Раздел 5. Индукционный и диэлектрический нагрев

Особенности индукционного нагрева и его основные физические закономерности

Индукционный нагрев металлов основан на законах электромагнитной индукции Фарадея-Максвелла и Ленца-Джоуля. Металлические тела (заготовки, детали и др.) помещают в переменное магнитное поле, которое возбуждает в них вихревое электрическое поле. ЭДС индукции определяет скорость изменения магнитного потока, а сама зависимость представляет собой интегральную форму закона электромагнитной индукции:

. (5.1)

Под действием ЭДС индукции в телах протекают вихревые (замкнутые внутри тел) токи, выделяющие теплоту по закону Ленца-Джоуля.

Электромагнитная волна несет энергию, определяемую вектором плотности потока мощности или вектором Пойнтинга. В комплексной форме ‘njn Пойнтинга:

, (5.2)

где Ė - комплекс амплитуды напряженности электрического поля, Н^*-сопряженный комплекс амплитуды магнитного поля.

Вектор Ś (Вт/м² или Дж/с·м²), плотности потока мощности при синусоидальном изменении векторов Ė и Н^* является средним значением потока энергии в секунду (мощности) через единицу площади, перпендикулярной направлению распространения волны.

При проникновении в проводящую среду электромагнитная волна ослабляется по экспоненциальному закону:

, (5.3)

, (5.4)

где Е и Н - амплитуды напряженности электрического и магнитного полей в глубине проводящего материала; Е₀ и Н₀ - амплитуды напряженности электрического и магнитного полей на поверхности проводящего материала; z - расстояние от поверхности проводника, м; z₀ - эквивалентная глубина проникновения электромагнитного поля, м.

Рис. 5.1. График распространения электромагнитного поля и проводящей средой

Эквивалентная глубина проникновения z₀ электромагнитной волны определяется выражением (3.8). На расстоянии z₀ от поверхности амплитуды Е и Н уменьшаются до следующих значений:

, (5.5)

, (5.6)

то есть амплитуда волны уменьшается в е = 2.718 раза или затухает до 37% своего начального значения (рис. 5.1).

Плотность S потока мощности, переносимая плоской электромагнитной волной, убывает по мере проникновения волны вглубь нагреваемого материала по закону:

, (5.7)

где S₀ - плотность потока мощности на поверхности проводника.

Причиной затухания электромагнитной волны является превращение энергии электромагнитного поля в теплоту по закону Ленца-Джоуля, вследствие чего и происходит индукционный нагрев металла.

Плотность потока мощности на глубине z₀ уменьшается до значения:

. (5.8)

то есть в слое толщиной z₀ поглощается и выделяется в виде теплоты 86% всей энергии, прошедшей через поверхностный слой проводника (см. рисунок 5.1).

Действительная часть комплекса вектора плотности потока мощности Ś определяет плотность потока активной мощности, выделяющейся в виде теплоты:

, (5.9)

где I - сила тока в индукторе, А; w - число витков, приходящееся на 1 м длины индуктора; ρ и μ_r - удельное электрическое сопротивление, Ом∙м, и относительная магнитная проницаемость металла; f - частота тока, Гц; - коэффициент поглощения мощности.

Мнимая часть комплекса является плотностью потока реактивной мощности, характеризующей скорость превращения энергии электромагнитного поля из электрической формы в магнитную и обратно:

. (5.10)

В практике индукционного нагрева имеет место падение электромагнитной волны на металлические тела различной формы. Поэтому в формуле (5.9) и (5.10) вводятся поправочные коэффициенты, учитывающие геометрические размеры нагреваемой детали и глубину проникновения электромагнитной энергии. Потоки мощности через боковую поверхность металлического цилиндра диаметром D_М, высотой 1 м и периметром П=π·D_М для активной мощности:

, (7.10)

для реактивной мощности

, (7.11)

где К_р и K_Q - коэффициенты активной и реактивной мощностей, учитывающие кривизну металлического цилиндра и зависящие от его относительного диаметра D/z₀.

Графики для определения поправочных коэффициентов К_р и К_Q при расчете потоков активной и реактивной мощностей, проходящих через наружную поверхность металлического цилиндра, приведены на рисунке 5.2.

При нагреве немагнитных (цветных) металлов, для которых μ=1, изменяется их удельное сопротивление, а при нагреве ферромагнитных металлов (сталей) изменяется и относительная магнитная проницаемость. В последнем случае удельное сопротивление возрастает при повышении температуры до точки магнитных превращений (730...760 ºС) – точки Кюри, а затем его рост замедляется. На рисунке 5.3. показана зависимость удельного сопротивления стали от температуры. При нагреве до 800°С удельное сопротивление стали возрастает в несколько раз. Ее магнитная проницаемость при нагреве до 650...750 °С уменьшается незначительно, а при переходе через точку Кюри резко падает до единицы.

Рис. 5.2. К определению поправочных коэффициентов К_Р и К_Q:

D – диаметр нагреваемой детали; z₀ – глубина проникновения электрического тока

Рис. 5.3. Зависимость ρ и μ, стали от температуры

Глубина проникновения тока в сталь при температуре магнитных превращений изменяется скачком. В действительности удельное сопротивление и магнитная проницаемость во время нагрева зависят от температуры, а магнитная проницаемость еще и от напряженности магнитного поля. Следовательно, при нагреве изменяется коэффициент и мощность, поглощаемая металлом.

В заключении можно подчеркнуть, что индукционный нагрев – нагрев токопроводящих тел в электромагнитном поле за счёт индуктирования в них вихревых токов. При этом электрическая энергия преобразуется трижды. Сначала при помощи индуктора она преобразуется в энергию переменного магнитного поля, которая в теле, помещённом в индуктор, превращается в энергию электрического поля. И, наконец, под действием электрического поля его энергия превращается в тепловую. Передача энергии происходит бесконтактно. Индукционный нагрев в рассматриваемом случае является прямым и бесконтактным. Он позволяет достигать температуры, достаточной для плавления самых тугоплавких металлов и сплавов.

Уже было отмечено, что плотность тока по сечению нагреваемого проводящего тела не одинакова. Наибольшего значения она достигает на поверхности, а по мере приближения к центру убывает. Следует напомнить ещё раз, что это явление называется поверхностным эффектом. В слое толщиной x=z₀ выделяется 87% тепловой энергии, на расстоянии x=z₀ от поверхности мощность снижается в 7,4 раза, а плотность тока – в 2,7 раза. На интенсивность и характер нагрева значительно влияют частота тока f, напряжённость электрического поля Е и напряжённость магнитного поля Н. Изменяя частоту тока, можно получить необходимый по технологии характер нагрева и его интенсивность.

В зависимости от используемых частот установки индукционного нагрева подразделяют на: низкочастотные (50Гц); среднечастотные (до 10 кГц); высокочастотные (свыше 10 кГц).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: