Индукционный нагрев, основные принципы и технологии. Индукционный нагрев и индукционная плавка металлов

Прежде чем разговаривать о принципе работы индукционного нагрева следует вообще выяснить, что же это такое. – это процесс технологичной обработки металлов под воздействием высоких температур. На производстве индукционный нагрев используется для сварки, плавки, пайки ТВЧ, закалки, ковки, деформации и термообработки. Современные предприятия по обработке металла используют индукционный нагрев, потому что он смог привлечь своими достоинствами,

среди которых хочется отметить высокую скорость работу, хорошие результаты, энергетическую эффективность оборудования, а также автоматизированный контроль над рабочим процессом.
Принципы индукционного нагрева для производственных процессов применяются примерно с 20-х годов. В период Второй мировой войны ученые старались как можно быстрее развивать новейшие технологии, чтобы использоваться их в сложившейся ситуации. Как раз во время войны возникла острая необходимость в изобретении надежного и быстрого процесса, дающего возможность получать более прочные металлические изделия.
В настоящее время ученые нацелены на поиск технологий, позволяющих производить все необходимые технологичные процессы со сбережением природных ресурсов и времени. Конечно же, повышенный контроль качества также оказал немаловажное влияние на создание оборудования, способного производить быструю, экономичную и качественную работу. На сегодняшний день индукционный нагрев активно применяется производителями на металлургических предприятиях.

Как работает индукционный нагрев

Переменный ток, подающийся от генератора электрической энергии, оказывает воздействие на первичную обмотку трансформатора, создавая мощное электромагнитное поле. Применяя на практике закон Фарадея о воздействии на вторичную обмотку, размещенную внутри образовавшегося магнитного поля, можно получить электрическую энергию.
Если рассматривать стандартную конструкцию индукционного нагревателя , то будет видно, что переменный ток проходит через индуктор (который, как правило, выполнен в виде медной катушки) и образует тепловую энергию в металлическом изделии, размещенном в индукторе. В данном случае индуктор – это первичная обмотка трансформатора, а размещенная в нем деталь – вторичная.
Электромагнитное поле, проходящее через металлическое изделие, создает в нем так называемые токи Фуко. Токи Фуко имеют направление противоположное электрическому сопротивлению металла. Тепловая энергия образуется непосредственно в металле без достижения прямого контакта между металлом и индуктором. Данный эффект принято называть «Эффектом Джоуля», так как он основан на первом законе ученого.

Индукционный нагрев - достоинства

Выше мы уже говорили о том, что масштабное применение индукционного нагрева началось не просто так, и всему причиной стали достоинства, которыми обладает индукционное оборудование. Ниже мы более подробно рассмотрим эти преимущества.
Какими же преимуществами обладает оборудование индукционного нагрева, если сравнивать его с альтернативными способами обработки металла?

1. Высокая производительность. Индукционный нагрев позволяет повысить производительность предприятия благодаря быстрому запуску установок и нагреву изделий за короткий промежуток времени. Нагрев происходит почти мгновенно после запуска установки. Нет необходимости предварительно нагревать или охлаждать оборудование.
2. Прочность конструкции. Тепловая энергия, как уже было рассмотрено выше, образуется непосредственно в металле, что позволяет сохранить целостность изделия. При использовании индукционного нагревателя в производстве получается минимальное количество брака. Чтобы получить максимальный эффект от обработки металла можно размещать металл в специальной вакуумной среде, защищая его тем самым от окисления.
3. Высокая энергетическая эффективность. Индукционный нагреватель позволяет экономить электрическую энергию, используя лишь ее малое количество для образования мощного электромагнитного поля. Все ожидания после запуска установки сведены к минимуму, что так же экономит производственные ресурсы, и позволяет получить изделие с более низкой себестоимостью.
4. Автоматизированный рабочий процесс. Благодаря программному обеспечению, установленному в индукционную установку, весь рабочий процесс может контролироваться автоматически, что дает возможность получения более точных результатов обработки.
5. Чистая экология. Индукционный нагрев безопасен с экологической точки зрения. Во время работы индукционной установки в воздух не выделяются никакие вредные вещества, а так как открытого пламени нет, то отсутствует и задымление. Индукционный нагреватель имеет высокий уровень пожаробезопасности.

Индукционный нагрев – это отличный современный способ, позволяющий производить качественную и быструю обработку металла высокими температурами.
Задать любой интересующий вопрос, касающийся индукционного оборудования, вы можете на нашем форуме или, позвонив одному из специалистов компании, все телефоны указаны в разделе «Контакты».

Индукционный нагрев January 16th, 2018

В индукционных печах и устройствах тепло в электропроводном нагреваемом теле выделяется токами, индуктированными в нем переменным электромагнитным полем. Таким образом, здесь осуществляется прямой нагрев.

Индукционный нагрев металлов основан на двух физических законах:

Законе электромагнитной индукции Фарадея-Максвелла и законе Джоуля-Ленца. Металлические тела (заготовки, детали и др.) помещают в переменное магнитное поле, которое возбуждает в них вихревое электрическое поле. ЭДС индукции определяется скоростью изменения магнитного потока. Под действием ЭДС индукции в телах протекают вихревые (замкнутые внутри тел) токи, выделяющие теплоту по закону Джоуля-Ленца. Эта ЭДС создает в металле переменный ток, тепловая энергия, выделяемая данными токами, является причиной нагрева металла. Индукционный нагрев является прямым и бесконтактным. Он позволяет достигать температуры, достаточной для плавления самых тугоплавких металлов и сплавов.

Индукционный нагрев и закалка металловИнтенсивный индукционный нагрев возможен лишь в электромагнитных полях высокой напряженности и частоты, которые создают специальными устройствами — индукторами. Индукторы питают от сети 50 Гц (установки промышленной частоты) или от индивидуальных источников питания — генераторов и преобразователей средней и высокой частоты.

Простейший индуктор устройств косвенного индукционного нагрева низкой частоты — изолированный проводник (вытянутый или свернутый в спираль), помещенный внутрь металлической трубы или наложенный на ее поверхность. При протекании по проводнику-индуктору тока в трубе наводятся греющие ее вихревые токи. Теплота от трубы (это может быть также тигель, емкость) передается нагреваемой среде (воде, протекающей по трубе, воздуху и т. д.).

Наиболее широко применяется прямой индукционный нагрев металлов на средних и высоких частотах. Для этого используют индукторы специального исполнения. Индуктор испускает электромагнитную волну, которая падает на нагреваемое тело и затухает в нем. Энергия поглощенной волны преобразуется в теле в теплоту. Для нагрева плоских тел применяют плоские индукторы, цилиндрических заготовок — цилиндрические (соленоидные) индукторы. В общем случае они могут иметь сложную форму, обусловленную необходимостью концентрации электромагнитной энергии в нужном направлении.

Особенностью индукционного ввода энергии является возможность регулирования пространственного расположения зоны протекания вихревых токов. Во-первых, вихревые токи протекают в пределах площади, охватываемой индуктором. Нагревается только та часть тела, которая находится в магнитной связи с индуктором независимо от общих размеров тела. Во-вторых, глубина зоны циркуляции вихревых токов и, следовательно, зоны выделения энергии зависит, кроме других факторов, от частоты тока индуктора (увеличивается при низких частотах и уменьшается с повышением частоты). Эффективность передачи энергии от индуктора к нагреваемому току зависит от величины зазора между ними и повышается при его уменьшении.

Индукционный нагрев применяют для поверхностной закалки стальных изделий, сквозного нагрева под пластическую деформацию (ковку, штамповку, прессование и т. д.), плавления металлов, термической обработки (отжиг, отпуск, нормализация, закалка), сварки, наплавки, пайки металлов.

Косвенный индукционный нагрев применяют для обогрева технологического оборудования (трубопроводы, емкости и т. д.), нагрева жидких сред, сушки покрытий, материалов (например, древесины). Важнейший параметр установок индукционного нагрева — частота. Для каждого процесса (поверхностная закалка, сквозной нагрев) существует оптимальный диапазон частот, обеспечивающий наилучшие технологические и экономические показатели. Для индукционного нагрева используют частоты от 50Гц до 5Мгц.

Преимущества индукционного нагрева

1) Передача электрической энергии непосредственно в нагреваемое тело позволяет осуществить прямой нагрев проводниковых материалов. При этом повышается скорость нагрева по сравнению с установками косвенного действия, в которых изделие нагревается только с поверхности.

2) Передача электрической энергии непосредственно в нагреваемое тело не требует контактных устройств. Это удобно в условиях автоматизированного поточного производства, при использовании вакуумных и защитных средств.

3) Благодаря явлению поверхностного эффекта максимальная мощность, выделяется в поверхностном слое нагреваемого изделия. Поэтому индукционный нагрев при закалке обеспечивает быстрый нагрев поверхностного слоя изделия. Это позволяет получить высокую твердость поверхности детали при относительно вязкой середине. Процесс поверхностной индукционной закалки быстрее и экономичнее других методов поверхностного упрочнения изделия.

4) Индукционный нагрев в большинстве случаев позволяет повысить производительность и улучшить условия труда.

Вот еще один необычный эффект.

Плавка металла методом индукции широко применяется в разных отраслях: металлургии, машиностроении, ювелирном деле. Простую печь индукционного типа для плавки металла в домашних условиях можно собрать своими руками.

Нагрев и плавка металлов в индукционных печах происходят за счет внутреннего нагрева и изменения кристаллической решетки металла при прохождении через них высокочастотных вихревых токов. В основе этого процесса лежит явление резонанса, при котором вихревые токи имеют максимальное значение.

Чтобы вызвать протекание вихревых токов через расплавляемый металл, его помещают в зону действия электромагнитного поля индуктора - катушки. Она может иметь форму спирали, восьмерки или трилистника. Форма индуктора зависит от размеров и формы нагреваемой заготовки.

Катушка индуктора подключается к источнику переменного тока. В производственных плавильных печах используют токи промышленной частоты 50 Гц, для плавки небольших объемов металлов в ювелирном деле используют высокочастотные генераторы, как более эффективные.

Виды

Вихревые токи замыкаются по контуру, ограниченному магнитным полем индуктора. Поэтому нагрев токопроводящих элементов возможен как внутри катушки, так и с внешней ее стороны.

Поэтому индукционные печи бывают двух типов:
• канальные, в которых емкостью для плавки металлов являются каналы, расположенные вокруг индуктора, а внутри него расположен сердечник;
• тигельные, в них используется специальная емкость - тигель, выполненный из жаропрочного материала, обычно съемный.

Канальная печь слишком габаритная и рассчитана на промышленные объемы плавки металлов. Её используют при выплавке чугуна, алюминия и других цветных металлов.
Тигельная печь довольно компактна, ей пользуются ювелиры, радиолюбители, такую печь можно собрать своими руками и применять в домашних условиях.

Устройство

Самодельная печь для плавки металлов имеет довольно простую конструкцию и состоит из трех основных блоков, помещенных в общий корпус:
• генератор переменного тока высокой частоты;
• индуктор - спиралевидная обмотка из медной проволоки или трубки, выполненная своими руками;
• тигель.

Тигель помещают в индуктор, концы обмотки подключают к источнику тока. При протекании тока по обмотке вокруг нее возникает электромагнитное поле с переменным вектором. В магнитном поле возникают вихревые токи, направленные перпендикулярно его вектору и проходящие по замкнутому контуру внутри обмотки. Они проходят через металл, положенный в тигель, при этом нагревая его до температуры плавления.

Достоинства индукционной печи:

• быстрый и равномерный нагрев металла сразу после включения установки;
• направленность нагрева - греется только металл, а не вся установка;
• высокая скорость плавления и однородность расплава;
• отсутствует испарение легирующих компонентов металла;
• установка экологически чиста и безопасна.

В качестве генератора индукционной печи для плавки металла может быть использован сварочный инвертор. Также можно собрать генератор по представленным ниже схемам своими руками.

Печь для плавки металла на сварочном инверторе

Эта конструкция отличается простотой и безопасностью, так как все инверторы оборудованы внутренними защитами от перегрузок. Вся сборка печи в этом случае сводится к изготовлению своими руками индуктора.

Выполняют его обычно в форме спирали из медной тонкостенной трубки диаметром 8-10 мм. Ее сгибают по шаблону нужного диаметра, располагая витки на расстоянии 5-8 мм. Количество витков - от 7 до 12, в зависимости от диаметра и характеристик инвертора. Общее сопротивление индуктора должно быть таким, чтобы не вызывать перегрузки по току в инверторе, иначе он будет отключаться внутренней защитой.

Индуктор можно закрепить в корпусе из графита или текстолита и установить внутрь тигель. Можно просто поставить индуктор на термостойкую поверхность. Корпус не должен проводить ток, иначе замыкание вихревых токов будет проходить через него, и мощность установки снизится. По этой же причине не рекомендуется располагать в зоне плавления посторонние предметы.