Г.А. Околович - Учебное пособие - Нагрев и нагревательные устройства (1254309), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Постоянный же ток, протекаяпо проводнику, распределяется по его сечению равномерно.101Явление неравномерного распределения переменного тока по сечению проводника принято называть поверхностным эффектом, илискинэффектом.Расчеты показывают, что около 90 % тепла выделяется в слое,равной глубине проникновения (∆), которая находится в следующейзависимости от частоты тока (f, Гц), магнитной проницаемости(µ, Гс/Э) и электросопротивления (ρ, Ом*см) нагреваемогометалла:______∆ = 503 * Vρ (µ*f)η(M).(7.1)Значит, относительно равномерный нагрев заготовки можнополучить в случае удовлетворения следующего неравенства:d/∆<3, где d - диаметр заготовки.Рисунок 58 Поверхностный эффект(распределение тока итемпературы впроводнике)При уменьшении толщины проводника его сопротивление будетувеличиваться, а при увеличении толщины сверх 3∆ сопротивлениеостается практически постоянным и равным минимальномузначению, получающемуся при d = 3∆.Эффект близости представляет собой одну из разновидностейповерхностного эффекта и заключается в концентрации тока в определенных участках проводников за счет взаимодействия электромагнитных полей системы проводников.
Явление эффекта близостиможно рассматривать на примере двух плоских параллельных102проводников, расположенных относительно близко друг к другу(рисунок 59).Рисунок 59 - Эффект близостиРисунок 60 - Явлениекольцевого эффектаПри одинаковом направлении тока в параллельных проводникахплотность тока больше на их внешних поверхностях, а при разномнаправлении - на внутренних.
Аналогичная картина наблюдается и вслучае параллельных цилиндрических проводников и прирасположении проводников один в другом коаксиально. В случаекоаксиальногорасположенияприпротеканиипонимпротивоположно направленных токов большая плотность тока будетнаблюдаться на внешней поверхности внутреннего проводника и навнутренней поверхности наружного проводника (трубы).Кольцевой эффект - также следствие поверхностного эффекта,проявляющегося в проводниках, выполненных в виде кольца илиспирали. Вследствие большей ЭДС самоиндукции на наружнойповерхности кольцевого проводника или спирали плотность токабудет большей на их внутренних поверхностях (рисунок 60).Рисунок 61 - Магнитное полепрямоугольного проводника смагнитопроводом: 1-проводник; 2-магнитопровод103Эффект вреден, так как повышает активное сопротивлениепроводника за счет неполного использования его сечения, и в то жевремя полезен, так как усиливает магнитный поток внутрисолиноида и в сочетании с эффектом близости способствуетускорению нагрева объекта, охваченного солиноидом.В ряде случаев необходимо воздействие на магнитный поток,создаваемый проводником, несущий переменный ток.
Это можноосуществить с помощью магнитопроводников, охватывающийпроводник током (рис. 61). Изменение напряженности магнитногополя у поверхности проводника достигается применениеммагнитопроводов, изготовляемых из листов трансформаторной стали(частота до 10 000 Гц) или из ферритов (частота свыше 10 000 Гц).Магнитная проницаемость трансформаторной стали и ферритовв 1000 раз превышает магнитную проницаемость воздуха. Поэтомумагнитный поток стремится пройти по магнитопроводу, а не повоздуху.Когда в паз П-образного магнитопровода помещается плоскийпроводник, то с незамкнутой стороны паза концентрация магнитногопотока будет резко усилена.Если замкнутую сторону такого магнитопровода расположить ввнешней стороны кольцевого проводника, то концентрациямагнитного потока будет усилена внутри кольца, а если замкнутуюсторону паза расположить с внутренней стороны проводника, топоток сконцентрируется снаружи.В первом случае интенсивность нагрева объекта, помещаемоговнутрь кольца, резко повысится.
Во втором случае появляется возможность в противодействие кольцевому эффекту создаватьбольшую плотность тока на наружной поверхности кольцевогопроводника и тем самым обеспечить нагрев внутренней поверхностиотверстия изделия или трубы. Таким образом, магнитопроводыпозволяют не только концентрировать магнитный поток в желаемомнаправлении, на и повысить КПД электромагнитной системы.7.1 Изменение физического свойства нагреваемого металлаВ процессе нагрева физические свойства металла не остаютсяпостоянными, что влияет на распределение температуры в нагреваемом объекте.
Как видно из рисунка 62 при нагреве стали 45 до 7000Cмагнитная проницаемость остается почти неизменной, а при температуре около 8000C (точка Кюри для железа 7680C) резко падает до104значения, равного значению магнитной проницаемости вакуума, ипри дальнейшем росте температуры не изменяется.Глубинапроникновениятокавизделиеобратнопропорциональна частоте. Для обеспечения сквозного нагревазаготовок больших сечений используется ток промышленнойчастоты (50 Гц), а для заготовок небольших сечений - токповышенной частоты (500-800 Гц); для поверхностного нагревадеталей - токи повышенной и высокой частоты.Глубина проникновения тока в изделие изменяется стемпературой нагрева металла. По мере нагрева электрическоесопротивление (p) ферромагнитных материалов увеличивается, амагнитная проницаемость (µ) резко уменьшается при ее нагревевыше точки магнитного превращения А1 = 768`C, при этом µ = 1;при комнатной температуре µ= 100 - 200.
При расчетеиндукционных нагревательных устройств глубина проникновениятока в изделие: для меди при температуре 400С∆м = 70/Vρмм;(7.2)∆ст =560/ Vρмм.(7.3)Рисунок 62 - Зависимость относительной магнитной проницаемости(1) и удельного электрического сопротивления (2) от температурыУдельное электрическое сопротивление для большинстваметаллов с ростом температур возрастает. При нагреве сталей до800-9000C их удельное сопротивление увеличивается в 8-10 раз.Таким образом, суммарное влияние изменения магнитной проницаемости и удельного сопротивления при нагреве ферромагнитнойстали выше 8000C сказывается на глубине проникновения тока,которая увеличивается в 18-20 раз.
В связи с этим принято различать"холодную" и "горячую" глубину проникновения.105При индукционном нагреве парамагнитных металлов поверхностный эффект определяется их удельным электросопротивлением.Поэтому нагрев этих металлов от комнатной температуры, можносчитать, протекает почти так же, как ферромагнитных, вышетемпературы магнитных превращений.Магнитное поле по длине соленоида также распределяетсянеравномерно.
В средней части соленоида эта плотность больше, а украйних витков меньше. Такое влияние называется краевымэффектом, которое заставляет увеличивать длину индуктирующегопровода (соленоида) с целью обеспечения более равномерногопрогрева заготовок.Кроме того, соленоид квадратного сечения более равномернораспределяет магнитное поле по длине, чем круглый.КПД установки зависит от следующих потерь энергии:1) электрических - в меди индуктора (ηэ);2) термических - теплопроводностью заготовки и излучениемчерез окна индуктора, которые, в свою очередь, зависят отчастоты тока.η =ηэ+ ηm .(7.4)Наибольшее значение полного КПД будет при отношенииd/∆ = 3,5÷7,0 (рисунок63).Рисунок 63 - Защита полного КПД индуктора от соотношения d/∆ ипотерь106Оптимальные значения d/∆ находятся слева от максимумакривой КПД, т.к.
они соответствуют меньшим значениям временинагрева.Исходя из этих значений выбирается частота тока (таблица 7)За предельное увеличение скорости нагрева применяют режим,при котором разность температур поверхности и сердцевинысоставляет 100 0C.При оптимальной частоте тока глубина его проникновениянередко оказывается недостаточной для сквозного нагревазаготовок. Поэтому для выравнивания температур по сечениюзаготовку выдерживают при ее транспортировке от нагревателя кпрессу. При этом минимально допустимая продолжительностьсквозного нагрева заготовок диаметром до 120 мм может бытьопределена по графику на рисунке 64.Рисунок 64 - Графику для определения продолжительности нагревазаготовок в зависимости от их диаметра при частоте в Гц: 1-10000; 22500; 3-8000Следует отметить некоторые разновидности индукционногонагрева.
Так, например, повышение скорости нагрева в 2 - 3 разадостигается применением двух последовательных индуктора и всейустановки применением двух последовательных индукторов сизмененным шагом витков.107В первом индукторе нагрев выполняется с максимальной скоростью до ковочной температуры. Во втором температура поддерживается постоянной на поверхности, а заготовка подогревается за счетглубины проникновения электрического тока и теплопроводностью.Таблица 7 - Оптимальные частоты тока для нагрева сталейЧастотатока, Гц50500100025004000800010000Глубинапроникновения,ммОптимальный диапазон диаметровзаготовок, мм76251711965266-60889-20060-13639-8832-7221-4818-40При этом повышается полный КПД и расширяется диапазонзаготовок, нагреваемых на данной частоте.К недостаткам можно отнести некоторые сложности визготовле-нии установки и повышение требований к культуреобслуживания.Кроме этого, с целью расширения области использования токоввысокой частоты на большие диаметры заготовок применяется двухчастотный нагрев.
Он предусматривает нагрев заготовок до температуры структурных превращений на промышленной частоте. В этотпериод глубина проникновения тока больше, чем на повышеннойчастоте, и отсутствует вибрации. После температуры структурныйпревращений используют ток повышенной частоты.Двухчастотный нагрев целесообразно применять для заготовокдиаметром более 60 мм, где не требуется частая смена индукторов.Осуществляется такой нагрев на двух последовательныхиндукторах: один, работающий на промышленной частоте, другой наповышенной.Для нагрева заготовок профилей (∼300 мм) применяют промышленные частоты тока. Достигается увеличение глубиныпроникновения электрического тока, снижается расход энергиивследствие отсутствия дорогостоящих преобразователей.108К недостаткам можно отнести стоимость аппаратуры и габариты.Но главным недостатком является повышенные вибрации притемпературах нагрева выше 8000C, что снижает срок службы установки.7.2 Устройство и виды индукционных установокИндукционная нагревательная установка (рисунок 65).
Онаработает следующим образом. Трехфазный электродвигатель 2,подключаемый к сети 50 Гц контактором 1, приводит во вращениегенератор- преобразователь частоты 3, к которому черезсогласующий силовой трансформатор 4 подключен индукционныйнагреватель 5.Рисунок 65 - Принципиальная схема индукционной нагревательнойустановки.Для компенсации реактивной мощности индукционногонагревателя параллельно ему подключена конденсаторная батарея 6.Наряду с электромашинными генераторами в качестве источниковпитания установок индукционного нагрева широко применяютсятиристорные статические преобразования частоты.Устанавливаетсяоколоштамповочногооборудования,преобразователи, как правило, в специальном помещении.Подразделяются в зависимости от режима:109- методического действия - заготовки непрерывно перемещаютсячерез индуктор;- периодического действия - заготовки загружаются по однойштуке при выключенной установке;- комбинированные, которые могут работать как методическоготак и периодического действия;- нагреватели для непрерывного нагрева длинных штанг илипрутков.Питаниеиндукционныхнагревателейможетбытьиндивидуальным и централизованным.
В условиях кузнечного цеханеобходимо применять централизованное питание, условиемкоторого является автоматическое поддержание постоянстванапряжений на сборных шинах.Индукционные нагреватели, применяемые в кузнечноштамповочном производстве, конструктивно состоят из средствнагрева – индукторов и механизмов загрузки, перемещения ивыгрузки нагреваемых заготовок (рисунок 66)Рисунок 66 - общий вид индукционного нагревателя методическогодействия (а) и схема питания индуктора заготовками (б)110Принципиальнолюбойиндукционныйнагревательпредставляет собой металлический шкаф, в нижней части которогорасполагают конденсаторную батарею, а в верхней - индуктор имеханизм перемещения заготовок (рисунок 66а), где: 1-сменныйиндуктор; 2-заготовки; 3-механизм перемещения заготовок; 4контрольно-измерительные при-боры (ваттметр, вольтметр ифазометр); 5-реле времени; 7- контактор включения и выключенияиндуктора в сеть; 8-сливная воронка охлаждающей воды; 9-кнопкауправления нагревателем; 10-лоток для схода нагретых заготовок.На рисунке 66, б показана схема питания методическогоиндуктора заготовками.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
