Что такое индукционный нагрев. Индукционный нагреватель — что это и как собрать прибор самостоятельно

Печь для плавки металлов в домашних условиях может использоваться также для быстрого нагрева металлических элементов, например, при их лужении или формовке. Характеристики работы представленных установок можно подогнать под конкретную задачу, меняя параметры индуктора и выходной сигнал генераторных установок - так можно добиться их максимальной эффективности.

Прежде чем разговаривать о принципе работы индукционного нагрева следует вообще выяснить, что же это такое. – это процесс технологичной обработки металлов под воздействием высоких температур. На производстве индукционный нагрев используется для сварки, плавки, пайки ТВЧ, закалки, ковки, деформации и термообработки. Современные предприятия по обработке металла используют индукционный нагрев, потому что он смог привлечь своими достоинствами,

среди которых хочется отметить высокую скорость работу, хорошие результаты, энергетическую эффективность оборудования, а также автоматизированный контроль над рабочим процессом.
Принципы индукционного нагрева для производственных процессов применяются примерно с 20-х годов. В период Второй мировой войны ученые старались как можно быстрее развивать новейшие технологии, чтобы использоваться их в сложившейся ситуации. Как раз во время войны возникла острая необходимость в изобретении надежного и быстрого процесса, дающего возможность получать более прочные металлические изделия.
В настоящее время ученые нацелены на поиск технологий, позволяющих производить все необходимые технологичные процессы со сбережением природных ресурсов и времени. Конечно же, повышенный контроль качества также оказал немаловажное влияние на создание оборудования, способного производить быструю, экономичную и качественную работу. На сегодняшний день индукционный нагрев активно применяется производителями на металлургических предприятиях.

Как работает индукционный нагрев

Переменный ток, подающийся от генератора электрической энергии, оказывает воздействие на первичную обмотку трансформатора, создавая мощное электромагнитное поле. Применяя на практике закон Фарадея о воздействии на вторичную обмотку, размещенную внутри образовавшегося магнитного поля, можно получить электрическую энергию.
Если рассматривать стандартную конструкцию индукционного нагревателя , то будет видно, что переменный ток проходит через индуктор (который, как правило, выполнен в виде медной катушки) и образует тепловую энергию в металлическом изделии, размещенном в индукторе. В данном случае индуктор – это первичная обмотка трансформатора, а размещенная в нем деталь – вторичная.
Электромагнитное поле, проходящее через металлическое изделие, создает в нем так называемые токи Фуко. Токи Фуко имеют направление противоположное электрическому сопротивлению металла. Тепловая энергия образуется непосредственно в металле без достижения прямого контакта между металлом и индуктором. Данный эффект принято называть «Эффектом Джоуля», так как он основан на первом законе ученого.

Индукционный нагрев - достоинства

Выше мы уже говорили о том, что масштабное применение индукционного нагрева началось не просто так, и всему причиной стали достоинства, которыми обладает индукционное оборудование. Ниже мы более подробно рассмотрим эти преимущества.
Какими же преимуществами обладает оборудование индукционного нагрева, если сравнивать его с альтернативными способами обработки металла?

1. Высокая производительность. Индукционный нагрев позволяет повысить производительность предприятия благодаря быстрому запуску установок и нагреву изделий за короткий промежуток времени. Нагрев происходит почти мгновенно после запуска установки. Нет необходимости предварительно нагревать или охлаждать оборудование.
2. Прочность конструкции. Тепловая энергия, как уже было рассмотрено выше, образуется непосредственно в металле, что позволяет сохранить целостность изделия. При использовании индукционного нагревателя в производстве получается минимальное количество брака. Чтобы получить максимальный эффект от обработки металла можно размещать металл в специальной вакуумной среде, защищая его тем самым от окисления.
3. Высокая энергетическая эффективность. Индукционный нагреватель позволяет экономить электрическую энергию, используя лишь ее малое количество для образования мощного электромагнитного поля. Все ожидания после запуска установки сведены к минимуму, что так же экономит производственные ресурсы, и позволяет получить изделие с более низкой себестоимостью.
4. Автоматизированный рабочий процесс. Благодаря программному обеспечению, установленному в индукционную установку, весь рабочий процесс может контролироваться автоматически, что дает возможность получения более точных результатов обработки.
5. Чистая экология. Индукционный нагрев безопасен с экологической точки зрения. Во время работы индукционной установки в воздух не выделяются никакие вредные вещества, а так как открытого пламени нет, то отсутствует и задымление. Индукционный нагреватель имеет высокий уровень пожаробезопасности.

Индукционный нагрев – это отличный современный способ, позволяющий производить качественную и быструю обработку металла высокими температурами.
Задать любой интересующий вопрос, касающийся индукционного оборудования, вы можете на нашем форуме или, позвонив одному из специалистов компании, все телефоны указаны в разделе «Контакты».

7.1.3. ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВ

Начальный период. Индукционный нагрев проводников основан на физическом явлении электромагнитной индукции, открытом М. Фарадеем в 1831 г. Теорию индукционного нагрева начали разрабатывать О. Хэвисайд (Англия, 1884 г.), С. Ферранти, С. Томпсон, Ивинг. Их работы явились основой для создания техники индукционного нагрева. Так как при индукционном нагреве теплота выделяется в проводящем теле - слое, равном глубине проникновения электромагнитного поля, то появляются возможности точного управления температурой для обеспечения качественного нагрева при высокой производительности. Другим преимуществом является бесконтактность нагрева.

Индукционные канальные печи с открытым каналом. Одна из первых известных конструкций индукционной канальной печи (ИКП) была предложена С. Ферранти (Италия) в 1887 г. Печь имела керамический канал, а плоские катушки индуктора были размещены над и под этим каналом. В 1890г. Е.А. Колби (США) предложил конструкцию печи, у которой индуктор охватывает круговой канал снаружи.

Первую промышленную печь со стальным сердечником и индуктором, размещенным внутри канала (рис. 7.7), создал в 1900 г. Кьеллин (Швеция). Мощность печи 170 кВт, емкость до 1800 кг, частота 15 Гц. Питание от специального генератора пониженной частоты, что необходимо из-за низкого значения коэффициента мощности. К 1907 г. в эксплуатации находились 14 подобных печей.

Рис. 7.7. Эскиз индукционной печи с открытым каналом, созданной Кьеллииым1 - канал; 2 - индуктор; 3 - магнитопровод

В 1905 г. Рёхелинг-Роденхаузер (Германия) сконструировал многофазные канальные печи (с двумя и тремя индукторами), в которых каналы соединены с ванной, питание от сети 50 Гц. В последующих конструкциях печей использовались также закрытые каналы для плавки цветных металлов. В 1918 г. В. Рон (Германия) построил вакуумную ИКП по типу печи Кьеллина (давление 2–5 мм рт.ст.), что позволило получить металл с лучшими механическими свойствами.

В связи с рядом преимуществ печей с закрытым каналом развитие печей с открытым каналом приостановилось. Однако были продолжены попытки использования таких печей для плавки стали.

В 30-х годах в США для переплава скрапа нержавеющей стали использовалась однофазная ИКП емкостью 6 т с открытым каналом и питанием от генератора мощностью 800 кВт и частотой 8,57 Гц. Печь работала в дуплекс-процессе с дуговой печью. В 40–50-е годы в Италии применялись ИКП с открытым каналом для плавки стали емкостью 4–12 т, изготовленные фирмой «Таглиаферри». В дальнейшем от использования таких печей отказались, так как они уступали по своим характеристикам дуговым и индукционным тигельным сталеплавильным печам.

Индукционные канальные печи с закрытым каналом. С 1916 г. стали разрабатываться вначале опытные, а затем промышленные ИКП с закрытым каналом. Серия ИКП с закрытым каналом разработана фирмой «Аякс - Уатт» (США). Это шахтные однофазные печи с вертикальным каналом для плавки медноцинковых сплавов мощностью 75 и 170 кВ?А и емкостью 300 и 600 кг. Они явились основой для разработок ряда фирм.

В те же годы во Франции были изготовлены шахтные печи с горизонтальной трехфазной индукционной единицей (мощностью 150, 225 и 320 кВт). В Англии фирма «Дженерал электрик лимитед» предложила модификацию печи с двумя каналами на индуктор, при их несимметричном расположении, что вызывает циркуляцию расплава и снижение перегрева.

Печи Э. Русса (Германия) выпускались с двумя и тремя каналами на индуктор (вертикальное и горизонтальное исполнение). Э. Руссом также была предложена конструкция сдвоенной индукционной единицы (ИЕ), подключаемой к двум фазам.

В СССР в 30-е годы ИКП по типу печей фирмы «Аякс - Уатт» стали выпускаться на Московском электрозаводе. В 50-е годы ОКБ «Электропечь» разработало печи для плавки меди и ее сплавов емкостью 0, 4–6,0 т, а затем и 16 т. В 1955 г. на заводе в г. Белая Калитва пущена ИКП для плавки алюминия емкостью 6 т.

В 50-е годы в США и Западной Европе ИКП стали широко применяться в качестве миксеров при плавке чугуна в дуплекс-процессе с вагранкой или дуговой электропечью. Для увеличения мощности и снижения перегрева металла в канале разрабатывались конструкции ИЕ с однонаправленным движением расплава (Норвегия). Тогда же были разработаны отъемные ИЕ. В 70-е годы фирма «Аякс магнетермик» разработала сдвоенные ИЕ, мощность которых в настоящее время достигает 2000 кВт. Подобные разработки в те же годы выполнены и во ВНИИЭТО. В разработках ИКП различных типов активно участвовали Н.В. Веселовский, Э.П. Леонова, М.Я. Столов и др.

В 80-е годы развитие ИКП в нашей стране и за рубежом было направлено на увеличение областей применения и расширение технологических возможностей, например применение ИКП для получения труб из цветных металлов методом вытягивания из расплава.

Индукционные тигельные печи. Так как индукционные тигельные печи (ИТП) малой емкости могут эффективно работать только на частотах выше 50 Гц, то их создание сдерживалось из-за отсутствия соответствующих источников питания - преобразователей частоты. Тем не менее в 1905–1906 гг. ряд фирм и изобретателей предложили и запатентовали ИТП, к ним относятся фирма «Шнейдер - Крезо» (Франция), О. Цандер (Швеция), Герден (Англия). В это же время конструкцию ИТП разработал А.Н. Лодыгин (Россия).

Первую промышленную ИТП с искровым высокочастотным генератором разработал в 1916 г. Э.Ф. Нортруп (США). С 1920 г. эти печи стала выпускать фирма «Аякс электротермию). В это же время ИТП с питанием от вращающегося искрового разрядника разрабатывает Ж. Рибо (Франция). Фирма «Метрополитен - Виккерс» создала ИТП высокой и промышленной частоты. Вместо искровых генераторов использовались машинные преобразователи с частотой до 3000 Гц и мощностью 150 кВ?А.

В.П. Вологдин в 1930–1932 гг. создал промышленные ИТП емкостью 10 и 200 кг с питанием от машинного преобразователя частоты. В 1937 г. он же построил ИТП с питанием от лампового генератора. В 1936 г. А.В. Донской разработал универсальную индукционную печь с ламповым генератором мощностью 60 кВ?А.

В 1938 г. для питания ИТП (мощность 300 кВт, частота 1000 Гц) фирма «Броун - Бовери» использовала инвертор на многоанодном ртутном вентиле. С 60-х годов стали использоваться тиристорные инверторы для питания индукционных установок. С увеличением емкости ИТП стало возможным эффективное применение питания током промышленной частоты.

В 40–60-х годах ОКБ «Электропечь» разработало несколько типов ИТП: повышенной частоты для плавки алюминия емкостью 6 т (1959 г.), чугуна емкостью 1 т (1966 г.). В 1980 г. на заводе в г. Баку изготовлена печь емкостью 60 т для плавки чугуна (разработка ВНИИЭТО по лицензии фирмы «Броун - Бовери»). Большой вклад в разработку ИТП во ВНИИЭТО внесли Э.П. Леонова, В.И. Кризенталь, А.А. Простяков и др.

В 1973 г. фирма «Аякс магнетермик» совместно с исследовательской лабораторией фирмы «Дженерал моторе» разработала и ввела в эксплуатацию горизонтальную тигельную печь непрерывного действия для плавки чугуна емкостью 12 т и мощностью 11 МВт.

Начиная с 50-х годов стали развиваться специальные виды индукционной плавки металлов:

вакуумная в керамическом тигле;

вакуумная в гарнисаже;

вакуумная в холодном тигле;

в электромагнитном тигле;

во взвешенном состоянии;

с использованием комбинированного нагрева.

Вакуумные индукционные печи (ВИП) до 1940 г. применялись только в лабораторных условиях. В 50-х годах некоторые фирмы, в частности «Хереус», стали разрабатывать промышленные ВИП, единичная емкость которых стала быстро возрастать: 1958 г. - 1–3 т, 1961–5 т, 1964–15–27 т, 1970–60 т. В 1947 г. МосЗЭТО изготовил первую вакуумную печь емкостью 50 кг, а с 1949 г. начал серийное производство ВИП емкостью 100 кг. В середине 80-х годов производственное объединение «Сибэлектротерм» по разработкам ВНИИЭТО изготавливало модернизированные ВИП емкостью 160, 600 и 2500 кг для плавки специальных сталей.

Индукционная плавка химически активных сплавов в гарнисажных печах и печах с медным водоохлаждаемым (холодным) тиглем стала применяться в 50-х годах. Печь с порошкообразным гарнисажем была разработана Н.П. Глухановым, Р.П. Жежериным и др. в 1954 г., а печь с монолитным гарнисажем - М.Г. Коганом в 1967 г. Идея индукционной плавки в холодном тигле предложена еще в 1926 г. в Германии фирмой «Сименс - Гальске», но применения не нашла. В 1958 г. В ИМЕТ совместно с ВНИИ токов высокой частоты им. В.П. Вологдина (ВНИ-ИТВЧ) под руководством А.А. Фогеля проведены опыты по индукционной плавке титана в холодном тигле.

Стремление снизить загрязнение металла и тепловые потери в холодном тигле привели к использованию электромагнитных сил для отжатия металла от стенок, т.е. к созданию «электромагнитного тигля» (Л.Л. Тир, ВНИИЭТО, 1962 г.)

Плавка металлов во взвешенном состоянии для получения особо чистых металлов была предложена в Германии (О. Мук) еще в 1923 г., но не получила распространения из-за отсутствия источников питания. В 50-е годы этот метод начал развиваться во многих странах. В СССР много работали в этом направлении сотрудники ВНИИТВЧ под руководством А.А. Фогеля.

Плавильные ИКП и ИТП комбинированного нагрева стали применяться с 50-х годов вначале с использованием мазутных и газовых горелок, например ИКП для переплава алюминиевой стружки (Италия) и ИТП для чугуна (Япония). Позднее получили распространение плазменно-индукционные тигельные печи, например разработанная ВНИИЭТО в 1985 г. серия опытно-промышленных печей емкостью 0,16–1,0 т.

Установки индукционной поверхностной закалки. Первые опыты по индукционной поверхностной закалке проведены в 1925 г. В.П. Вологдиным по инициативе инженера Путиловского завода Н.М. Беляева, которые были признаны неудачными, так как в то время стремились к сквозной закалке. В 30-х годах В.П. Вологдин и Б.Я. Романов возобновили эти работы и в 1935 г. получили патенты на закалку с использованием токов высокой частоты. В 1936 г. В.П. Вологдин и А.А. Фогель получили патент на индуктор для закалки шестерен. В.П. Вологдин и его сотрудники разрабатывали все элементы закалочной установки: вращающийся преобразователь частоты, индукторы и трансформаторы (рис. 7.8).

Рис. 7.8. Закалочная установка для последовательной закалки

1 - закаливаемое изделие; 2 - индуктор; 3 - закалочный трансформатор; 4 - преобразователь частоты; 5 - конденсатор

С 1936 г. Г.И. Бабат и М.Г. Лозинский на заводе «Светлана» (Ленинград) исследовали процесс индукционной закалки с использованием высоких частот при питании от лампового генератора. С 1932 г. закалка током средней частоты стала внедряться фирмой ТОККО (США).

В Германии в 1939 г. Г.В. Зойлен осуществил поверхностную закалку коленчатых валов на заводах фирмы АЕГ. В 1943 г. К. Кегель предложил специальную форму индуктирующего провода для закалки зубчатого колеса.

Широкое применение поверхностной закалки началось с конца 40-х годов. За 25 лет с 1947 г. ВНИИТВЧ разработал свыше 300 закалочных устройств, в том числе введены в эксплуатацию автоматическая линия для закалки коленчатых валов и установка для закалки железнодорожных рельсов по всей длине (1965 г.). В 1961 г. пущена первая установка для закалки шестерен из стали пониженной прокаливаемости на автозаводе им. Лихачева (ЗИЛ) (технология разработана К.З. Шепеляковским).

Одним из направлений развития индукционной термообработки в последние годы стали технологии закалки и отпуска труб нефтяного сортамента и газопроводных труб большого диаметра (820–1220 мм), строительных арматурных стержней, а также упрочнения железнодорожных рельсов.

Установки сквозного нагрева. Применение индукционного нагрева металлов для различных целей, кроме плавки, на первом этапе носило поисковый характер. В 1918 г. М.А. Бонч-Бруевич, а затем и В.П. Вологдин применили для нагрева анодов электронных ламп при их вакуумировании (дегазации) токи высокой частоты. В конце 30-х годов в лаборатории завода «Светлана» проводились опыты по использованию индукционного нагрева до температуры 800–900°С при обработке стального вала диаметром 170 и длиной 800 мм на токарном станке. Использовался ламповый генератор мощностью 300 кВт и частотой 100–200 кГц.

С 1946 г. в СССР начались работы по использованию индукционного нагрева при обработке давлением. В 1949 г. введен в эксплуатацию первый кузнечный нагреватель на ЗИЛе (ЗИСе). Эксплуатация первой индукционной кузницы начата на Московском заводе малолитражных автомобилей (МЗМА, позднее АЗЛК) в 1952 г. Интересная двухчастотная установка (60 и 540 Гц) для нагрева стальных заготовок (сечение - квадрат 160x160 мм) под обработку давлением была запущена в Канаде в 1956 г. Подобная же установка разработана в ВНИИТВЧ (1959 г.). Промышленная частота используется при этом для нагрева до точки Кюри.

Для прокатного производства в 1963 г. ВНИИТВЧ изготовил нагреватель слябов (габариты 2,5x0,38x1,2 м) мощностью 2000 кВт на частоту 50 Гц.

В 1969 г. на металлургическом заводе фирмы «Маклаут стил корп.» (США) применен индукционный нагрев стальных слябов массой около 30 т (габариты 7,9x0,3x1,5 м) с использованием шести технологических линий (18 индукторов промышленной частоты общей мощностью 210 МВт).

Индукторы имели специальную форму, обеспечивающую равномерность нагрева сляба. Работы по применению индукционного нагрева в металлургии велись также и во ВНИИЭТО (П.М. Чайкин, С.А. Яицков, А.Э. Эрман).

В конце 80-х годов в СССР индукционный нагрев использовался приблизительно в 60 кузнечных цехах (прежде всего на заводах автотракторной и оборонной промышленности) с общей мощностью индукционных нагревателей до 1 млн. кВт.

Низкотемпературный нагрев на промышленной частоте. В 1927–1930 гг. на одном из уральских оборонных заводов начались работы по индукционному нагреву на промышленной частоте (Н.М. Родигин). В 1939 г. там с успехом работали достаточно мощные индукционные нагревательные установки для термообработки изделий из легированной стали.

В ЦНИИТмаше (В.В. Александров) также проводились работы по применению промышленной частоты для термообработки, нагрева под посадку и т.д. Ряд работ по низкотемпературному нагреву выполнен под руководством А.В. Донского. В НИИжелезобетона (НИИЖБ), Фрунзенском политехническом институте и других организациях в 60–70-х годах проводились работы по термообработке железобетонных изделий с использованием индукционного нагрева на частоте 50 Гц. ВНИИЭТО также разработал ряд промышленных установок низкотемпературного нагрева для подобных целей. Разработки МЭИ (А.Б. Кувалдин) в области индукционного нагрева ферромагнитной стали были использованы в установках для подогрева деталей под наплавку, термообработки стали и железобетона, обогрева химических реакторов, пресс-форм и др. (70–80-е годы).

Высокочастотная зонная плавка полупроводников. Метод зонной плавки был предложен в 1952 г. (В.Г. Пфанн, США). Работы по высокочастотной бестигельной зонной плавке в нашей стране начались в 1956 г., и во ВНИИТВЧ был получен монокристалл кремния диаметром 18 мм. Созданы различные модификации установок типа «Кристалл» с индуктором внутри вакуумной камеры (Ю.Э. Недзвецкий). В 50-е годы изготовление установок для вертикальной бестигельной зонной плавки кремния с индуктором снаружи вакуумной камеры (кварцевой трубы) осуществлялось на заводе «Платиноприбор» (Москва) совместно с Государственным институтом редких металлов (Гиредмет). Начало серийного производства установок «Кристалл» для выращивания монокристаллов кремния относится к 1962 г. (на Таганрогском ЗЭТО). Диаметр получаемых монокристаллов достиг 45 мм (1971 г.), а позднее и свыше 100 мм (1985 г.)

Высокочастотная плавка оксидов. В начале 60-х годов Ф.К. Монфорт (США) провел плавку оксидов в индукционной печи (выращивание монокристаллов ферритов при использовании токов высокой частоты - радиочастот). Тогда же А.Т Чэпмен и Г.В. Кларк (США) предложили технологию переплавления поликристаллического оксидного блока в холодном тигле. В 1965 г. Ж. Рибо (Франция) получил расплавы оксидов урана, тория и циркония при использовании радиочастот. Плавка этих оксидов происходит при высоких температурах (1700–3250 °С), и поэтому требуется большая мощность источника питания.

В СССР технология высокочастотной плавки оксидов разработана в Физическом институте АН СССР (A.M. Прохоров, В.В. Осико). Оборудование разрабатывали ВНИИТВЧ и Ленинградский электротехнический институт (ЛЭТИ) (Ю.Б. Петров, А.С. Васильев, В.И. Добровольская). Созданные ими установки «Кристалл» в 1990 г. имели общую мощность свыше 10 000 кВт, на них производились сотни тонн оксидов высокой степени чистоты в год.

Высокочастотный нагрев плазмы. Явление высокочастотного разряда в газе известно с 80-х годов XIX в. В 1926–1927 гг. Дж.Дж. Томсон (Англия) показал, что безэлектродный разряд в газе создается индуцированными токами, а Дж. Таунсенд (Англия, 1928 г.) объяснял разряд в газе действием электрического поля. Все эти исследования проводились при пониженных давлениях.

В 1940–1941 гг. Г.И. Бабат на заводе «Светлана» при дегазации электронных ламп с использованием высокочастотного нагрева наблюдал плазменный разряд, а затем впервые получил разряд при атмосферном давлении.

В 50-е годы в разных странах проводились работы по высокочастотной плазме (Т.Б. Рид, Ж. Рибо, Г. Баркхофф и др.). В СССР они велись с конца 50-х годов в Ленинградском политехническом институте (А.В. Донской, С.В. Дресвин), МЭИ (М.Я. Смелянский, С.В. Кононов), ВНИТВЧ (И.П. Дашкевич) и др. Исследовались разряды в различных газах, конструкции плазмотронов и технологии с их использованием. Были созданы высокочастотные плазмотроны с кварцевой и с металлической (для мощностей до 100 кВт) водоохлаждаемой (создана в 1963 г.) камерами.

В 80-х годах высокочастотные плазмотроны мощностью до 1000 кВт на частоты 60 кГц - 60 МГц применялись для получения особо чистого кварцевого стекла, пигментного диоксида титана, новых материалов (например, нитридов и карбидов), особо чистых ультрадисперсных порошков и разложения отравляющих веществ.