Индукционные печи.

Индукционный нагрев материала основан на использовании токов Фуко, которые возникают в любом токопроводящем материале, помещенном в магнитное поле индуктора.

Система «индуктор – заготовка» - это трансформатор без сердечника и вторичной обмотки. Индуктор представляет собой первичную обмотку, выполненную из пустотелых медных водоохлаждаемых трубок. В индукторе с помощью специального генератора наводятся токи большой мощности, в результате чего вокруг индуктора возникает мощное электромагнитное излучение (поле).

В электропроводящем материале, помещенном в индуктор, наводится вихревое электрическое поле, которое наводит в объеме материала вторичные вихревые токи (токи Фуко). Вихревые токи разогревают материал согласно закона Джоуля-Ленца.

Толщина нагреваемого слоя обуславливается глубиной проникновения тока в материал. Для металлов эту глубину ∆ - практическую толщину нагреваемого слоя можно приближенно определить с помощью формулы Штейнметца:

м.

где - удельное электрическое сопротивление ;

f – частота (Гц);

- относительная магнитная проницаемость.

Анализируя формулу Штейнметца можно отметить, что с увеличением удельного сопротивления глубина прогрева ∆ возрастает, а сростом частоты и магнитной проницаемости – уменьшается. Необходимо, однако, учитывать, что при нагреве ряда материалов, особенно стали, магнитная проницаемость при определенной температуре падает (в 50-100 раз) и уменьшается до единицы. Эту температуру называют точкой Кюри, в честь ученого в 1895 году открывшего явление перехода ферромагнетика в парамагнетик при достижении ферромагнетиком определенной температуры. Для чистого железа t_k = 768 ^oC, для никеля t_k = 358 ^oC, для кобальта t_k = 1131 ^oC и т.д.

При достижении точки Кюри резко увеличивается глубина прогрева и неравномерность прогрева быстро устраняется.

В мощных плавильных и нагревательных индукционных печах используется, как правило, ток промышленной частоты 50 Гц, т.к. требуется прогрев материала по всему объему.

При термической обработке материала, когда необходима тепловая обработка поверхностного слоя, используются установки с рабочей частотой более 10 КГц.

Во время работы индуктор сильно нагревается, так как сам поглощает собственное излучение и тепловое излучение от нагреваемого материала. Поэтому индукторы изготавливают из медных, водоохлаждаемых трубок.

Индукционный нагрев широко применяется при:

- термообработке, особенно поверхностной закалке материала, и термообработке деталей сложной формы (коленвалы, распредвалы и т.д.):

- сверхчистая бесконтактная плавка, пайка, сварка металла;

- в ювелирном деле;

- получение опытных образцов сплавов;

- обеззараживание медицинского инструмента;

Индукционный нагрев имеет ряд преимуществ перед другими способами нагрева:

- высокоскоростной, экологичный разогрев любого электропроводящего материала;

- возможность нагрева в регулируемой среде или вакууме;

- нагрев через не электропроводную поверхность, оболочку;

- интенсивное перемешивание расплава за счет МГД усилий;

- возможность проведения местного нагрева, в том числе и деталей сложной геометрической формы;

- компактность установки за счет небольшого размера индуктора;

- возможность полной автоматизации циклов и режимов печи.

К недостаткам можно отнести сложность оборудования и необходимость наличия квалифицированного персонала по обслуживанию к ремонту.

Схема тигельной индукционной плавильной печи представлена на рис. ­­__

Рис. __ Общий вид тигельной ИП типа ИЧТ – 6.

1 – футеровка тигля; 2 – обмотка индуктора; 3 – металлический каркас печи;

4 – трехэлектронный сигнализатор системы автоматики; 5 – экранирующий магнитопровод; 6 – сливной желоб.

Футеровка печи.

Существует несколько способов изготовления футеровки печи (тигля):

- установка готового керамического тигля внутрь индуктора с засыпкой кольцевого зазора порошком из огнеупорного материала;

- кладка тигля фасонными изделиями и засыпкой буферного слоя 25 – 30 мм между тиглем и индуктором;

- набивка по шаблону из сухих порошкообразных масс тигля, непосредственно в печи, с последующим спеканием массы в течении рабочей кампании.

Стойкость футеровки тигля для плавильных печей составляет от 20 до 80 плавок. Как правило, с увеличением емкости печи стойкость тигля уменьшается.

В машиностроении широко применяются установки поверхностного или сквозного нагрева изделий.

Как правило, они делятся на установки:

- универсальные, для нагрева деталей простой формы и определенного типа (цилиндр и т.д.);

- специальные, для обработки деталей сложной конфигурации.

На рис. ___ показана установка для поверхностной закалки шеек коленчатых валов, где используются разъемные индукторы.

Рис. __ Станок для закалки шеек коленчатого вала:

1- гидравлические центры; 2 – гидравлические цилиндры; 3 – трансформаторы; 4 – верхняя половина индуктора; 5 – нижняя половина индуктора.

Продолжительность закалки с учетом времени на установку и снятие вала, составляет до 200 с.

Индукционный нагрев применяют также при закалке шестерен, элементов подшипников и т.д.

В последнее годы стали внедрятся в промышленную термообработку индукционные соляные печи (ИВС) ванного типа «Вулкан».

Термообработка изделий проводится в расплавах солей, преимущественно и .

Рабочее пространство может иметь любую конфигурацию и объем.

В ИВС реализуются конвекционно-индукционный способ нагрева изделия. Изделие нагревается за счет конвективного теплообмена с нагретым расплавом и генерируемой тепловой энергией непосредственно в изделие вследствие воздействия высокочастотного электромагнитного поля индуктора. Это позволяет на 15 – 20 % сократить время нагрева по сравнению с нагревом в обычных соляных ваннах сопротивления. Значительно уменьшается также время пуска печи.