Зателефонуйте нам: 380 44 366 26 74 - E-mail: alfa@ied.org.ua

Про Індукційний Нагрів

Що таке індукційне нагрівання?

Це швидкий, ефективний, точний, безконтактний метод нагрівання металів або інших електропровідних матеріалів з можливістю багаторазового повторення процесу за зразком. До системи індукційного нагріву входить джерело живлення, яке конвертує струм з електромережі та спрямовує його до індукційної котушки, в якій генерується електромагнітне поле. В заготовці, яка розміщена всередині котушки чи розташована поряд із котушкою, створюється струм, який і розігріває оброблюваний матеріал. Котушка має водяне охолодження, вона розташовується навколо заготовки або біля неї. Контакту між котушкою та заготовкою немає, тепло утворюється виключно індукованим струмом, що проходить через заготовку.

Матеріалом робочої заготовки може бути метал (такий, як сталь, мідь, алюміній чи латунь) або напівпровідники (наприклад, графіт або карбід кремнію). Для індукційного нагрівання таких непровідних матеріалів, як пластик або скло, можна використовувати електропровідний струмоприймач (зазвичай графітовий), який передає тепло не електропровідній заготовці.

Індукційне нагрів може використовуватись у процесах з низькими (100 °C) і високими (3000 °C) температурами. Тривалість таких процесів також може бути різною – від менш ніж півсекунди до кількох місяців.

Індукційний нагрів використовується для приготування їжі в домашніх умовах і в комерційних установах. До застосувань цього методу належать також плавка, термообробка, попереднє розігрівання перед зварюванням, паяння твердим і м'яким припоєм, герметизація, гаряче пресування та ін. – у виробництві та науково-дослідницькій роботі.

Як саме працює індукційне нагрівання?

Індукція створює електромагнітне поле в котушці, передаючи енергію заготовці і таким чином розігріваючи її. Навколо дроту, в якому протікає, утворюється магнітне поле.

Електричний струм змінного напрямку створює змінне магнітне поле. При розташуванні у цьому змінному магнітному полі другого дроту в ньому також утворюється змінний струм. У другому провіднику струм прямо пропорційний до струму у першому провіднику і обернено пропорційний до квадрату відстані між провідниками.

Якщо в цій моделі ми замінимо перший провідник котушкою, змінний струм в котушці утворить електромагнітне поле. Роль другого провідника може виконувати заготовка, яку треба нагріти. Тепло генерується у заготовці через втрати енергії на електричний опір матеріалу відповідно до закону Джоуля-Ленца.

Способи індукційного нагрівання

При застосуванні індукції існує два способи нагрівання:

1. Нагрівання вихровими струмами у зв'язку з втратами енергії на електричний опір матеріалу.

2. Гістерезисне нагрівання, коли енергія утворюється в заготовці через те, що котушка змінює магнітну полярність заготовки. Таке нагрівання триває до досягнення температури Кюрі, коли магнітна проникність зменшується до 1 і гістерезисне нагрівання мінімізується. Ефект індукційного нагрівання, що залишається, зумовлений першим способом.

Як працює індукційна котушка?

Робоча котушка використовується для передачі енергії заготовці за допомогою змінного електромагнітного поля.

Змінний струм, що протікає через котушку, утворює електромагніте поле, яке, в свою чергу, генерує струм у робочий заготовці (який є таким собі "дзеркальним відображенням" струму в котушці).

Робоча котушка, яка називається також індуктором, є компонентом системи індукційного нагріву, що визначає ефективність та економічність нагріву заготовки.

Робочі котушки можуть бути різними за складністю виготовлення – від кількох витків звернутої у спіраль мідної трубки до виготовлених на високоточному обладнанні з литої міді котушок зі спаяними разом витками.

Що таке робоча (резонансна) частота?

Робоча частота індукційного нагрівання зумовлюється особливостями заготовки і матеріалом, з якого вона зроблена. Важливо, щоб індукційна система була здатна забезпечити струм з частотами, які відповідають потребам її застосування.

Для полегшення розуміння потреби в різних частотах роботи розгляньмо явище, відоме як "скін-ефект". Коли електромагнітне поле утворює струм в заготовці, він протікає в першу чергу в її поверхні. Що вища робоча частота, тим тонше скін-шар; чим частота нижча, тим щар глибший і тим сильніше проникнення ефекту нагрівання.

Глибина скін-шару (або ж глибина проникнення) залежить від робочої частоти, властивостей матеріалу та температури заготовки. Наприклад, як видно у нижченаведеній таблиці, сталеву заготовку товщиною 20 мм можна розм'якшити нагріванням до 540 ⁰C за допомогою індуктивної системи з частотою 3 кГц. Однак для загартовування цієї ж заготовки за температури 870 ⁰C знадобиться 10 кГц.

Приблизний найменший діаметр заготовки за різних робочих частот

Матеріал Температура 1 кГц 3 кГц 10 кГц 30 кГц
Сталь, холодніша за темп. Кюрі 540 ⁰C 8.89 мм 5.08 мм 2.79 мм 1.27 мм
Сталь, гарячіша за темп. Кюрі 870 ⁰C 68.58 мм 38.10 мм 21.59 мм 9.65 мм

Зазвичай нагрівання індукцією невеликих заготовок вимагає більш високих робочих частот (часто більших за 50 кГц), а більші заготовки ефективніше нагріваються нижчими частотами.

Сучасні системи живлення із вбудованим мікропроцесорним керуванням дозволяють багаторазово виконувати однакові процеси нагрівання за зразком (головне, щоб заготовки мали постійне розташування всередині котушки).

Індукційне нагрівання з високою частотою має неглибокий скін- ефект, більш придатне для тонких заготовок.

Нагрівання з низькою частотою має глибший скін-ефект, що є більш ефективним для великих заготовок.

З чого складається система індукційного нагріву?

Система індукційного нагріву складається з джерела живлення (інвертора), резонансного контура та індуктора. При застосуванні у виробництві для охолодження індуктора необхідне рідинне охолодження, тому типова установка індукційного нагріву зазвичай обладнана системою водяного охолодження.

Система живлення конвертує змінний струм з мережі у змінний струм, який протікає в послідовному резонансному контурі, котрий складається з ємності під'єднаного конденсатора, індуктивності котушки та опору заготовки.

Важливі факти

Потрібне живлення визначається: видом матеріалу, розміром заготовки, потрібним підвищенням температури, часом, потрібним для нагрівання до визначеної температури. Сталь і залізо нагріваються легко, оскільки мають високий опір, в той час як мідь та алюміній вимагають більше електроенергії через свій низький опір.

Деякі марки сталі мають магнітні властивості, тому на них можуть бути використані обидва способи індукційного нагрівання. Нагріваючись вище температури Кюрі (від 500 до 600 ⁰C), сталь втрачає магнітні властивості, але високочастотне нагрівання працює для більш високих температур.

Робоча частота системи індукційного нагріву визначається з огляду на розмір заготовки для обробки. Менші за розміром заготовки для ефективного нагрівання вимагають вищої частоти (> 50 кГц), а більші – нижчої (< 10 кГц), і сильнішого проникнення згенерованого тепла.

З підвищенням температури робочої заготовки збільшуються теплові втрати з неї. Випромінення та втрати через конвекцію стають тим більш важливим фактором, чим сильніше підвищується температура. Задля зниження втрат енергії, при роботі за високих температур часто застосовуються ізоляційні технології.