ИНДУКЦИО́ННЫЙ НАГРЕ́В

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

Рис. 1. Схемы индукционных нагревательных установок с проходными индукторами разного поперечного сечения: а – круглого; б – квадратного; в – овального; г – щелевого.

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

Рис. 2. Схема индукционной канальной печи (разрез): 1 – ванна (шахта); 2 – цилиндрический индуктор; 3 – замкнутый магнитопровод; 4 – футеровка канала (подовый камень); 5 &ndash...

Рис. 3. Схема индукционной тигельной печи (разрез): 1 – тигель; 2 – цилиндрический индуктор; 3 – ферромагнитный экран;4 – кожух; 5 – сигнализатор состояния футеровки тигля; стрелки – траектория движен...

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).