Индукционный нагрев

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3
1. Индукционный нагрев 5
1.2 Принцип индукционного нагрева 6
2. Описание метода. 8
3. Применение: 10
4. Преимущества. 10
5. Установки индукционного нагрева 11
6. Недостатки 14
7. Замечания. 16
8. Вывод 17
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 18
ЛИТЕРАТУРА 21

ВВЕДЕНИЕ
Индукционный нагрев, нагрев токопроводящих (в основном металлических) тел и ионизированных газов в результате выделения теплоты вихревыми (индукционными) токами, возбуждаемыми переменным электромагнитным полем. Обеспечивает бесконтактный способ передачи энергии от источника электромагнитного поля (индуктора) в нагреваемое тело с преобразованием её в тепловую непосредственно в теле; наиболее эффективный способ нагрева. При индукционном нагреве теплота, выделяющаяся в нагреваемом теле (по Джоуля - Ленца закону), зависит от его размеров и физических свойств, частоты и напряжённости магнитного поля. Особенностью индукционного нагрева является неравномерное распределение мощности в нагреваемом теле, обусловленное диссипацией энергии поля и затуханием электромагнитной волны.
Актуальность темы обоснована тем, что индукционный нагрев применяют: в индукционных нагревательных установках - для нагрева заготовок под пластическую обработку (глубинный или сквозной индукционный нагрев) и деталей под химико-термическую обработку (локальный или поверхностный индукционный нагрев), в том числе под поверхностную закалку токами ВЧ; в индукционных печах - для плавки чёрных и цветных металлов и сплавов, а также зонной плавки, плавки во взвешенном состоянии, для получения низкотемпературной плазмы (обеспечение работы Плазмотрона).
Если поместить проводник в поле высокой частоты (до 3 ГГц), то поле будет заставлять двигаться свободные электроны в металлах, порождая тем самым переменный электрический ток внутри заготовок. Этот ток в свою очередь будет являться причиной нагрева, в диэлектриках же электромагнитное поле заставляет их молекулы вращаться, в зависимости от величины их дипольного момента.
На основе этого явления основан индукционный нагрев — метод бесконтактного нагрева токами высокой частоты электропроводящих материалов. Он используется во многих отраслях промышленности и основан на особенностях поведения металлов и сплавов в электромагнитных полях высокой частоты, на законах Фарадея-Максвелла и Джоуля-Ленца. Область применения этого метода чрезвычайна широка. 
Физическая сущность электроконтактного способа нагрева заключается в том, что масса металла (деталь, заготовка или жидкая масса) нагревается за счет тепловой энергии электрического тока, протекающего по нему и преодолевающего электрическое сопротивление, оказываемое этим металлом, вследствие чего в последнем выделяется тепловая энергия, которая количественно определяется по закону Джоуля-Ленца.
Говоря о тепловой энергии, выделяемой в нагреваемом металле по указанному закону, следует иметь в виду, что в магнитных металлах происходит выделение некоторого количества тепловой энергии еще и за счет гистерезиса. Но так как это количество энергии незначительно по сравнению с тепловой энергией электрического тока, то им обычно пренебрегают.
Цель работы. Обосновать смысл и методы электротехнологии, основанные на тепловом и химическом действиях тока. Принцип действия, применение, преимущества и недостатки индукционного нагрева металлов. Показать на примерах работу индукционных токов, проблемы нагрева заготовок из магнитных материалов.
Индукционный нагревИндукционный нагрев (Induction Heating) — метод бесконтактного нагрева токами высокой частоты (англ. RFH — radio-frequency heating, нагрев волнами радиочастотного диапазона) электропроводящих материалов.
Поясняющая схема индукционной системы нагрева
1.2 Принцип индукционного нагреваИндукционному нагреву более 100 лет, поэтому его нельзя назвать новинкой. Он применяется во многих сферах, особенно в промышленных. Установки индукционного нагрева активно используются в металлообрабатывающих цехах. Ранее для плавки металлов использовался уголь или природный газ, теперь же этим занимаются токи высокой частоты. Такая технология в отношении металлов позволяет минимизировать габариты печей и добиться их высокой производительности. [8]
Как вообще работает индукционный нагрев? Принцип действия нагревателей очень прост – нагрев ведется за счет генерации токов высокой частоты, питающих индукторы. Сами индукторы представляют собой мощные катушки, внутри которых создается переменное магнитное поле. Катушки не имеют сердечников – вместо них здесь работают разогреваемые материалы. Например, индукционная печь для плавки металлов представляет собой большую катушку, внутрь которой помещаются металлические заготовки для дальнейшей обработки.
Проходя через катушку, теплоноситель нагревается и передает тепло в радиаторы отопления.
Включение генератора приводит к созданию мощных вихревых потоков магнитной индукции, в результате чего размещенные внутри индукторов металлы начинают разогреваться. Что касается отопительных котлов, то здесь сердечником индуктора является металлическая труба, через которую протекает теплоноситель – под воздействием вихревых токов труба и теплоноситель разогреваются, отправляя тепло в отопительную систему.
Технология индукционного нагрева чрезвычайно проста и эффективна. На ее основе создаются современные отопительные котлы, не требующие частого обслуживания и обладающие продолжительным сроком службы. Правда, их достоинства принято завышать, из-за чего у людей создается масса ложных впечатлений. Вот несколько примеров.
Продавцы нередко говорят об экономичности котлов с индукционным нагревом – отчасти это так, но экономия вряд ли превысит несколько процентов. В то же время бренды говорят об экономичности до 20-30%.
Быстрота нагрева – индукционные котлы нагревают теплоноситель чуть быстрее ТЭНовых аналогов. Но эту скорость нельзя назвать революционной.
Новизна технологии – данная технология известен уже более сотни лет.
Отопление, основанное на этой технологии радует продолжительным сроком службы, отсутствием необходимости в дополнительном обслуживании и отсутствием накипи  – в этом отношении они готовы соревноваться с любыми другими электрическими котлами. [3]
2. Описание метода.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 (по закону Джоуля-Ленца). [1]
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. [8]
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. [5]
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 . [4]
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. [3]
3. 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.
4. Преимущества.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.
5. Установки индукционного нагреваНа 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. [8]
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. [4]
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. [3]
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. [8]
6. Недостатки
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 Российской связью охран культурой 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. [5]
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. [8]
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. [3]
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 [8]:
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). [4]
7. Замечания.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). [5]
В идеальном случае полное сопротивление контура равно бесконечности - схема не потребляет тока от источника. При изменении 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. 
8. ВыводВ 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 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.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Индукционный нагрев может быть использован для нагрева практически любых материалов: сплавов металлов, проводников, диэлектриков, шлаков, газов и т.д. Его применение позволяет осуществить передачу теплоты нагреваемому объекту без непосредственного контакта и обеспечить практически любые скорости нагрева при минимальных тепловых потерях в окружающую среду. Максимальный же уровень создаваемых температур при индукционном нагреве определяется в основном только стойкостью применяемых огнеупорных материалов. Отсутствие необходимости непосредственного контакта между электрической цепью и нагреваемым материалом позволяет осуществлять нагрев в вакууме или защитной атмосфере. В то же время, наличие относительно холодных шлаков, затрудняющих проведение рафинировочных процессов, сложное и дорогое электрооборудование, низкая стойкость футеровки при резких колебаниях температур между плавками, размывающее действие расплава при электродинамическом явлении перемешивания металла ограничивают сферу применения этого способа передачи энергии.
В основе индукционного нагрева лежит трансформаторный принцип передачи энергии индукцией от первичной электрической цепи к вторичной. При этом электрическая энергия переменного тока подводится к первичной цепи индуктора, который представляет собой многовитковую катушку (соленоид), выполненную из медной профилированной вод охлаждаемой трубки. В результате вокруг него формируется переменное магнитное поле. Под его воздействием в нагреваемом теле, помещенном внутрь индуктора, как вторичной обмотке трансформатора, наводится электрическое поле, линии напряженности которого располагаются в плоскости перпендикулярной направлению линий магнитного потока индуктора и имеют вихревой характер.
Под воздействием этого поля внутренние электрические заряды в расплавляемом теле приходят в движение, образуя вихревые токи. При этом энергия электрического поля необратимо переходит в тепловую в соответствии с законом Джоуля-Ленца.
При использовании в качестве шихты ферромагнитных материалов их нагрев до достижения температуры точки Кюри (740…770оС) осуществляется не только за счет вихревых токов проводимости, но и за счет потерь энергии на перемагничивание. После превышения уровня этой температуры, нагреваемые проводники теряют свои магнитные свойства и работа индукционной печи становится аналогичной работе воздушного трансформатора (без сердечника).
Следовательно, величина ЭДС индукции пропорциональна частоте изменения магнитного потока во времени, а также величине магнитного потока, т.е. числу силовых линий, сцепленных с витком. Тепловая мощность, выделяемая вихревыми токами в толще нагреваемого тела, зависит от частоты переменного поля. Для эффективной работы тигельных индукционных печей их питание осуществляют электрическими токами повышенной или высокой частоты, что достигается установкой специальных генераторов, вырабатывающих ток требуемой частоты. Их применение снижает общий КПД установки.
Практически для индукционного нагрева используют следующие интервалы частот:
а) при нагреве стальных деталей диаметром меньше 0,03 м – 200000 Гц и выше;
б) при нагреве стальных изделий диаметром 0,03…0,15 м и толщине закаливаемого слоя свыше 2 мм – 1000…10000 Гц;
в) при термической обработке деталей свыше 0,15 м при нагреве на большую глубину – 50 Гц;
г) для питания плавильных печей используют 50…10000 Гц.
При частоте до 10000 Гц применяют машинные генераторы, а свыше 10000 Гц – электронно-ламповые.
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.
ЛИТЕРАТУРА

1. Основы теории теплогенерации: Учебник для вузов/ М.Д. Казяев, С.Н. Гущин; В.И. Лобанов и др. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1999. 285 с.
2. Егоров А.В., Моржин В.Ф. Электрические печи (для производства сталей). М.: Металлургия, 1975. 352 с.
3. Вайнберг А.М. Индукционные плавильные печи. Учебное пособие для вузов. М.: Энергия, 1967. 416 с.
4. Теория, конструкция и расчеты металлургических печей. Т.2. По ред. В.А. Кривандина. М.: Металлургия, 1986. 376 с.
5. Бабат Г.И. Индукционный нагрев металлов и его промышленное применение. Л.: Энергия, 1965, 552 с.
6. Фарбман С.А., Колобнев И.Ф. Индукционные печи для плавки металлов и сплавов. М.: НТО ЧиЦМ, 1958, 704 с.
7. Романов Д.И. Электроконтактный нагрев металлов 2-е изд., перераб. и доп. - М. Машиностроение, 1981г. - 166 с.
8. Алиферов А.И., Лупи С. Электроконтактный нагрев. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004г. - 224 с.
9. Хасин Г.А., Дианов А.И., Попов Т.П. - М.: Металлургия, 1984 г. – 284 с.
10. Болотов А.В., Шепель Г.Л., Электро-технологические установки.- М. Машиностроение, 1980г. - 160 с.
11. Мостовяк И.В. Цепи уравновешивания режимов трёхфазных систем с установками электроконтактного нагрева. - Киев. ИЭД, 1988 г. – 266 с.
12. Болотин И.Б., Эйдель Л.З. Измерения в переходных режимах короткого замыкания. - Л.: Энергия, 1981г. – 192 с.