Главная » Статьи » Регулируемый электропривод » Металлургия

Высокочастотный индукционный нагрев

Часто, особенно в металлургии, необходимо нагревать различные объекты, например для разливки, наплавки, упрочнения, плавки или закалки.

Чаще всего тепло генерируется вне объекта и при помощи излучения или конвекции тепло передается к объекту или заготовке. Более элегантным является способ генерирования тепла внутри объекта (или части объекта) используя вихревые токи. Эти вихревые токи индуцируются высокочастотным магнитным полем, создаваемым в катушках индуктивности, а сам процесс нагрева называется индуктивным высокочастотным нагревом. Очевидно, что только проводящий материал можно нагреть таким способом.

Катушка индуктивности, помещенная вокруг объекта называется рабочей катушкой (см. рис. 1). Эта рабочая катушка часто изготовлена из медной трубы, через которую протекает вода для охлаждения катушки.

Объект внутри катушки индуктивности

Рис. 1. Объект внутри катушки индуктивности

Вихревые токи в заготовке вызывают потери от вихревых токов, которые приводят к нагреву. В ферромагнитным материалах потери гистерезиса так же принимают участие в нагреве. Как показано в статье "Скин-эффект", в зависимости от частоты, мы имеем явный или неявный скин-эффект. Индукционные печи, назначение которых состоит в расплавлении металла работают на более низких частотах. В этом случае скин-эффект почти не играет роли. Установки, использующие более высокие частоты (от 2 до 500 кГц) используют скин-эффект для локального нагрева металлов или закалки. В настоящей статье мы рассмотрим такие установки. Из-за скин-эффекта, нагрев будет более высоким снаружи заготовки. Это свойств используется когда нам необходима термическая обработка поверхности для упрочения заготовки. Тепло концентрируется во внешнем слое (sdi) заготовки.

Глубина скин-эффекта определяется формулой:

, (1) 
Учитывая, что μ0 = 4π⋅10-7 Н/м, получаем формулу:
, (2)
Где f - частота в Гц и ρ - удельное сопротивление в Ом.мм2/м.

Напряженность магнитного поля в рабочей катушке чрезвычайно высока и в ферромагнитных заготовках часто наступает насыщение. Это подразумевает среди прочих вещей низкую величину относительной магнитной проницаемости μr. В точке кюри (для стали это 760°C) магнитные свойства исчезают (μr = 1) и глубина проникновения на заданной частоте увеличивается.

Очевидно так же, что если высокая частота поддерживается достаточно долго, заготовка будет быстро нагреваться.

Специальная катушка индуктивности для упрочнения металлических полос

Рис. 2. Plusterm GmbH. Специальная катушка индуктивности для упрочнения металлических полос при скорости 10 м/мин. В середине фотографии шесть вертикальных металлических полос проходят через специальную катушку, состоящую из десяти прямоугольных (горизонтальных) витков.

Для работы с разумным коэффициентом полезного действия . Где d - диаметр (круглой) заготовки. Частота выбирается такой, чтобы глубина проникновения была максимумом величин d/8.

Из (2) находим:

, (3)
Коэффициент полезного действия снижается при увеличении частоты и в дополнение к этому, коэффициент полезного действия генератора радиочастоты так же снижается с увеличением частоты, так что в большинстве случаев используется частота fmin. Рисунок 3 показывает величину fmin в зависимости от диаметра заготовки для различным материалов.

Минимальная частота в зависимости от диаметра заготовкиРис. 2. Минимальная частота в зависимости от диаметра заготовки

Одним из наиболее важных применений индуктивного высокочастотного нагрева является закалка стали. Длительность нагрева часто не превышает долей секунды. Обычно концентрация мощности в этом случае составляет от 1 до 5 кВт на кв.см. Такми способом может происходить закалка сталей с содержанием углерода более 0,3%. Резкое охлаждение заготовки жидкостью в этом случае легко осуществимо, поскольку ее можно распылять через промежутки между витками рабочей катушки (Рис. 2).

В качестве генератора радиочастоты используется так называемый резонансный конвертер. Рисунок 3 показывает схему DC-AC инвертора тока с параллельной резонирующей нагрузкой.

Параллельная резонирующая нагрузка, управляемая инвертором тока
Рис. 3. Параллельная резонирующая нагрузка, управляемая инвертором тока


Катушка индуктивности и нагрузка заменяются эквивалентными LR и Rb. Емкость CR вызывает параллельный резонанс. При достаточно высокой добротности Q мы получаем практически синусоидальное напряжение v0 на параллельной цепи. Этот инвертор тока (трехфазный мост) и генератор прямоугольных импульсов (однофазный мост) могут быть построены на базе тиристоров (см. рис. 4). Для предотвращения высоких значения di/dt через тиристоры, небольшая катушка индуктивности L2 включается последовательно с нагрузкой.

Инвертор тока с параллельной резонирующей нагрузкой

Рис. 4. Инвертор тока с параллельной резонирующей нагрузкой

Авто: Доктор Жан Поллефиле Professor

Категория: Металлургия | Добавил: SPetrakov (16.02.2015)
Просмотров: 896 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
avatar