Индукционно нагряване

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
Опитен модел за демонстрация на канална пещ

Индукционното нагряване (на английски: Induction Heating) е метод за безконтактно нагряване на материали за реализация на производствени операции заваряване, закаляване, отвръщане, топене на метали в металургията и др., който използва електромагнитната индукция, създадена от протичането на високочестотен електрически ток. Този метод се прилага при производствени операции свързани с обработка на електропроводими материали.

Принцип на действие[редактиране | edit source]

Индукционното нагряване е специфично действие при протичането на променлив електрическия ток, поради създаваното от него променливо магнитно поле. Променливото магнитно поле индуктира по безконтактен метод в проводими материали т. нар. вихрови токове на Фуко, т.е. създават се условия за протичане на електричен ток. По закона на Джаул-Ленц в резултат на индукцията и създадения от нея електрически ток в едно изделие се отделя топлина като количеството ѝ е свързана и се определя от големината и съпротивлението на проводимия материал. Индукционното нагряване е вредно, когато поражда загуби в електротехническите уреди трансформатори и електродвигатели или метални сърцевини на електроизмервателни уреди. Затова се вземат мерки за ограничаването му чрез изграждане на железните сърцевини в електротехническите средства с набор от ламели изолирани помежду си. Действието му е желано и полезно при металообработващи операции като закаляване, отгряване, точково заваряване, когато загряваният материал е със значителни размери. Точно този принцип на загряване се използва и в металургията.

Индукционното загряване се извършва от технологични устройства с индуктор, който е източник на променливо магнитно поле. Изгражда се като бобина с една или повече навивки по която от мощен генератор протича силен електрически ток с променлива честота. В такова изпълнение индукторът се явява първична намотка на трансформатор без желязна сърцевина. Загряваната метална заготовка, детайл или метален материал се поставя в индуктора и тя се явява вторична намотка на трансформатора свързана накъсо. Електромагнитното поле възбужда вихрови токове, които загряват поставения детайл до необходимата по технология температура. Магнитния поток между намотките се затваря във въздушната среда.

Устройство и приложение[редактиране | edit source]

Индукционното нагряване се прилага в предвидени за това индукционни пещи. Те биват основно два вида - тиглови и канални индукционни пещи.

Основно пещите се състоят се от намотка (индуктор), към която се подава от специален генератор променливо напрежение и протича ток, който създава мощно магнитно поле в зоната на намотката. Това магнитно поле индуктира вихрови токове в обработваното тяло, като във вторична намотка на трансформатор свързана на късо, което трябва да бъде нагрято. Галваничното разделяне на намотката на индуктора и загрявания метал позволява да се прецизира работния режим, без да се натоварва индуктора в недопустими режими.

В някои индукционни пещи нагряването на индуктора е значително поради протичащия ток, но също и от намиращия се близо до намотката загряван метал. В такива случаи намотката, направена като тръба, се охлажда принудително под налягане с вода циркулираща в системата под действието на водни помпи.

Индукционното нагряване може да се използва само за материали, които имат висока електрическа проводимост като метали и сплави. Ако нямат достатъчно добра електрическа проводимост детайлите настъпват големи загуби, защото протича малък ток. Проводими материали биват алуминий, мед, месинг, желязо, олово и други. Индукционното нагряване се използва и за стопяване, закаляване, изменение на формата, нанасяне на защитно покритие или дори обезгазяване на даден материал.

Индукционните пещи работят при различни честоти. Изборът на честотата се определя от обработвания детайл, необходимата дълбочина на загряването (особено важно при процеса закаляване) и потребността от последващи обработки. За отделните случаи на загряване се използват честоти от 50 Hz до няколко MHz. Различават се следните честоти при тиглови и канални индукционни пещи:

  • мрежови честоти 50Hz - 150Hz ;
  • средна честота над 150Hz до 10KHz ;
  • висока честота 100KHz - 30MHz .

Скин-ефект[редактиране | edit source]

Скин-ефект или повърхностен ефект се нарича ефекта на намаляване на амплитудата на електромагнитните вълни в зависимост от честотата при тяхното проникване в дълбочина на проводящата среда. Като резултат от този ефект, променливият ток с по-висока честота при протичането си не се разпределя равномерно в цялото сечение на проводника, а се разпределя с значителна плътност предимно в повърхностния слой.

При високите честоти действието на магнитното поле и създадените от него вихровите токове, въз основа на скин-ефекта, затоплят повърхностните слоеве на метала. Нагряването отвън навътре се осъществява чрез естествен топлообмен към вътрешността. Дълбочината на проникване зависи от честотата, специфичното съпротивление на нагрявания материал и от относителната магнитна проницаемост на средата. Колкото работната честота е по-висока, толкова този ефект е по-добре изразен, като плътността на тока в повърхностните слоеве е значителна, а дълбочината на нагрявания скин-слой е по-тънък при по-високи честоти.

Формулата за изчисление на дълбочината на скин-слоя в mm :

\Delta=10^3 \sqrt{\frac{\rho}{\mu\mu_0\pi f}} ,

където μ0 = 4π·10−7 —постоянната магнитна проницаемост измервана с H/m, \mu — относителна магнитна проницаемост, а ρ е специфичното електрическо съпротивление на материала на обработваната заготовка при температурата на обработката.

Като пример може да се покаже, че при честота 2 MHz, скин-ефекта има дълбочина в материал от мед около 0,25 mm, а за желязо ≈ 0,001 mm.