Среди технологических процессов, которые используются при изготовлении различных деталей из металлов и сплавов, одно из ведущих мест занимает термическая обработка. Этот технологический процесс позволяет придать им необходимые физико-механические свойства за счет изменения структуры и внутреннего строения материала. Термообработка может использоваться в качестве технологической операции:
- позволяющей существенно облегчить последующую механическую обработку деталей (промежуточная операция);
- обеспечивающей заданные механические свойства деталей (конечная операция).
Таким образом термообработка металлов оказывает существенное влияние на производительность, качество и себестоимость изготовления деталей в машиностроении и металлургии. При этом выбор метода нагрева играет определяющее значение, во многом влияющее на технико-экономические характеристики производства.
Среди существующих промышленных методов нагрева, индукционный (бесконтактный) нагрев считается наиболее эффективным и выгодным.
Установки индукционного нагрева — историческая справка
Исследования, связанные с бесконтактным нагревом металла, были начаты в 1841 году после того, как физики Э.Ленц (Россия) и Д.Джоуль (Англия) одновременно сформулировали количественную оценку теплоты, выделяемой при действии электрического тока. Впервые индукционная печь была изготовлена в Швеции (1900). Предназначалась она для плавки стали путем нагрева стали электрическим током, который индуцируется переменным магнитным полем.
Метод индукционного нагрева
Традиционные методы нагрева в газовых, мазутных и прочих печах обеспечивают нагрев металла, помещенного в зону воздействия высокой температуры, путем теплопередачи (косвенный нагрев). В отличие от них индукционный метод использует энергию магнитного потока. Под его действием в металле возникают индуцированные токи, которые и осуществляют нагрев детали. Его эффективность зависит от:
- скорости (частоты) изменения магнитного поля;
- типа металла;
- мощности источника электрического тока.
Высокая эффективность индукционного метода обеспечивается за счет получения максимальной температуры внутри металла, а не на его поверхности. При этом переход от индукционного нагрева к нагреву с помощью теплопередачи происходит на глубине проникновения электрического тока, которая зависит от частоты изменения магнитного поля, создаваемого индукционной установкой. Чем ниже эта частота, тем глубже проникновение индукционных токов.
Установки индукционного нагрева. Классификация и конструктивное исполнение.
Классификация.
Согласно существующей классификации различают установки:
Среднечастотные (СЧ), работают в частотном диапазоне от 0,5 до 20 кГц. Глубина горячего проникновения индукционного поля не превышает 10 мм. Среди них различают:
- высоковольтные (СЧВ) — с напряжением от 100 до 550 В и выходным током 100 — 200 А. При использовании JGBT транзисторов мощность установок может достигать 5 МВт. Использование — плавка черных и цветных металлов, глубокий нагрев при горячей штамповке и закалке на максимальную глубину;
- низковольтные (СЧН) — с напряжением до 100 В, выходным током от 3000 до 10000 А и мощностью до 500 кВт. Область применения — кузнечные нагреватели и термообработка деталей большого размера.
Высокочастотные (ВЧ), использующие частотный диапазон от 20 до 100 кГц. Обеспечивают глубину проникновения индукционного поля до 3 мм. Более глубокий нагрев происходит за счет теплопередачи (увеличение времени нагрева). Выходная мощность — от 15 до 80 кВт. Использование JGBT транзисторов позволяет увеличить мощность до 1МВт. Область применения — поверхностная закалка деталей, плавка цветных металлов, сварка прямошовных стальных труб и пр.
Сверхвысокочастотные (СВЧ), работающие на частотах от 100 кГц до 2 МГц. Обеспечивают проникновение индукционного поля на глубину до 1 мм. Изготавливаются на JGBT или MOSFET транзисторах и обеспечивают выходную мощность в диапазоне от 3,5 до 500 кВт. Область применения — закалка небольших длинномерных деталей и проволоки, локальная пайка малогабаритных деталей.
Конструктивное исполнение.
В общем случае установка индукционного нагрева выполняется в металлическом кожухе сравнительно небольшого размера. В кожухе смонтирован электрический генератор и катушка индуктивности, магнитное поле которой передается нагреваемой детали. В процессе работы катушка индуктивности и силовые элементы генератора сильно нагреваются, поэтому каждая установка должна быть оборудована системой водяного охлаждения. Кроме того, современные агрегаты индукционного нагрева оснащаются микропроцессорным управлением, контролирующим подачу электрического тока и жидкокристаллическим дисплеями, на которых отражаются параметры нагрева.
Преимущества установок индукционного нагрева
Промышленные приборы индукционного нагрева, выпускаемые в настоящее время, эффективнее своих предшественников по многим показателям, среди которых:
экономия электроэнергии (не нуждаются в предварительном прогреве, быстрый нагрев деталей и пр.);
высокий КПД:
— транзисторных — более 95%;
— тиристорных — до 92%;
автоматизация рабочих процессов;
срок эксплуатации не менее 10 лет;
комфортные условия труда.
Кроме того, технологические процессы, связанные с индукционным нагревом, считаются экологически чистыми и безопасными.