ЭЛЕКТРОСПЕЦ
ЭЛЕКТРОСПЕЦ

3.Электротермические установки,электроустановки индукционного нагрева

Основы индукционного нагрева

Индукционный нагрев проводящих тел основан на поглощении электромагнитной энергии, возникновеиин наведенных вихревых токов, гревающих тело по закону Джоуля-Ленца.
Принципиальная схема индукционного нагрева включает: индуктор, зазор и нагреваемое тело.
Индуктор создает переменный во времени магнитный поток, действующий на нагреваемое тело.
В нагреваемом теле возникает ЭДС (Е), которая обеспечивает возникновение вихревых токов (I) и выделение мощности (Р).

Формы индукторов различны — цилиндрическая, плоская и др.
Индукторы изготавливают обычно из меди — немагнитного материала, охлаждаемого водой.
Он имеет много витков и может быть снаружи и внутри нагреваемого тела.
Максимальное значение КПД индуктора ηи = 0,70...0,88.
Коэффициент мощности зависит от зазора — чем больше зазор между индуктором и нагреваемым телом, тем ниже cos φ.
Глубина нагрева тела увеличивается с ростом его удельного сопротивления и снижается с увеличением частоты тока.
Достоинствами электроустановок индукционного нагрева являются:
- высокая скорость нагрева и неограниченный уровень температур,
- простота автоматизации технологического процесса,
- возможность регулирования зоны действия вихревых токов в пространстве (ширина и глубина прогрева),
- хорошие санитарно-гигиенические условия труда.
Но, вместе с этим, требуются более сложные источники питания и повышенный удельный расход ЭЭ на технологические операции.
Ток индукторов составляет от сотен до нескольких тысяч «А» при средней плотности тока 20 А/мм2.
Индукционный способ нагрева применяется для:
- плавки металлов и неметаллов,
- поверхностной закалки,
- нагрева изделий для пластической деформации и т.п.

Индукционные ЭТУ разделяются на плавильные, нагревательные и закалочные.
Они могут работать от источников на частотах:
50 Гц—промышленная;
0,5-10 кГц — средняя;
сотни—тысячи кГц — высокая.

Индукционные плавильные установки

Плавильные установки (печи) разделяются по конструкции на индукционные канальные печи (ИКП) и индукционные тигельные печи (ИТП).
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). Применяются для производства фасонного литья из черных и цветных
металлов.
Рабочие температуры печей: 750 °С — для выплавки алюминия, 1200 °С — для выплавки меди, 1200-1400 °С — для выплавки чугуна, 1600 °С — для выплавки стали.
Индукционные канальные печи (ИКП) работают только на промышленной частоте.
Схема и конструкция однофазной ИКП представлена на рис. 1.2-7.

Канал с расплавленным металлом (1) является короткозамкнутым витком вторичной обмотки трансформатора.
В канале расходуется 90-95 % подведенной к печи электрической энергии.
С целью уменьшения потока рассеяния (Фs) первичную (W1) и вторичную (W2) обмотки располагают на одном стержне магнитопровода, по которому проходит основной магнитный поток (Ф1,).
Магнитный поток первичной обмотки Ф1, пересекая канал с металлом, наводит в нем ЭДС.
Возникающий в короткозамкнугом витке (канал с металлом) ток, проходя по металлу, выделяет теплоту согласно закону Джоуля-Ленца.
По конструкции ИКП представляет собой футерованную ванну (7), заключенную в металлический корпус (6).
Индукционная единица состоит из индуктора (3), шихтованного магни-топровода (2) из трансформаторной стали и подового камня (10) с охватывающими индуктор плавильными каналами (1).
Для слива металла (8) через сливной носок (4) печь наклоняется 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.
ЭСН к индуктору подводится по гибким кабелям.
Достоинством ИКП является их высокий энергетический КПД, достигающий 60-95 %.
Вследствие большого зазора между индуктором и каналом печи, что вызвано необходимостью футеровки, реактивная мощность печи в несколько раз больше ее активной мощности, поэтому естественный cos φn = 0,3...0,7.
Меньшие значения коэффициента мощности соответствуют ИКП для плавки металлов с низким удельным сопротивлением (медь, алюминий), а большие значения — с высоким (сталь, чугун).
Особенностями ИКП являются:
- необходимость непрерывного режима работы,
- необходимость оставления части металла при сливе (20 -30 % от полной емкости печи),
- сложность перехода к плавке других металлов.
При плавке удельный расход ЭЭ составляет:
270-330 кВт • ч/т— при плавке меди, емкость печи 16 т, удельная мощность 30 кВт/т, производительность до 10 т/ч (13-15 т/ч при плавке латуни).
360-500 кВт • ч/т — при плавке алюминия, емкость печи от 0,17 до 40 т, производительность от 0,075 до 10 т/ч.
95-110 кВт • ч/т—при плавке цинка, емкость печи до 100 т, производительность 30 т/ч.

Индукционные нагревательные установки (ИНУ)

Такие установки относятся к установкам сквозного нагрева. ИНУ сквозного нагрева применяются для нагрева заготовок под последующую пластическую деформацию: ковку, штамповку, прессовку, прокатку и т.д.
Необходимая частота для сквозного нагрева цилиндрических стальных заготовок приентировочио может быть определена из соотношения:

Источники питания ИНУ выполняют на частотах от 50 Гц до 10 кГц (промышленная и средняя).
По режиму работы ИНУ подразделяются на установки периодического и непрерывного действия.
В установках периодического действия нагревается только одна заготовка или ее часть.
В установках непрерывного действия одновременно находится несколько заготовок, расположенных в продольном ияи поперечном поле. В процессе нагрева они перемещаются по длине индуктора, нагреваясь до заданной температуры. В таких нагревателях полнее используется мощность источника питания, выше КПД и производительность, чем у установок периодического действия.
Индукторы выполняются круглого, овального, каадратного или прямоугольного сечения. Дня нагрева концов заготовок—щелевыми или петлевыми.

Индукционные закалочные установки (ИЗУ)

Такие установки относятся к установкам поверхностного нагрева, который основан на поверхностном эффекте и эффекте близости.
Прн проявлении поверхностного эффекта ток в нагреваемом изделии распределяется неравномерно. Наибольшая плотность тока имеет место в поверхностных слоях изделия.
Рост плотности тока от центра к поверхности заготовки происходит по экспоиенциальному закону:

Из этого следует, что при высокой частоте в поверхностных слоях можно получить большие плотности тока, обеспечивающие быстрый нагрев металла.
ИЗУ применяются для подготовки детали 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 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 ЭЭ.
Индукторы характеризуются удельной поверхностной мощностью (Вт/м2), которая зависит от частоты тока (ƒ), глубины прогрева (∆l), размеров нагреваемых изделий и изменяется в широких пределах.
Оптимальная частота, необходимая для нагрева на заданную глубину, определяется из соотношения:


Электрический КПД (ηэ) индуктора зависит от ряда величин: геометрических размеров индуктора и детали, удельного сопротивления их материалов, магнитной проницаемости металла заготовки.
Так ηэ = 0,7...0,8 при нагреве стали и ηэ = 0,5 при нагреве цветных металлов.
Тепловой КПД индуктора (ηт) при неизменной удельной мошности падает с повышением частоты и увеличением габаритов заготовки, снижением ее теплопроводности.
Так при высокотемпературном нагреве тугоплавких металлов (вольфраме, молибдена и др.)
ηт = 0,5...0,3.
Естественный коэффициент мощности ИЗУ низок, поэтому необходим выбор компенсирующей конденсаторной батареи.

Распространненым примером ИЗУ являются ламповые генераторы.
Ламповые генераторы предназначены для получения высоких частот (50-5000 кГц).
Принципиальная электрическая схема лампового генератора представлена на рис. 1.2-10.

Такие генераторы изготавливают на мощности более 20 кВт с промежуточным звеном постоянного тока, что повышает КПД установки. Ламповый генератор (ЛГ) собирается из четырех отдельных блоков.
БП представлает собой силовой трансформатор (Т), повышающий напряжение цеховой сети до 6-10 кВ, обмотки которого могут соединяться «звездой» или «треугольником».
БВ представляет собой выпрямительный мост на тиратронах или на высоковольтных кремниевых вентилях. На выходе моста — выпрямленный ток напряжением до 9-15 кВ.
БГ представляет собой трехэлектродную лампу (ЛГ), преобразующую энергию постоянного тока в энергию высокочастотных электрических колебаний.
Генератор собран по схеме с самовозбуждением (автогенератор). Напряжение возбуждения подается на ЛГ от собственной системы колебательных контуров через обратную связь. Для получения незатухающих колебаний на сетку ЛГ подается напряжение, находящеесе в противофазе с ее анодным напряжением, что достигается применением индуктивной обратной связи от колебательного контура.
Анодное напряжение подводится к ЛГ через сглаживающий дроссель ( Lд ), а для разделения цепей постоянного и переменного тока предназначена разделительная емкость (Ср ).
БКК представляет собой колебательный контур, состоящий из конденсаторной батареи (Ск) и воздушного трансформатора (Lв), во вторичную цепь которого включен индуктор (И).