Электроустановки индукционного нагрева

Индукционный нагрев проводящих тел основан на поглощении ими электромагнитной энергии, возникшей от наведённых вихревых токов, нагревающих тело по закону Джоуля — Ленца.

Принципиальная схема индукционного нагрева включает: индуктор, зазор и нагреваемое тело.

Индуктор создаёт переменный во времени магнитный поток, действующий на нагреваемое тело, в котором возникает ЭДС (?), обеспечивающая возникновение вихревых токов (I). ЭДС равна.

где Ф — магнитный поток, создаваемый индуктором, Вб; w — число витков индуктора, шт.;/- частота питающей сети, Гц.

Мощность, выделяемая в нагреваемом теле:

где R — сопротивление нагреваемого тела, Ом; Z — полное сопротивление цепи, Ом.

Индукторы имеют различную форму: цилиндрическую, плоскую и др. Индукторы изготавливают обычно из меди — немагнитного материала, охлаждаемого водой. Он имеет много витков и может быть расположен снаружи или внутри нагреваемого тела. Максимальное КПД индуктора 0,70−0,88. Ток индукторов составляет от сотен до нескольких тысяч ампер при средней плотности тока 2А/мм².

Коэффициент мощности (cos (р) установки зависит от зазора между индуктором и нагреваемым телом (чем больше зазор, тем ниже cos (p).

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).

Для установок индукционного нагрева требуются более сложные источники питания и повышенный удельный расход электрической энергии по сравнению с резистивным нагревом.

Индукционный способ нагрева применяется для: плавки металлов и не металлов; поверхностной закалки; нагрева изделий и материалов перед использованием в технологическом процессе.

Индукционные электротехнологические установки разделяются на плавильные, нагревательные и закалочные. Они могут работать от источников с частотами: промышленной (50 Гц); средней (0,5 — 10 кГц); высокой (0,1 — 5)-10³ кГц.

Плавильные установки канальные или тигельные применяются в химической и металлургической промышленности, а закалочные — в машиностроительной промышленности.

Индукционные тигельные печи (ИТП) работают на промышленных, средних и высоких частотах. Рабочие температуры печей от 750° до 1600 °C (для выплавки меди, стали). Конструкция однофазной ИТП представлена на рис. 11.2.

Печь состоит из индуктора 1, подключаемого к источнику питания переменного тока, расплавленного металла 2, находящегося внутри огнеупорного тигля 4, и внешнего магнитопровода 3, применяемого в печи большой ёмкости.

Магнитопровод предназначен для экранирования индуктора от полей рассеяния и уменьшения потерь энергии. Нагрев и расплавление металла происходит за счёт вихревых токов, наводимых в нем. Плотность тока в металле неравномерна: наибольшая — в слое, прилегающем к стенкам тигля, а наименьшая — в центральной части. Вследствие этого возникает естественная циркуляция расплава в тигле, скорость которой зависит от напряжённости магнитного поля, частоты источника, удельной мощности печи и т. п.

В печах большой ёмкости применяются источники питания промышленной частоты, средней и малой ёмкости — повышенной и высокой частоты.

КПД печи определяется зазором между индуктором и металлом. При уменьшении толщины стенки тигля электрический КПД (т]_э) увеличивается, а тепловой (т)_г) — уменьшается. Практически 77_э=0,6−0,8. Большие значения относятся к печам большой ёмкости для плавки стали и чугуна, а меньшие — к печам переплавки цветных металлов (медь, алюминий). Практически г_т =0,8−0,85 и определяется видом футеровки и температурой расплава. Общий КПД тигельной печи Лп = ЪПт = °>⁴⁸ — °>⁶⁸ ?

Естественный коэффициент мощности ИТП невысок cos^_n =0,8−0,3. Для компенсации реактивной мощности требуется установка конденсаторных батарей.

Рис. 11.2. Конструкция индукционной тигельной печи (пояснения в тексте).

В тигель можно загружать любую шихту: отходы литейного производства, чушки, мелкую стружку и т. п. Неэлектропроводные тигли изготавливают из кварцитовых, магнезитовых, циркониевых масс. Они размещаются внутри индуктора, не поглощают энергии электромагнитного поля и одновременно являются теплоизоляторами между расплавленным металлом и охлаждаемыми стенками индуктора.

Электропроводящие тигли изготавливают из жароупорных сталей, легированных чугунов и графитов. Они поглощают наибольшую часть энергии переменного электромагнитного поля. Нагрев осуществляется косвенный: излучением (для шихты, раздробленной с малым коэффициентом заполнения) до расплавления, а после расплавления шихты контактный. Наружные стенки таких тиглей должны быть изолированы от внутренних стенок индуктора.

Индукторы изготавливают из охлаждаемой водой медной трубки (круглого или квадратного сечения), накладываемой в один слой. Обмотка состоит из нескольких катушек, имеющих раздельное охлаждение. Толщина стенок медной трубки должна быть не менее 1,3 8_т; (5_ЭИ — глубина проникновения тока при рабочей частоте).

Магнитопроводы являются средством защиты каркаса печи от нагрева магнитным полем.

ИТП выпускаются различных ёмкостей, мощностей и частот питающей сети. Например, для плавки стали созданы печи ёмкостью 0,06 -6 т, мощностью 90 — 2230 кВт, частотой тока 500 — 2400 Гц и производительностью 0,132 — 3,5 т/ч.