Режимы индукционного нагрева

Установки индукционного нагрева работают в двух режимах – глубинном и поверхностном, различающихся характером распределения температуры в нагреваемых деталях.

На рисунке 5.5 показано распределение температуры при нагреве детали на глубину z_к. Индекс «к» говорит о том, что на этой глубине температура металла превышает точку магнитных превращений. Эквивалентную глубину z_0к проникновения тока в этом случае' называют горячей.

Кривая 1 соответствует режиму z_к<z_0к, называемому глубинным, так как теплота выделяется во всем слое глубиной z_0к. Кривая 2 соответствует поверхностному режиму z_к>z_0к. Здесь теплота выделяется лишь в поверхностном слое глубиной z_0к, а внутренние слои нагреваются, главным образом, за счет теплопроводности.

Рис. 5.5. Распределение температуры по сечению нагреваемого материала при индукционном нагреве:

1 и 2 – глубинный и поверхностный нагрев

Из анализа графиков распределения температуры видно, что при поверхностном нагреве большое количество теплоты тратится на нагрев внутренних слоев, находящихся за слоем z_к. Температура за этим слоем падает более полого, чем при глубинном нагреве, следовательно, и КПД ниже. Происходит это из-за увеличения времени нагрева, которое становится примерно таким же, как и при нагреве с внешними источниками теплоты – при плазменном нагреве, нагреве в печах сопротивления и др. Очевидно, что для повышения КПД установки следует стремиться к глубинному нагреву по всей толщине нагреваемого слоя.

Чтобы обеспечить глубинный режим на требуемой толщине нагреваемого материала, необходимо правильно выбирать частоту питающего тока.

При индукционном сквозном нагреве с постоянной удельной мощностью нижний предел частоты определяется необходимостью обеспечения достаточно высокого термического КПД, а верхний – требуемой скоростью нагрева. При нагреве изделий цилиндрической формы частота тока f должна соответствовать условию:

<f < , (5.33)

где ρ₂ - удельное сопротивление нагреваемого металла, Ом∙см; μ₂ - относительная магнитная проницаемость металла; d₂ - диаметр нагреваемой детали, см.

При поверхностном нагреве под закалку частоту выбирают таким образом, чтобы глубина z_0к проникновения тока в сталь при температуре выше точки Кюри была несколько больше требуемой глубины z_к закалки. Наиболее целесообразно выбирать частоту в таком диапазоне:

<f< . (5.34)

Установки, используемые в ремонтно-механических мастерских прямой нагрев реализуют для сквозного и поверхностного нагрева металлических деталей.

Сквозному нагреву подвергают металл перед последующей горячей деформацией (ковкой, штамповкой, прокаткой, прессовкой), а также для сварки. Поверхностный нагрев применяют для закалки трущихся поверхностей стальных деталей, чтобы уменьшить их износ. При этом в поверхностном слое повышается твердость металла, а внутренние слои не изменяют свою структуру, обеспечивая мягкость и вязкость сердцевины детали. Для закалки поверхностные слои детали необходимо нагреть до температуры выше точки магнитных превращений, а затем быстро охладить.

Конструкция индуктора для сквозного нагрева металлических деталей определяется их размерами и формой. Наиболее распространены индукторы, предназначенные для нагрева цилиндрических деталей и выполненные из индуктирующего провода в виде соленоида. Чтобы снизить электрические потери, при изготовлении индуктора используют хороший проводниковый материал, например электролитическую медь. При конструировании индукторов учитывают, что сила тока в индукторе достигает тысяч ампер, а электрические потери в нем составляют 25...30% полезной мощности установки. Чтобы предотвратить перегрев, его выполняют из медной, охлаждаемой водой, трубки круглого и прямоугольного сечения. Многовитковые индукторы для сквозного нагрева присоединяют при помощи шин непосредственно к источнику питания.

Для питания индукторов, используемых для поверхностного нагрева с целью закалки деталей или инструмента и состоящих из одного- двух витков, требуется низкое напряжение. Поэтому их присоединяют через понижающий трансформатор.

В сельскохозяйственном производстве применялся также косвенный индукционный нагрев на частоте 50 Гц. При этой частоте сокращается расход энергии и снижаются капитальные затраты, поскольку не требуется преобразователь частоты. Косвенный индукционный нагрев используют для технологического обогрева: металлических трубопроводов и емкостей, полов животноводческих и птицеводческих помещений, почвы в парниках и теплицах.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: