ИНДУКЦИО́ННЫЙ НАГРЕ́В
-
Рубрика: Технологии и техника
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ИНДУКЦИО́ННЫЙ НАГРЕ́В, нагрев токопроводящих (в осн. 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 И. н. теплота, выделяющаяся в нагреваемом теле (по Джоуля – Ленца закону), зависит от его размеров и физич. свойств, частоты и напряжённости магнитного поля. Особенностью И. н. является неравномерное распределение мощности в нагреваемом теле, обусловленное диссипацией энергии поля и затуханием электромагнитной волны. Такое затухание характеризуют эквивалентной глубиной $δ\text{э}$ (м), т. е. глубиной поверхностного слоя плоского тела, в котором выделяется 86,5% мощности электромагнитной волны: $δ\text{э}≈500\sqrt{ρ/(μ_r\cdot f)}$, где $ρ$ – удельное электрич. сопротивление (Ом·м), $μ_r$ – относит. магнитная проницаемость тела, $f$ – частота изменения поля (Гц). Для И. н. используют токи разных частот – промышленной (50 Гц), повышенной (150 и 250 Гц), средней (от 0,5 до 10 кГц), высокой (67 и 440 кГц), сверхвысокой (1,76 и 5,28 МГц).
И. н. применяют: в индукц. нагреват. установках – для нагрева заготовок под пластич. обработку (глубинный или сквозной И. н.) и деталей под химико-термич. обработку (локальный или поверхностный И. н.), в т. ч. под поверхностную закалку токами ВЧ; в индукц. печах – для плавки чёрных и цветных металлов и сплавов, а также зонной плавки, плавки во взвешенном состоянии, для получения низкотемпературной плазмы (см. Плазмотрон). Индуктор (осн. элемент конструкции индукц. установок и печей) создаёт переменное магнитное поле (напряжённостью 105– 106 A/м). Нагреваемый материал может быть в виде твёрдого массивного тела (в индукц. нагреват. установках), жидкого тела (в индукц. плавильных печах) и ионизированного газа (в СВЧ плазмохимич. установках). Первая пром. индукц. печь для подогрева жидкой стали (до 80 кг) в открытом горизонтальном кольцевом канале введена в эксплуатацию в Швеции в 1900, в СССР такие печи начали строить в 1930-х гг.
Индукционные нагревательные установки
В индукционных нагревательных установках используют в осн. индукторы 2 типов: проходные – круглого или квадратного поперечного сечения для нагрева заготовок по всей длине, щелевые и овального сечения для местного нагрева концов длинных заготовок (рис. 1), а также с поперечным магнитным полем (для листового материала) и замкнутым магнитопроводом (для кольцевых заготовок); закалочные – одновитковые (для внешних цилиндрич. поверхностей), петлевые, зигзагообразные и в виде плоской спирали (для плоских поверхностей), кольцевые соленоидные (для внутр. цилиндрич. поверхностей). Через отверстия в индукторе или с помощью спрейерного устройства на поверхность закаливаемой детали подают охлаждающую жидкость (воду, масло, разл. эмульсии).
Индукционные плавильные печи
Индукционные плавильные печи могут быть канальными, работающими на пром. частоте, вместимостью до 150 т и мощностью до 4,0 МВ·А, и тигельными – вместимостью на ср. частоте до 25 т и на пром. частоте (при жидкой завалке) до 60 т. В канальной печи (рис. 2) темп-ра металла в ванне (шахте) повышается за счёт теплопередачи от жидкого металла, находящегося в канале. Один или неск. вертикальных либо горизонтальных каналов (прямоугольного или круглого сечения), расположенных в огнеупорной футеровке – т. н. подовом камне, охватывают замкнутый магнитопровод с многовитковым цилиндрич. индуктором. В канале жидкий металл с более высокой темп-рой под действием электромагнитных сил и свободной тепловой конвекции интенсивно циркулирует, поступая через устье канала в ванну (шахту). Индукц. канальные печи применяют в осн. в цветной металлургии для непрерывных технологич. процессов в качестве плавильных агрегатов и миксеров. В тигельной печи (рис. 3) металл находится в огнеупорном тигле, расположенном внутри цилиндрич. многовиткового индуктора. Отд. разомкнутые магнитопроводы в качестве ферромагнитных экранов защищают кожух печи от создаваемых индуктором электромагнитных волн. Энергия затрачивается на нагрев металла и его интенсивное перемешивание. В тигле возникает двухконтурная циркуляция металла с образованием выпуклого мениска (выс. 5–15% от глубины металла), что затрудняет создание шлакового слоя и ограничивает удельную мощность (не более 300 кВт/т). Тигельные печи взрывоопасны (из-за невысокой стойкости футеровки тигля), их оснащают сигнализатором состояния футеровки. Индукц. тигельные печи широко распространены в сталеплавильном произ-ве для периодич. работы при переплаве легированных сталей; для плавки высококачественных сталей – вакуумные и индукционно-плазменные печи, для выплавки особо чистых металлов и сплавов – печи с водоохлаждаемым («холодным») тиглем в виде электроизолированных секций-труб (т. н. секционированный тигель).