 5 ;10 6 ; 10 7 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 H 2 √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, е - глубина проникновения тока при μ= μ_е(табл. 2).

Отсюда , где ρ₀ взято в кВт/см 2 . Зная ρ₀ , находим 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.

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

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

Таблица 5. Значения коэффициента температуропроводности а (см 2 /с) для различных сталей

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

Индукционный нагрев металла мощность

Эффективность использования сквозного индукцион­ного нагрева в большинстве случаев определяется глав­ным образом его технологическими преимуществами Стоимость индукционного нагрева пока еще выше стой мости нагрева в электрических печах сопротивления пламенных. Однако все же во всех случаях практик где необходим нагрев металла, следует осуществлять индукционный нагрев с минимальным расходом электроэнергии. Для этого все непроизводительные потери электроэнергии необходимо свести к минимуму.

К не производительным потерям можно отнести:

1. потери при преобразовании посредством индуктора электрической энергии в тепловую;
2. потери на нагрев токоведущих элементов, пере­дающих энергию от источника тока высокой частоты к индуктору;
3. потери, вызванные холостыми пробегами высоко­частотных машинных генераторов. Эти потери могут иметь место в том случае, когда машинные генераторы используются в качестве источника ТВЧ.

Вопросы правильного использования высокочастот­ных генераторов и рационального конструирования токопроводов рассматриваются в выпуске № 10 настоя­щей серии. Поэтому здесь анализируются только источ­ники потерь, связанные с энергетическими процессами, проходящими в индукторе. Как показано ниже, эффек­тивность этих процессов определяется главным образом правильным выбором частоты тока и режима нагрева.

В настоящее время индукционным способом нагре­ваются тела различной формы: призматические, с круг­лым, прямоугольным и квадратным поперечным сечением (трубы, ленты, листы, кольца). Для тел каждой формы разработана специальная методика выбора ча­стоты тока и режима нагрева.

Круглые цилиндрические заготовки. Индуктированный ток протекает в поверхностных слоях заготовки, повышение температуры сердцевины происходит за счет теплопроводности. Если к заготовке подведена достаточно большая мощность, температура на поверхности пределах горячей глубины проникновения тока очень быстро может быть доведена до заданной. Обычно стальные заготовки перед ковкой и прокаткой необходимо нагревать до 1200° С.

Во избежание окисления поверхности и ухудшения структуры металла в процессе нагрева не допускается значительного превышения заданной температуры. По­этому после достижения поверхностным слоем заданной температуры, мощность, подводимая к заготовке, должна постепенно уменьшаться. Она определяется теперь только скоростью передачи тепла от поверхности к сердцевине и интенсивностью излучения с поверхности заготовки в окружающее пространство. При постоянстве температуры мощность излучения остается постоянной. По мере роста температуры сердцевины скорость передачи тепла от поверхности к сердцевине уменьшается.

В связи с последним явлением для полного вырав­нивания температуры сердцевины и поверхности тре­буется длительное время. Практически нагрев прекра­щают, когда перепад температуры между поверхностью и сердцевиной составляет 100-150° С. Время, необходи­мое для нагрева заготовки с заданным перепадом тем­пературы, называется временем нагрева.

В процессе передачи заготовки для последующей обработки температура поверхности вследствие отдачи тепла в окружающую среду и сердцевину падает, а температура сердцевины растет. Таким образом происходит окончательное выравнивание температуры. Электрическая энергия, подводимая к индуктору, частично передается в нагреваемую заготовку, частично pacxoдуется на нагревание индуктирующего провода. Отношение энергии, передаваемой в заготовку, ко всей энергии, подводимой к индуктору, называется электрическим к. п. д. индуктора. Энергия, переданная в заготовку, частично расходуется на повышение ее температуры, частично излучением и конвекцией рассеивается в окружающем пространстве. Отношение энергии, израсходованной на повышение температуры заготовки, ко всей энергии, пepeданной в нее из индуктора, называется термическим к. п. д. индуктора. Отношение энергии, затраченной на повышение температуры заготовки, ко всей энергии, подведенной к индуктору, называется полным к. п. д. индуктора. Полный к. п. д. индуктора равен произведению электрического и термического к. п. д.

Электрический к. п. д. растет с увеличением частоты и достигает предельного значения, когда отношение диаметра нагреваемой заготовки к горячей глубине проникновения тока равно десяти.

Термический к. п. д. тем выше, чем меньше потери тепла вследствие рассеивания энергии с поверхности заготовки. Эти потери пропорциональны средней во времени температуре на поверхности, ее площади, а также времени нагрева.

Режим нагрева, при котором температура на поверхности в пределах горячей глубины проникновения тока быстро поднимается до заданной, а затем coxpaняется постоянной, называется нагревом при постоянной температуре.

При той же частоте тока можно мощность подобрать таким образом, чтобы температура поверхности и серд­цевины, постепенно поднимаясь, одновременно дости­гала заданных значений. Ввиду того, что такой режим нагрева используется чаще, чем нагрев при постоян­ной температуре, его принято называть обычным на­гревом.

Нагрев при постоянной температуре позволяет на­гревать заготовку за минимальное время. Большой гра­диент температуры обеспечивает быструю передачу тепла от поверхности к сердцевине. Поэтому среди всех возможных режимов нагрева током данной частоты ре­жим при постоянной температуре будет иметь самый высокий термический к. п. д. Однако уменьшая частоту, можно увеличить горячую глубину проникновения тока. При этом меньший объем металла будет нагреваться за счет теплопроводности. Время нагрева уменьшится, а следовательно, термический к. п. д. возрастет. Это по­казывает, что величина термического к. п. д. также за­висит от отношения диаметра нагреваемой заготовки горячей глубине проникновения тока. Чем больше это отношение, тем термический к. п. д. меньше.

Таким образом, при увеличении отношения диаметра нагреваемой заготовки к «горячей» глубине проникно­вения электрический к. п. д. возрастает, а термический к. п. д. падает. Это обстоятельство позволяет для каж­дого диаметра заготовки установить полосу частот тока, в пределах которой полный к. п. д., равный произведе­нию электрического и термического коэффициентов полезного действия, имеет достаточно высокое зна­чение.

Нагрев заготовок в этом случае будет осуще­ствляться с потерями в, допустимых пределах.

При обычном индукционном нагреве к. п. д. будет достаточно высоким, если отношение диаметра нагре­ваемой заготовки к «горячей» глубине проникновения тока лежит в пределах от 3,5 до 5,0. В отдельных слу­чаях, когда нежелательно вводить дополнительную частоту тока, диапазон нагреваемых диаметров может быть расширен.

Диаметры заготовок, для индукционного нагрева которых могут быть использованы стандартные частоты тока, указаны в табл. 1.

При индукционном нагреве с постоянной темпера­турой на поверхности, вследствие наличия большего градиента температуры и меньшего времени нагрева можно допустить использование каждой из частот тока для нагрева заготовок большего диаметра.

Таблица 1.
Диаметры заготовок, для индукционного нагрева которых могут быть использованы стандартные частоты тока, при „обычном" нагреве

Индукционный нагрев + технология бесконтактной плавки

Индукционный нагрев — метод быстрого, эффективного, бесконтактного прогрева проводящих материалов — металлов и полупроводников. Основой метода является принцип применения флуктуирующего магнитного поля. Методика считается предпочтительной технологией прогрева среди всех других, существующих на текущий момент времени.

Исторические памятки на заметку

Применяется отмеченная техника плавки в промышленности, медицине, бытовой сфере, благодаря выраженным преимуществам по сравнению с традиционными методами прогрева:

• резистивным,
• пламенным,
• печным и другими.

Индукционный нагрев особенно полезен для выполнения высокоточных или повторяющихся операций.

Индукционный нагрев впервые применил Майкл Фарадей – физик и химик в одном лице – выходец из Великобритании. Учёный обнаружил уникальное свойство нагрева в момент изучения индукции токов в проводах под действием магнита.

Однако базовые принципы индукционного нагрева чуть позже представил Джеймс Максвелл в единой теории электромагнетизма. В то же время Джеймс П. Джоуль первым описал эффект прогрева током, протекающим через проводящий материал.

На момент 1887 года, Себастьян Зиани де Ферранти предложил индукционный нагрев как метод плавки металлов. Первую полнофункциональную индукционную печь соорудил и представил обществу (1891 год) Ф. А. Кьеллин, Первое применение высокочастотной печи реализовано Эдвином Ф. Нортрупом (1916 год).

Разработка твердотельных генераторов с использованием новых технологий силовых полупроводников обеспечила потенциал за пределами промышленной среды. С конца 1980-х годов появились различные предложения к применению.

Последние годы фиксируется особый интерес к индукционному нагреву под медицинские процедуры, поскольку этот метод обеспечивает точное и целевое локальное прогревание.

Основы технологии индукционного нагрева

Технология индукционного нагрева требует источника переменного тока, пропускаемого через катушку индуктивности. В результате катушка индуктивности генерирует переменное магнитное поле, что приводит к следующему эффекту:

Вот такого эффекта, к примеру, удаётся достичь посредством использования описываемой технологии работы с металлами, элементами полупроводниками

Когда объект помещается в область этого поля, возникают два эффекта прогрева:

1. Гистерезисные потери, которые неизбежно возникают только в магнитных материалах, подобных железу, никелю, кобальту и т. д. Причина потерь — трение между молекулами, когда материал постоянно намагничивается в разных направлениях. Более высокая частота колебаний магнитного поля приводит к более быстрому движению частиц, что вызывает значительное трение и, следовательно, выделение большого количества тепла.
2. Потери на вихревые токи, которые возникают как эффект Джоуля в любом проводящем материале из-за влияния электрических токов, вызванных флуктуирующим магнитным полем.

Оба эффекта приводят к прогреву обработанного объекта, но второй чаще всего является основным источником тепла в процессах индукционного нагрева. Кроме того, гистерезис не наблюдается в немагнитных материалах.

Магнитные материалы теряют магнитную специфичность при прогревании выше определённой температуры (точка Кюри).

Принцип получения прогрева: 1, 2 – переменный ток; 3 – объект, подлежащий воздействию магнитным полем; 4 – магнитные потоки; 5 – вихревые токи

Вихревые токи также зависят от частоты магнитного поля по причине скин-эффекта: на высоких частотах токи протекают вблизи поверхности проводника.

Эта специфика используется для контроля глубины проникновения процесса индукционного нагрева. В результате прогревается либо весь объект, либо только конкретная часть (например, область поверхности).

Индукционный нагрев: использование для различных применений

Таким образом, индукционный нагрев может использоваться для различных применений:

,
• пайки,
• поверхностного упрочнения и т.д.

Проводникам индукционной катушки также присущ скин-эффект. Поэтому вместо сплошных проводов следует использовать трубы. Когда ток протекает через индуктор, аналогичные резистивные потери наблюдаются из-за эффекта Джоуля. Для предотвращения расплавления и повреждения катушки часто применяется водяное охлаждение.

Принципиальная схема установки для бытового применения, собираемая из электронных компонентов вполне доступных для приобретения на коммерческом рынке

Учитывая обширное наличие электрических (электронных) компонентов, доступных простому обывателю, есть все возможности для создания системы индукционного нагрева своими руками для бытового применения. Возможная для выполнения схема бытового устройства относительно небольшой мощности представлена выше.

Индукционный нагрев – преимущественные стороны

Если рассматривать индукционную технологию и сравнивать с некоторыми классическими технологиями нагрева:

• резистивный,
• пламенный,
• печной и т. д.

Индукционный нагрев выделяют следующие преимущества:

1. Малое время процесса, когда благодаря индукционному нагреву, объект прогревается напрямую, что приводит к сокращению как времени прогрева, так и потерь тепла. Этот метод обеспечивает высокую плотность мощности и низкую (практически нулевую) тепловую инерцию.
2. Высокий КПД (значение выше 90%) достигается благодаря правильной конструкции силового преобразователя и катушки. Кроме того, высокие температуры могут достигаться быстро и легко, учитывая существенное снижение потерь тепла в окружающую среду.
3. Высокий уровень управления — точное регулирование мощности прогрева, достигается с помощью соответствующей конструкции катушки и управления силовым преобразователем. В результате допустимо реализовать дополнительные функции: локальный прогрев, предварительный прогрев, предварительно определенные температурные профили.
4. Благодаря опции промышленной автоматизации, индукционный нагрев позволяет улучшить как производительность, так и качество процессов. Качество продукта гарантируется, поскольку прогревание осуществляется бесконтактным способом (без вмешательства технологического инструмента).
5. Безопасность и чистота обеспечиваются в процессе, учитывая отсутствие теплового загрязнения (загрязнения воздуха), так как объект прогревается напрямую, без использования топливных ресурсов.

Инновации технологии индукционного нагрева и будущее развитие

Даже с учётом того, что системы индукционного нагрева уже достигли зрелости в качестве технологии, развитие современных технологий постоянно сопровождается возможностями для новых направлений исследований.

Ближайшие годы обещают пополниться следующими темами, которые, как ожидается, должны представлять значительный интерес для индустриального сектора.

Повышение эффективности применения

Совершенство технологий производства полупроводников обещает появление систем индукционного нагрева более высокой эффективности. Кроме того, специальные формы и конструкции катушки индуктивности также обеспечат повышение эффективности технологии.

В результате улучшения следует ждать не только в плане производительности, но и в плане надежности систем индукционного нагрева.

Индустриальные машины, относящиеся к описываемой технологии, то есть – поддерживающие индукционный нагрев, уже несколько последних лет отмечаются активным совершенствованием

Технологические нагреватели, наделённые несколькими катушками – это:

• лучшее распределение тепла,
• более высокая производительность,
• гибкость процессов,

при использовании нескольких одновременно работающих катушек.

Такие системы представляют значительный технологический прорыв и всё чаще применяются не только в промышленности, но и в бытовом секторе. Однако не обходится и без проблем.

Так, следует приложить усилия для оптимизации конструкции преобразователя мощности с несколькими выходами и передовые алгоритмы управления. Другая проблема для внимательного рассмотрения, — это эффект связи между отдельными катушками.

Совершенство процесса управления и расширение применения

Усовершенствованное управление требует внедрения надёжных алгоритмов управления для обеспечения правильной работы преобразователя мощности под различные нагрузки индукционного нагрева и рабочих точек.

Управление системами, где используются несколько катушек, является еще одной проблемой. Ожидается повышение производительности и оптимизация переходных процессов за счёт внедрения блоков управления идентификацией в реальном времени с адаптивными алгоритмами.

Ожидается, что диапазон применения индукционного нагрева будет увеличиваться с ростом технологий. Прогрев материалов с низким удельным сопротивлением, а также прогрев биологических тканей, используемых для медицинских целей, являются вопросами, представляющими особый интерес.

Есть ещё другие применения, которые нуждаются в дальнейших исследованиях для оптимизации параметров процесса.

Индукционный нагрев, основные принципы и технологии.

Индукционный нагрев (Induction Heating) — метод бесконтактного нагрева токами высокой частоты (англ. RFH — radio-frequency heating, нагрев волнами радиочастотного диапазона) электропроводящих материалов.

Индукционный нагрев - это нагревание материалов электрическими токами, которые индуцируются переменным магнитным полем. Следовательно - это нагрев изделий из проводящих материалов (проводников) магнитным полем индукторов (источников переменного магнитного поля). Индукционный нагрев проводится следующим образом. Электропроводящая (металлическая, графитовая) заготовка помещается в так называемый индуктор, представляющий собой один или несколько витков провода (чаще всего медного). В индукторе с помощью специального генератора наводятся мощные токи различной частоты (от десятка Гц до нескольких МГц), в результате чего вокруг индуктора возникает электромагнитное поле. Электромагнитное поле наводит в заготовке вихревые токи. Вихревые токи разогревают заготовку под действием джоулева тепла (см. закон Джоуля-Ленца).

Система «индуктор-заготовка» представляет собой бессердечниковый трансформатор, в котором индуктор является первичной обмоткой. Заготовка является вторичной обмоткой, замкнутой накоротко. Магнитный поток между обмотками замыкается по воздуху.

На высокой частоте вихревые токи вытесняются образованным ими же магнитным полем в тонкие поверхностные слои заготовки Δ (Поверхностный-эффект), в результате чего их плотность резко возрастает, и заготовка разогревается. Нижерасположенные слои металла прогреваются за счёт теплопроводности. Важен не ток, а большая плотность тока. В скин-слое Δ плотность тока уменьшается в e раз относительно плотности тока на поверхности заготовки, при этом в скин-слое выделяется 86,4 % тепла (от общего тепловыделения. Глубина скин-слоя зависит от частоты излучения: чем выше частота, тем тоньше скин-слой. Также она зависит от относительной магнитной проницаемости μ материала заготовки.

Для железа, кобальта, никеля и магнитных сплавов при температуре ниже точки Кюри μ имеет величину от нескольких сотен до десятков тысяч. Для остальных материалов (расплавы, цветные металлы, жидкие легкоплавкие эвтектики, графит, электролиты, электропроводящая керамика и т. д.) μ примерно равна единице.

Например, при частоте 2 МГц глубина скин-слоя для меди около 0,25 мм, для железа ≈ 0,001 мм.

Индуктор сильно нагревается во время работы, так как сам поглощает собственное излучение. К тому же он поглощает тепловое излучение от раскалённой заготовки. Делают индукторы из медных трубок, охлаждаемых водой. Вода подаётся отсасыванием — этим обеспечивается безопасность в случае прожога или иной разгерметизации индуктора.

Применение:
Сверхчистая бесконтактная плавка, пайка и сварка металла.
Получение опытных образцов сплавов.
Гибка и термообработка деталей машин.
Ювелирное дело.
Обработка мелких деталей, которые могут повредиться при газопламенном или дуговом нагреве.
Поверхностная закалка.
Закалка и термообработка деталей сложной формы.
Обеззараживание медицинского инструмента.

Высокоскоростной разогрев или плавление любого электропроводящего материала.

Возможен нагрев в атмосфере защитного газа, в окислительной (или восстановительной) среде, в непроводящей жидкости, в вакууме.

Нагрев через стенки защитной камеры, изготовленной из стекла, цемента, пластмасс, дерева — эти материалы очень слабо поглощают электромагнитное излучение и остаются холодными при работе установки. Нагревается только электропроводящий материал — металл (в том числе расплавленный), углерод, проводящая керамика, электролиты, жидкие металлы и т. п.

За счёт возникающих МГД усилий происходит интенсивное перемешивание жидкого металла, вплоть до удержания его в подвешенном состоянии в воздухе или защитном газе — так получают сверхчистые сплавы в небольших количествах (левитационная плавка, плавка в электромагнитном тигле).

Поскольку разогрев ведётся посредством электромагнитного излучения, отсутствует загрязнение заготовки продуктами горения факела в случае газопламенного нагрева, или материалом электрода в случае дугового нагрева. Помещение образцов в атмосферу инертного газа и высокая скорость нагрева позволят ликвидировать окалинообразование.

Удобство эксплуатации за счёт небольшого размера индуктора.

Индуктор можно изготовить особой формы — это позволит равномерно прогревать по всей поверхности детали сложной конфигурации, не приводя к их короблению или локальному непрогреву.

Легко провести местный и избирательный нагрев.

Так как наиболее интенсивно разогрев идет в тонких верхних слоях заготовки, а нижележащие слои прогреваются более мягко за счёт теплопроводности, метод является идеальным для проведения поверхностной закалки деталей (сердцевина при этом остаётся вязкой).

Лёгкая автоматизация оборудования — циклов нагрева и охлаждения, регулировка и удерживание температуры, подача и съём заготовок.

Установки индукционного нагрева:

На установках с рабочей частотой до 300 кГц используют инверторы на IGBT-сборках или MOSFET-транзисторах. Такие установки предназначены для разогрева крупных деталей. Для разогрева мелких деталей используются высокие частоты (до 5 МГц, диапазон средних и коротких волн), установки высокой частоты строятся на электронных лампах.

Также для разогрева мелких деталей строятся установки повышенной частоты на MOSFET-транзисторах на рабочие частоты до 1,7 МГц. Управление транзисторами и их защита на повышенных частотах представляет определённые трудности, поэтому установки повышенной частоты пока ещё достаточно дороги.

Индуктор для нагрева мелких деталей имеет небольшие размеры и небольшую индуктивность, что приводит к уменьшению добротности рабочего колебательного контура на низких частотах и снижению КПД, а также представляет опасность для задающего генератора (добротность колебательного контура пропорциональна L/C, колебательный контур с низкой добротностью слишком хорошо «накачивается» энергией, образует короткое замыкание по индуктору и выводит из строя задающий генератор). Для повышения добротности колебательного контура используют два пути:
- повышение рабочей частоты, что приводит к усложнению и удорожанию установки;
- применение ферромагнитных вставок в индукторе; обклеивание индуктора панельками из ферромагнитного материала.

Так как наиболее эффективно индуктор работает на высоких частотах, промышленное применение индукционный нагрев получил после разработки и начала производства мощных генераторных ламп. До первой мировой войны индукционный нагрев имел ограниченное применение. В качестве генераторов тогда использовали машинные генераторы повышенной частоты (работы В. П. Вологдина) или искровые разрядные установки.

Схема генератора может быть в принципе любой (мультивибратор, RC-генератор, генератор с независимым возбуждением, различные релаксационные генераторы), работающей на нагрузку в виде катушки-индуктора и обладающей достаточной мощностью. Необходимо также, чтобы частота колебаний была достаточно высока.

Например, чтобы «перерезать» за несколько секунд стальную проволоку диаметром 4 мм, необходима колебательная мощность не менее 2 кВт при частоте не менее 300 кГц.

Выбирают схему по следующим критериям: надёжность; стабильность колебаний; стабильность выделяемой в заготовке мощности; простота изготовления; удобство настройки; минимальное количество деталей для уменьшения стоимости; применение деталей, в сумме дающих уменьшение массы и габаритов, и др.

На протяжении многих десятилетий в качестве генератора высокочастотных колебаний применялась индуктивная трёхточка (генератор Хартли, генератор с автотрансформаторной обратной связью, схема на индуктивном делителе контурного напряжения). Это самовозбуждающаяся схема параллельного питания анода и частотно-избирательной цепью, выполненной на колебательном контуре. Она успешно использовалась и продолжает использоваться в лабораториях, ювелирных мастерских, на промышленных предприятиях, а также в любительской практике. К примеру, во время второй мировой войны на таких установках проводили поверхностную закалку катков танка Т-34.

Недостатки трёх точки:

Низкий кпд (менее 40 % при применении лампы).

Сильное отклонение частоты в момент нагрева заготовок из магнитных материалов выше точки Кюри (≈700С) (изменяется μ), что изменяет глубину скин-слоя и непредсказуемо изменяет режим термообработки. При термообработке ответственных деталей это может быть недопустимо. Также мощные твч-установки должны работать в узком диапазоне разрешённых Россвязьохранкультурой частот, поскольку при плохом экранировании являются фактически радиопередатчиками и могут оказывать помехи телерадиовещанию, береговым и спасательным службам.

При смене заготовок (например, более мелкой на более крупную) изменяется индуктивность системы индуктор-заготовка, что также приводит к изменению частоты и глубины скин-слоя.

При смене одновитковых индукторов на многовитковые, на более крупные или более малогабаритные частота также изменяется.

Под руководством Бабата, Лозинского и других учёных были разработаны двух- и трёхконтурные схемы генераторов, имеющих более высокий кпд (до 70 %), а также лучше удерживающие рабочую частоту. Принцип их действия состоит в следующем. За счёт применения связанных контуров и ослабления связи между ними, изменение индуктивности рабочего контура не влечёт сильного изменения частоты частотозадающего контура. По такому же принципу конструируются радиопередатчики.

Недостаток многоконтурных систем — повышенная сложность и возникновение паразитных колебаний УКВ-диапазона, которые бесполезно рассеивают мощность и выводят из строя элементы установки. Также такие установки склонны к затягиванию колебаний — самопроизвольному переходу генератора с одной из резонансных частот на другую.

Современные твч-генераторы — это инверторы на IGBT-сборках или мощных MOSFET-транзисторах, обычно выполненные по схеме мост или полумост. Работают на частотах до 500 кГц. Затворы транзисторов открываются с помощью микроконтроллерной системы управления. Система управления в зависимости от поставленной задачи позволяет автоматически удерживать

а) постоянную частоту
б) постоянную мощность, выделяемую в заготовке
в) максимально высокий КПД.

Например, при нагреве магнитного материала выше точки Кюри толщина скин-слоя резко увеличивается, плотность тока падает, и заготовка начинает греться хуже. Также пропадают магнитные свойства материала и прекращается процесс перемагничивания - заготовка начинает греться хуже, сопротивление нагрузки скачкообразно уменьшается - это может привести к "разносу" генератора и выходу его из строя. Система управления отслеживает переход через точку Кюри и автоматически повышает частоту при скачкообразном уменьшении нагрузки (либо уменьшает мощность).

Индуктор по возможности необходимо располагать как можно ближе к заготовке. Это не только увеличивает плотность электромагнитного поля вблизи заготовки (пропорционально квадрату расстояния), но и увеличивает коэффициент мощности Cos(φ).

Увеличение частоты резко уменьшает коэффициент мощности (пропорционально кубу частоты).

При нагреве магнитных материалов дополнительное тепло также выделяется за счет перемагничивания, их нагрев до точки Кюри идет намного эффективнее.

При расчёте индуктора необходимо учитывать индуктивность подводящих к индуктору шин, которая может быть намного больше индуктивности самого индуктора (если индуктор выполнен в виде одного витка небольшого диаметра или даже части витка — дуги).

Имеются два случая резонанса в колебательных контурах: резонанс напряжений и резонанс токов.
Параллельный колебательный контур – резонанс токов.
В этом случае на катушке и на конденсаторе напряжение такое же, как у генератора. При резонансе, сопротивление контура между точками разветвления становится максимальным, а ток (I общ) через сопротивление нагрузки Rн будет минимальным (ток внутри контура I-1л и I-2с больше чем ток генератора).

В идеальном случае полное сопротивление контура равно бесконечности - схема не потребляет тока от источника. При изменение частоты генератора в любую сторону от резонансной частоты полное сопротивление контура уменьшается и линейный ток (I общ) возрастает.

Последовательный колебательный контур – резонанс напряжений.

Главной чертой последовательного резонансного контура является то, что его полное сопротивление минимально при резонансе. (ZL + ZC – минимум). При настройке частоты на величину, превышающую или лежащую ниже резонансной частоты, полное сопротивление возрастает.
Вывод:
В параллельном контуре при резонансе ток через выводы контура равен 0, а напряжение максимально.
В последовательном контуре наоборот - напряжение стремится к нулю, а ток максимален.

Индукционный нагреватель металла + схема

Технология индукционного нагрева быстро наращивает популярность, благодаря многим преимуществам практического использования. Причём этот метод работы с металлами привлекает не столько промышленную индустрию, сколько частный бытовой сектор. Однако условия создания аппаратных установок в обоих случаях существенно отличаются. В отличие от промышленного сектора, частникам, работающим в быту, требуется аппаратура относительно небольшой мощности, простая по исполнению, доступная по цене. Здесь описывается схема на индукционный нагреватель мощностью 1600 Вт, которая вполне реализуется в домашних условиях. Это своего рода пример, демонстрирующий, как создать аппарат под индукционный нагрев для применения в быту.

Принцип технологии индукционный нагрев

Принцип технологии индукционного нагрева достаточно прост с физической точки зрения. Образованная из проводника тока катушка генерирует высокочастотное магнитное поле. В свою очередь, металлический объект, помещённый во внутреннюю область катушки, индуцирует вихревые токи. В результате объект сильно нагревается.

Параллельно с катушкой индуктивности, как правило, включается резонансная ёмкость. Предпринимается такой шаг для компенсации индуктивного характера катушки. Резонансная цепь, созданная элементами катушка-конденсатор, возбуждается на собственной резонансной частоте. Значение тока возбуждения существенно меньше, чем значение тока, протекающего через катушку индуктивности.

Схема индукционного простого нагревателя мощностью 1600 Вт

Представленную схему следует рассматривать, скорее, как экспериментальный вариант. Тем не менее, этот вариант является вполне работоспособным. Главные преимущества схемы:

• относительная простота,
• доступность деталей,
• лёгкость сборки.

Схема индукционного нагревателя (картинка ниже) работает по принципу «двойного полумоста», дополненного четырьмя силовыми транзисторами с изолированным затвором из серии IGBT (STGW30NC60W). Транзисторы управляются посредством микросхемы IR2153 (самостоятельно тактируемый полумостовой драйвер).

Схематически представленный упрощённый индукционный нагреватель малой мощности, конструкция которого допускает применение в условиях частных хозяйств

Двойной полумост способен обеспечить ту же мощность, что и полный мост, но тактируемый полумостовой драйвер затвора проще в исполнении и, соответственно, в применении. Мощный двойной диод типа STTH200L06TV1 (2x 120A) работает как схема антипараллельных диодов.

Гораздо меньших по мощности диодов (30А) будет вполне достаточно. Если предполагается использовать транзисторы серии IGBT со встроенными диодами (например, STGW30NC60WD), от этого варианта вполне можно отказаться.

Рабочая частота резонанса настраивается с помощью потенциометра. Наличие резонанса определяется по наиболее высокой яркости светодиодов.

Электронные компоненты простого индукционного нагревателя, создаваемого своими руками: 1 — Мощный двойной диод типа STTH200L06TV1; 2 – транзистор со встроенными диодами тип STGW30NC60WD

Конечно, всегда остаётся возможность построения более сложного драйвера. Вообще, оптимальным видится решение использовать автоматическую настройку. Таковая, как правило, используется в схемах профессиональных индукционных нагревателей, но текущая схема, в случае такой модернизации, явно утрачивает фактор простоты.

Регулировка частоты, катушка индуктивности, мощность

Схемой индукционного нагревателя предусматривается регулировка частоты в диапазоне, примерно, 110 — 210 кГц. Однако схема управления требует вспомогательного напряжения 14-15В, получаемого от небольшого адаптера (коммутатор допускает коммутируемое исполнение или обычное).

Выход схемы индукционного нагревателя подключается к рабочей цепи катушки через согласующий дроссель L1 и трансформатор изолирующего действия. Дроссель имеет 4 витка провода на сердечнике диаметром 23 см, изолирующий трансформатор состоит из 12 витков двухжильного кабеля, намотанного на сердечнике диаметром 14 см.

Выходная мощность индукционного нагревателя с указанными параметрами составляет около 1600 Вт. Между тем не исключаются возможности наращивания мощности до более высоких значений.

Экспериментальная конструкция индукционного нагревателя, изготовленная своими руками в домашних условиях. Эффективность устройства достаточно высокая, несмотря на малую мощность

Рабочая катушка индукционного нагревателя изготовлена из проволоки диаметром 3,3 мм. Лучшим материалом исполнения катушки видится медная труба, для которой допускается применить простую систему водяного охлаждения. Катушка индуктивности имеет:

• 6 витков намотки,
• диаметр 24 мм,
• высоту 23 мм.

Для этого элемента схемы характерным явлением видится существенный нагрев по мере работы установки в активном режиме. Этот момент следует учитывать, выбирая материал для изготовления.

Модуль резонансного конденсатора

Резонансный конденсатор сделан в виде батареи небольших конденсаторов (модуль собран из 23 малых конденсаторов). Общая ёмкость батареи равна 2,3 мкФ. В конструкции допускается использование конденсаторов ёмкостью 100 нФ (~ 275В, полипропилен МКП, класс X2).

Этот тип конденсаторов не предназначен для таких целей, как применение в схеме индукционного нагревателя. Однако, как показала практика, отмеченный тип элементов ёмкости вполне удовлетворяет работой на резонансной частоте 160 кГц. Рекомендуется использовать ЭМИ фильтр.

Фильтр электромагнитного излучения. Примерно такой рекомендуется использовать в конструкции индукционного нагревателя с целью минимизации помех

Регулируемый трансформатор допускается заменить схемой «мягкого» старта. Например, можно рекомендовать прибегнуть к использованию схемы простого ограничителя тока:

• нагреватели,
• галогенные лампы,
• другие приборы,

мощностью около 1 кВт, подключаемые последовательно с индукционным нагревателем при первом включении.

Предупреждение о мерах безопасности

Изготавливая индукционный нагреватель по представленной схеме, следует помнить: контур схемы индукционного нагрева подключается к электрической сети и находится под высоким напряжением. Настоятельно рекомендуется использовать в конструкции потенциометр с изолированным стержнем.

Высокочастотное электромагнитное поле несёт вредный потенциал, способный повредить электронные устройства и носители информации. Представленная схема, учитывая простоту реализации, несёт значительные электромагнитные помехи. Этот фактор может привести к различным аварийным последствиям:

• поражению электрическим током,
• ожогам,
• возгораниям.

Поэтому, прежде чем принять решение по созданию и проведению экспериментов с индукционным нагревателем, следует обеспечить полную безопасность для конечного пользователя и окружающих.

Видео: индукционный нагреватель сварочным инвертором

Представленный выше видеоролик – демонстрация работоспособности устройства по нагреву металла. Это устройство изготовлено посредством переделки сварочного инвертора, и как отмечает автор, действует вполне эффективно:

Заключительный штрих

Таким образом, сооружение индукционного нагревателя своими руками для расплавления металла в домашних условиях – это не фантастическая идея, но вполне реализуемое дело. При желании, наличии соответствующей информации, комплектующих деталей, собрать работоспособный нагреватель вполне допустимо.

При помощи информации: Danyk

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Читайте также:

  
• Узел металлической фермы с колонной
  
• Прибавка на коррозию металла сосуда
  
• Урна металлическая для мусора характеристики
  
• Газокислородная резка металла оборудование
  
• Металлические и пластиковые кофры