Что такое индукционный нагрев

Индукционный нагрев – это электрический нагрев с применением электромагнитной индукции. Если поместить предмет из электропроводного материала внутрь катушки, по обмотке которой проходит переменный ток, во вложенном в полость катушки предмете переменным магнитным полем индуцируются вихревые токи. В сущности, речь идет о трансформаторе, в котором вторичной обмоткой является заготовка (обмотка, замкнутая накоротко), а первичной обмоткой является катушка, которая в индукционных нагревателях называется индуктором. Вихревые токи нагревают вложенный предмет (заготовку). Тепло к заготовке подводится переменным магнитным полем, а не градиентом температуры, как при непрямых нагревах, и возникает прямо в заготовке. Все остальное вокруг может быть холодным. Это значительное преимущество индукционного нагрева.

Тепло в заготовке не образуется равномерно по всему сечению. Напр.: при нагреве заготовки цилиндрической формы наибольшая плотность тока будет на поверхности, а к середине снижается приблизительно экспоненциально. Это явление называется скин-эффект.

j_x = J_o e^-kx

Глубина, в которой плотность тока снижается до значения J_o/e, т.е., на 0,368 плотности на поверхности, называется глубиной проникновения δ

где:

• ω = 2πf угловая частота, f - частота
• ρ удельное сопротивление материала заготовки
• µ_o проницаемость вакуума (4π x 10-7Hm-1)
• µ_r удельная проницаемость материала заготовки.

На практике целесообразно это отношение откорректировать:

В поверхностном слое толщины одной глубины проникновения образуется 86,5% всего тепла, в слое двух глубин проникновения δ 98%, в слое 3δ 99,8 % (относится к цилиндру с диаметром более 8 δ).

Очевидно, что глубина проникновения зависит от частоты тока индуктора и от удельного сопротивления и относительной проницаемости материала заготовки при рабочей температуре заготовки.

Для наглядности приведем глубину проникновения меди и углеродной стали (мм):

С точки зрения эксплуатационных затрат представляет интерес эффективность нагрева. Приблизительно эффективность η можно оценить с помощью отношения

где:

• D внутренний диаметр катушки индуктора
• d диаметр заготовки
• δ глубина проникновения
• ρ₁ удельное сопротивление материала индуктора
• ρ₂ удельное сопротивление материала заготовки
• µ_r относительная проницаемость материала заготовки.

Эффективность снижается с увеличением отношения D/d, потому что уменьшается связь магнитного поля индуктора с заготовкой. Поэтому не выгодно использовать один индуктор для большого диапазона диаметров заготовки. Эффективность снижается и при увеличении отношения δ/d. Низкое значение δ/d используется, например, для поверхностной закалки, при которой происходит быстрый процесс нагрева, а потом охлаждение тонкого поверхностного слоя.

Для формовки (ковки) необходимо, чтобы материал был прогрет по возможности равномерно. Поэтому выбирается более медленный нагрев, чтобы тепло могло разойтись к середине заготовки. Ровномерности нагрева способствует и увеличение глубины проникновения. Выбирается компромисс частоты для достижения необходимого прогрева при хорошей эффективности переноса энергии от индуктора к заготовке.

Практика показала, что для нагрева углеродной стали до 1200°C экономичным является следующий диапазон размеров заготовки:

У заготовки плоской формы толщина шины должна более чем в 2,5 раза превышать глубину проникновения. При малой толщине возникает так называемая проницаемость и эффект нагрева снижается, что необходимо учитывать при выборе оборудования.

Для питания индуктора более высокой, чем в распределительной сети (50 Hz), частотой применяются статические преобразователи частоты - тиристорные или транзисторные.

ROBOTERM spol. s r.o. , г. Хотеборж производит преобразователи частоты с тиристорами от 25 до 1200 kW с частотой до 8 kHz и с транзисторами до 200 kW с частотой до 25 kHz .

Индукционный нагрев позволяет хорошо стабилизировать температуру нагреваемых предметов. Для управления процессом восновном применяются свободно программируемые автоматы. Температура в большинстве случаев измеряется бесконтактным способом – пирометрами. При нагреве алюминия и его сплавов используются так же термопары.

Одним из преимуществ индукционного нагрева является возможность его механизации, а в некоторых случаях и автоматизации. Последняя уменьшает необходимость человеческого труда и для очень мощного оборудования просто необходима.

На практике индукционный нагрев используется в следующих областях:

• для формовки – возможно самая широкая область применения, важным является ровномерное прогревание заготовки
• для плавления железных и не железных металлов, с низкой и средней частотой
• для поверхностной закалки – ROBOTERM spol. s r.o., г. Хотеборж при производстве оборудования для закалки сотрудничает также и с приглашенными технологами
• для пайки – между спаиваемыми металлическими частями вкладывается припой, детали помещаются в индуктор и припой расплавляется
• для горячего прессования – используется тепловое расширение металлов
• специальные технологии – сварка, плазма, вакуумная плавка, поддерживание температуры расплавленного стекла. Этими технологиями ROBOTERM spol. s r.o., г. Хотеборж пока еще не занимался.