3. Электроустановки индукционного нагрева

3.1. Общие сведения об индукционных ЭТУ

 Индукционный нагрев (ИН) применяется для:

-  плавки металлов и неметаллов;

-  поверхностной закалки;

-  нагрева изделий для пластической деформации;

-  сварки и пайки;

-  зонной очистки металлов и полупроводников;

-  получения монокристаллов из тугоплавких оксидов;

-  получения плазмы.

При индукционном нагреве в нагреваемых телах под действием электромагнитной энергии возникают вихревые токи, которые нагревают тело по закону Джоуля-Ленца. Индукционный нагрев применяется в установках прямого и косвенного действия.

Рекомендуемые материалы

Принципиальная схема ИН показана на рис. 3.1. Индуктор создает переменный магнитный поток и работает как первичная обмотка силового трансформатора. Нагреваемое тело помещается внутри индуктора таким образом, чтобы между индуктором и телом оставался зазор. Нагреваемое тело выполняет роль вторичной обмотки трансформатора с одним к.з. витком. ЭДС, возникающая в нагреваемом теле, пропорциональна магнитному потоку, и обеспечивает возникновение тока в теле, который вызывает нагрев.

Е = 4,44Фwf,

где Е – ЭДС, возникающая в нагреваемом теле;

     Ф – магнитный поток, создаваемый индуктором, вб;

     w – число витков индуктора; f – частота питающей сети, Гц.

Мощность, выделяемая в нагреваемом теле, пропорциональна квадрату тока и сопротивлению нагреваемого тела

P = I² R,

где I – вихревой ток, возникающий в теле, А;

      R – активное сопротивление нагреваемого тела, Ом.

Достоинствами электроустановок индукционного нагрева являются:

- высокая скорость нагрева, пропорциональная вводимой мощности;

- хорошие санитарно-гигиенические условия труда;

-  возможность регулирования зоны действия вихревых токов в про-странстве (ширина и глубина прогрева);

- простота автоматизации технологического процесса;

- неограниченный уровень достигаемых температур, достаточных для нагрева металлов, плавления металлов и неметаллов, перегрева, расплава, испарения материалов и получения плазмы.

Недостатки:

- требуются более сложные источники питания;

- повышенный удельный расход ЭЭ на технологические операции.

К особенностям индукционного нагрева можно отнести возможность регулирования пространственного расположения зоны протекания вихревых токов.

Эффективность передачи энергии от индуктора к нагреваемому телу зависит от величины зазора между ними и повышается при его уменьшении. Глубина нагрева тела увеличивается с ростом его удельного сопротивления и снижается с увеличением частоты тока. Ток индукторов составляет от сотен до нескольких тысяч А при средней плотности тока 20 А/мм². Потери мощности в индукторах могут достигать 20-30 % от полезной мощности.

Индукционные электротехнологические установки разделяются на плавильные, нагревательные и закалочные. Печи могут работать на промышленной частоте 50 Гц, средней частоте 0,5-10 кГц и высокой частоте: сотни-тысячи кГц.

3.2. Индукционные плавильные печи

Индукционные плавильные печи  применяются  для плавки  черных  и  цветных  металлов:  алюминия,  чугуна,  меди,  стали. В настоящее  время  в  чугунно-литейном  производстве  применяются: 76 % вагранок, 23 % - индукционных плавильных печей и 1 % - электродуговых печей. Наблюдается устойчивая тенденция в увеличении объемов использования индукционных плавильных печей. 

Индукционные плавильные печи применяются для производства фасонного литья из черных и цветных металлов. По конструкции плавильные печи разделяются: на индукционные канальные печи (ИКП) и индукционные тигельные печи (ИТП). Канальные печи имеют сердечник, тигельные выполняются с сердечником или без него.

Для рабочего процесса печей характерно: электродинамическое и тепловое движение жидкого металла в ванне или тигле, что способствует получению однородного по составу металла и равномерному прогреву по всему объему; малый угар металла (в несколько раз меньше, чем в дуговых печах).

Рабочие температуры печей:

- 750 °С – для выплавки алюминия;

- 1200 °С – для выплавки меди;

- 200-1400 °С – для выплавки чугуна;

- 1600 °С – для выплавки стали.

Индукционные канальные печи применяются для плавки цветных металлов, высококачественных сплавов и чугуна. Печи  работают только на промышленной частоте.

Преимущества ИКП.

1. Высокий КПД печей.

2. Высокая надежность печи при использовании новейших футеровок, высокая наработка на отказ ванны печи – не менее 3-х лет.

3. В печи происходит интенсивное перемешивание металла без разрыва оксидной пленки, что обеспечивает: одинаковый химический состав по всему объему печи; одинаковую температуру по всему объему печи; возможность подшихтовки легирующими элементами.

4. Высокая точность поддержания температуры расплава за счет использования встроенного блока контроля температуры расплава, что обеспечивает уменьшение литейного брака, угара из-за отсутствия перегрева металла, увеличение срока службы футеровки.

5. Низкие энергозатраты на расплавление металла.

6. Низкий расход охлаждающей воды по сравнению с тигельной печью.

7. Снижение выбросов вредных веществ в атмосферу.

8. Не требуется фундамента печи и крепления ее к полу при монтаже; не требуется высокая квалификация обслуживающего персонала.

Классификация печей:

- по числу фаз: одно-, двух- и трехфазные;

- по конструктивному выполнению канала – с открытым или закрытым каналом. На практике в основном применяют печи с закрытым каналом;

- по числу каналов на фазу: одно-, двух- и трехканальные;

- по расположению каналов: с вертикальным; горизонтальным; наклонным;

- по форме канала: с круглым; прямоугольным; треугольным.

Конструкция. К основным узлам ИКП относят плавильную футерованную ванну и индукционную единицу, в которую входят подовый камень с закрытым каналом, магнитный сердечник и индуктор (рис. 3.2).  

Ванна печи представляет кожух из железа, внутри которого имеется футеровка. На боковой поверхности кожуха имеется сливное отверстие.

Индукционная единица состоит из индуктора, шихтованного магни-топровода и подового камня с охватывающими индуктор плавильными каналами. Индуктор по сути является первичной обмоткой трансформатора, выполняется из меди круглого, прямоугольного сечения или из медной трубки, внутри которой циркулирует вода (водяное охлаждение). Магнитопровод представляет собой собранный из листовой трансформаторной стали сердечник броневого или стержневого типа. Подовый камень выполняется из бронзы или немагнитной стали, имеет один или несколько каналов тепловыделения. Канал с расплавленным металлом 1 является короткозамкнутым витком вторичной обмотки трансформатора. Для соединения ванны с подовым камнем в поддоне имеется отверстие. В момент плавки происходит циркуляция расплавленного металла из канала в ванну и наоборот. Замещение более нагретого металла более холодным происходит все время, пока существует разница температур в канале и шахте печи. Из-за недостаточной циркуляции металла его температура в канале может на 100 – 200 К превосходить температуру в ванне. Это обстоятельство в основном определяет удельную мощность ИКП, их производительность, а также срок службы футеровки канала.

Канал тепловыделения должен быть постоянно заполнен электропроводящим телом. Для первичного пуска канальных печей в канал заливают расплавленный металл или вставляют шаблон из материала, который будет плавиться в печи. При завершении плавки металл из печи сливают не полностью, оставляя так называемое «болото», которое обеспечивает заполнение канала тепловыделения для последующего пуска. Индукционные единицы бывают одинарные и сдвоенные, с одним или двумя каналами на один индуктор (рис. 3.3). Футеровку канала выполняют из набивных масс различного состава в зависимости от выплавляемого металла или сплава.

Для слива металла (рис. 3.4) через сливной носок (4) печь накло-няется при помощи гидро- или электропривода. Загрузку печи ведут сверху через проем, закрытый во время плавки футерованной крышкой (5). Подъем крышки производится гидро- или электроприводом. Подовый камень (10) охлаждается воздухом при помощи вентилятора (9) через зазор между индуктором и подовым камнем. Электроэнергия к индуктору подводится по гибким кабелям.

Принцип работы печи. Индукционная печь представляет собой своеобразный трансформатор, у которого первичной обмоткой является индуктор, а вторичная обмотка и нагрузка – замкнутый канал с расплавленным металлом. Работает такой трансформатор в режиме КЗ, при котором вся подводимая энергия тратится на нагрев металла. При включении индуктора в сеть переменный ток, возникающий в индукторе, создает вокруг него

переменное магнитное поле, которое замыкается через сталь сердечника. В свою очередь переменный магнитный поток индуктирует в металле канала ЭДС, вследствие чего в металле канала появляется ток. Наведенный в замкнутой цепи канала ток будет выделять в канале тепло.

Основные разновидности канальных печей представлены на рис. 3.5.

В ИКП шахтного типа плавильная камера имеет форму вертикального цилиндра, в донной части которого присоединена плавильная единица (рис. 3.5,а). При разливе металла печь наклоняется с помощью гидравлического устройства.

В ИКП барабанного типа плавильная камера выполнена в виде горизонтально расположенного цилиндра. Она установлена на цапфах или катках с различными приводами механизма наклона. Печь имеет несколько индукционных единиц, которые установлены в нижней части печи (рис. 3.5,б).

Двухкамерные канальные печи выполнены с наклонными или горизонтально расположенными каналами, соединяющими между собой две ванны. При этом одна из них используется как плавильная, а другая как раздаточная (3.5,в).

Рис. 3.3. Конструкция индукционных единиц канальных печей:

а  -  одинарная; б – сдвоенная

1 - футеровка; 2 – водоохлаждаемый  кожух;  3 -  магнитопровод; 4 – индуктор

Технические характеристики индукционных печей. При плавлении вторичных ресурсов (данные по латунным сплавам) безвозвратные потери составляют 6-8%, производительность в месяц 70-90 т.

Коэффициент мощности индукционных печей cosφ = 0,2...0,8. Меньшие значения коэффициента мощности соответствуют ИКП для плавки металлов с низким удельным сопротивлением (медь, алюминий), а большие значения – с высоким (сталь, чугун).

Питание печей осуществляется от сетей напряжением 380 В и выше в зависимости от мощности. Печи с сердечником выпускаются одно-, двух- и трехфазными мощностью до 2000 кВт. На рис. 3.7 представлена схема питания ИПК промышленной частоты от печного трансформатора напряжением 10/0,4 кВ. Параллельно индуктору подключена батарея конденсаторов, состоящая из постоянно включенной секции С и N управляемых секций С₁ – С_N.

Таблица 3.1

Технические характеристики некоторых современных ИКП

Оконч. табл. 3.1

Индукционные тигельные печи (ИТП) применяются для скорос-тных плавок черных и цветных металлов, для плавки черных металлов. Печи работают на разных частотах: промышленной (50 Гц); средней (0,5-10 кГц) и высокой (сотни-тысячи кГц).

В основе работы печей без сердечника также лежит трансформатор-ный принцип передачи энергии индукцией от первичной цепи ко вторичной. Подводимая к печи электрическая энергия переменного тока превращается в электромагнитную, которая во вторичной цепи превращается в электрическую, а затем в тепловую. Первичной обмоткой служит индуктор, вторичной обмоткой и нагрузкой – расплавляемый металл, загруженный в тигель и помещенный внутри индуктора. Магнитный поток проходит по самой шихте, поэтому большое значение имеют магнитные свойства, а также размеры и форма загружаемой шихты. Магнитная проницаемость для ферромагнитных материалов достаточно высока и до температуры 740-770 °С постоянна по величине. В этом случае шихта одновременно играет роль незамкнутого сердечника. После того, как температура расплавляемого материала превысит указанные значения, работа печи становится аналогичной работе трансформатора без сердечника. Величиина ЭДС в каждом витке пропорциональна частоте и величине магнитного потока. При отсутствии сердечника проводимость для магнитных силовых линий снижается, поэтому увеличивают частоту переменного тока.

На рис. 3.8 показана ИТП без сердечника, которая состоит из индуктора (1), подключаемого к источнику питания переменного тока, расплавленного металла (2), находящегося внутри огнеупорного тигля (3). В тигельных печах большой емкости предусматривается внешний магнитопровод (рис. 3.9). В тигель можно загружать любую шихту: отходы литейного производства, чушки, мелкую стружку и т.п.

Индукторы изготавливают из медной трубки (круглого или квадратного сечения), охлаждаемой водой, накладываемой в один слой. Обмотка состоит из нескольких катушек, имеющих раздельное водяное охлаждение. Печи могут работать с оставлением сплава (25-30 % емкости тигля) или без него.

В ИТП большой емкости применяются источники питания промышленной частоты, средней и малой емкости – повышенной и высокой частоты.

Неэлектропроводные тигли изготавливают из кварцитовых, магнезитовых, циркониевых материалов. Они размещаются внутри индуктора, не поглощают энергию магнитного поля и одновременно являются теплоизоляторами между расплавляемым металлом и охлаждаемыми стенками индуктора.

Конструкции тигельных печей показаны на рис. 3.9-3.11.

Электропроводящие тигли изготавливают из жароупорных сталей, легированных чугунов и графитов. Они поглощают наибольшую часть энергии переменного электромагнитного поля. Нагрев до расплавления косвенный: излучением (для шихты раздробленной с малым коэффициентом заполнения), а после - контактный. Наружные стенки таких тиглей должны быть изолированы от внутренних стенок индуктора.

Технические характеристики печи.

Общий КПД тигельной печи  0,48–0,68. Коэффициент мощности ИТП соsφ = 0,05–0,3. Для компенсации реактивной мощности требуется установка конденсаторов. Мощность ИТП может достигать 4500 .

Все плавильные печи относятся к электроприемникам II категории по степени надежности электроснабжения.

Питание установок повышенной и высокой частоты осуществляется от тиристорных или машинных преобразователей индукторного типа.

Индукционные тигельные печи средней частоты нового поколения. Российской электротехнологической компанией разработан ряд индукционных тигельных печей средней частоты (ИПСЧ) для скоростных плавок черных и цветных металлов, отвечающих современным требованиям металлургического и литейного производства. Наилучшие показатели эффективности ИПСЧ во многом определяются оптимальным выбором геометрических параметров индуктора, частоты тока возбуждения и удельной активной мощности для плавки определенного металла, а также физическими характеристиками и толщиной футеровки.

Для плавки черных металлов заводом производятся тигельные печи серии ИПП емкостью от 60 до 400 кг, работающие на частоте 2400 Гц. Технические характеристики этих печей приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2

При высоких удельных мощностях 800-1000 кВт/т обеспечивается высокая скорость подъема температуры металла (оптимальные ее значения 30-35 °С/мин), что позволяет сократить циклы плавки чугуна до 45 минут при удельном расходе электроэнергии примерно 560 кВт ч/т. Печи данной серии имеют прочную конструкцию, каркас которой выполнен из нержавеющей стали. Индуктор изготавливается из прямоугольной медной трубки. Толщина стенки трубки выбрана, исходя из условий прочности и минимизации электротехнических потерь. Витки индуктора фиксируются на вертикальных изоляционных стойках. Изоляция индуктора выполнена так, чтобы обеспечивался выход влаги наружу при просушивании "мокрых" футеровок. Подиумная часть печи выполняется из литого армированного жаропрочного бетона. Расположение индуктора относительно тигля выбрано так, чтобы максимально уменьшить износ футеровки в верхней зоне при сохранении гарантированного перемешивания металла.

Для данных объемов и рабочей частоты в конструкции печей не предусмотрена установка магнитопроводов, поэтому для уменьшения нагрева полями рассеяния корпусные элементы выполнены из немагнитных металлов.

Индукционные печи серии ИППМ рассчитаны на объемы плавки черных металлов от 1 до 10 тонн. Печи этой серии работают на частотах 200,1000 Гц, их технические характеристики приведены в табл. 3.3.

Таблица 3.3

По внешней стороне индуктора устанавливаются магнитопроводы, позволяющие повысить напряженность магнитного поля в зоне расплава металла и увеличить КПД печи и, как  следствие, снизить расход электроэнергии до 500-520 кВтч/т. Для снижения теплопотерь в печах этой серии над тиглем установлена крышка с гидравлическим механизмом поворота.

Индукционные печи с загрузочным колпаком и устройством взвешивания применяются для плавки стружки цветных металлов. Печь ИНДУГА характеризуется огнеупорным колпаком с центральной трубкой подачи стружки непосредственно в расплав. Ее размеры обеспечивают адекватное сжигание любых эмульсий, содержащих углеводороды без каких-либо дополнительных потерь металла. Геометрические и электрические характеристики печи обеспечивают эффективное смешивание стружки с расплавом в центре ванны, свободном от шлака. Печь оснащена устройством взвешивания, автоматически контролирующим загрузку и выход. Дополнительные контрольные устройства, требуемые специальными процессами, могут поставляться, если печь интегрируется в существующую линию производства.

Технические данные низкочастотной тигельной печи:

- тип печи: гидравлически наклоняемая;

- мощность 200–3600 кВт;

- емкость 0,8–15т.

3.3. Индукционные нагревательные установки

Индукционные нагревательные установки (ИНУ) широко применяются в различных технологических процессах в машиностроительной и других отраслях промышленности. Их подразделяют на два основных типа: установки сквозного и поверхностного нагрева.

Установки для закалки и сквозного нагрева в зависимости от назначения питаются от сетей переменного тока на частоте от 50 Гц до сотен кГц. Питание установок повышенной и высоких частот производится от тиристорных или машинных преобразователей. Установки относятся к электроприемникам II категории по степени надежности электроснабжения.

По сравнению с другими видами нагрева (в пламенных печах и печах резисторного нагрева) индукционный нагрев имеет малый угар металла и меньший брак из-за попадания окалины в обрабатываемое изделие. Индукционные установки сквозного нагрева применяются для нагрева заготовок под последующую пластическую деформацию: ковку, штамповку, прессовку, прокатку и т. д. В зависимости от геометрических параметров нагреваемых деталей и их материала источники питания индукционных установок выполняются на частоту 50–10000 Гц. Для установок сквозного нагрева выбор рабочей частоты производят так, чтобы выделение теплоты происходило в слое достаточной толщины по сечению детали при отсутствии большого градиента температуры между поверхностью и слоем определенной толщины. При этом будет меньше перегрев поверхности заготовки и выше КПД установки.

По режиму работу установки сквозного нагрева подразделяют на установки периодического и непрерывного действия.

В установках периодического действия нагревается только одна заготовка или ее часть. При нагреве заготовок из магнитного материала происходит изменение потребляемой мощности: вначале она возрастает, а затем по достижении точки Кюри снижается до 60-70 % от начальной. При нагреве заготовок из цветных металлов мощность в конце нагрева несколько увеличивается за счет роста удельного электрического сопротивления.

В установках непрерывного действия одновременно находится  несколько заготовок, расположенных в продольном или поперечном магнитном поле (рис. 3.14). В процессе нагрева они перемещаются по длине индуктора, нагреваясь до заданной температуры. В нагревателях непрерывного действия полнее используется мощность источника питания, поскольку средняя мощность, потребляемая ими от источника питания, выше, чем средняя мощность, потребляемая нагревателем периодического действия.

Индукционные нагреватели непрерывного действия имеют более высокий КПД источника питания. Производительность выше, чем у установок периодического действия. Возможно питание нескольких нагревателей от одного источника, а также подключение нескольких генераторов к одному нагревателю, состоящему из нескольких секций (рис. 3.14 в)

Конструкция индуктора для сквозного нагрева зависит от формы и размеров деталей. Индукторы выполняют круглого, овального, квадратного или прямоугольного сечения. Для нагрева концов заготовок индукторы выполняют щелевыми или петлевыми (рис. 3.15, г, д).

Индукционный поверхностный нагрев сопровождается проявлением поверхностного эффекта и эффекта близости. Вследствие поверхностного эффекта ток в нагреваемом изделии распределяется неравномерно. Наибольшая плотность тока имеет место в поверхностных слоях изделия. При использовании высокой частоты в поверхностных слоях можно получить большие плотности тока, обеспечивающие быстрый нагрев металла.

Индукционные установки поверхностного нагрева применяются для нагрева деталей под последующую термохимическую обработку (закалка, цементация, азотирование и т.п.

Индукционная закалка заключается в быстром нагреве поверхности изделия с последующим быстрым охлаждением на воздухе, в воде или масле. При этом поверхность приобретает высокую твердость и способность хорошо работать на трение, а «сырая» (мягкая) сердцевина обеспечивает высокую сопротивляемость ударным нагрузкам. При таком нагреве удается во много раз уменьшить объем нагреваемого металла (по сравнению со сквозным нагревом) и значительно сократить расход электроэнергии.

Необходимость поддержания высокого электрического и теплового КПД системы индуктор-нагреваемое тело определяет исключительно большое количество форм и размеров индукторов. Схемы некоторых индукторов для поверхностного нагрева показаны на рис. 3.15 а-в. Между индуктором и огнеупорным цилиндром проложен слой теплоизолирующего материала, что снижает тепловые потери и защищает электрическую изоляцию индуктора.

Индукционные установки имеют, как правило, низкий коэффициент мощности, причем значения его изменяются в довольно широких пределах в зависимости от частоты тока, зазора между индуктором и изделием, магнитной проницаемости, удельного сопротивления и размеров нагреваемых изделий. Зависимость коэффициента мощности от частоты тока и диаметра нагреваемых изделий позволяет правильно выбрать реак­тивную мощность компенсирующей конденсаторной батареи, руководствуясь не только минимальным расходом электроэнергии, но и снижением стоимости установки и сокращением необходимых производственных площадей.

3.4. Установки диэлектрического нагрева

В установках для нагрева диэлектриков нагреваемый материал помещается в электрическое поле конденсатора и нагрев происходит за счет  токов смещения. Эта группа установок широко применяется для клейки и сушки древесины, нагрева пресс порошков, пайки и сварки пластиков, стерилизации продуктов и т.п. Питание осуществляется пе-ременным током с частотой 20-40 МГц и выше. Установки относятся к электроприемникам II категории по степени надежности электроснаб-жения.

Рекомендация для Вас - 8 Формы работы по реализации профилактических мероприятий.

Использование электрического тока, проходящего через диэлек-трики и полупроводники в переменном электрическом поле, является основой диэлектрического нагрева, который имеет преимущества перед другими способами нагрева. Это быстрота, равномерность и высокая производительность. С энергетической точки зрения такой нагрев является наиболее эффективным, поскольку при его осуществлении вся энергия вносится в массу нагреваемого материала.

По технологическим признакам установки высокочастотного нагрева подразделяются на три вида.

Установки первого вида используются в процессах промышленной обработки крупных изделий, требующих быстрого нагрева в однородном электрическом поле: сушка волокон шерсти или хлопка, целлюлозы и лесоматериалов, обжиг крупных электроизоляторов и фарфоровых изделий, производство звуко- и теплоизоляционных материалов, сварка пластмасс и полимерных пленок.

Установки второго вида применяются для нагрева протяженных плоских изделий: сушка текстильного волокна, рисунков на тканях, бумаги, фотопленки, химических и фармацевтических препаратов, полимеризации клеев, нагрев каучука, пастеризация и т. д.

В установках третьего вида проводятся процессы, не требующие быстрого и однородного нагрева: размораживание продуктов, разогрев и быстрое приготовление блюд, обжиг простых керамических изделий, сушка грибов, чая и т. п.

Использование высококачественного нагрева позволяет повысить качество продукции, ускорить технологические процессы и получить при массовом производстве большую экономию, несмотря на высокую стоимость оборудования.