Принцип индукционного нагрева заключается в преобразовании энергии электромагнитного поля, поглощаемой электропроводным нагреваемым объектом, в тепловую энергию.
В установках индукционного нагрева электромагнитное поле создают индуктором, представляющим собой многовитковую цилиндрическую катушку (соленоид). Через индуктор пропускают переменный электрический ток, в результате чего вокруг индуктора возникает изменяющееся во времени переменное магнитное поле. Это — первое превращение энергии электромагнитного поля, описываемое первым уравнением Максвелла .
Нагреваемый объект помещают внутрь индуктора или рядом с ним. Изменяющийся (во времени) поток вектора магнитной индукции, созданной индуктором, пронизывает нагреваемый объект и индуктирует электрическое поле. Электрические линии этого поля расположены в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного потока, и замкнуты, т. е. электрическое поле в нагреваемом объекте носит вихревой характер. Под действием электрического поля, согласно закону Ома, возникают токи проводимости (вихревые токи). Это — второе превращение энергии электромагнитного поля, описываемое вторым уравнением Максвелла .
В нагреваемом объекте энергия индуктированного переменного электрического поля необратимо переходит в тепловую. Такое тепловое рассеивание энергии, следствием чего является нагрев объекта, определяется существованием токов проводимости (вихревых токов). Это — третье превращение энергии электромагнитного поля, причем энергетическое соотношение этого превращения описывается законом Ленца-Джоуля .
Описанные превращения энергии электромагнитного поля дают возможность:
1) передать электрическую энергию индуктора в нагреваемый объект, не прибегая к контактам (в отличие от печей сопротивления)
2) выделить тепло непосредственно в нагреваемом объекте (так называемая «печь с внутренним источником нагрева» по терминологии проф. Н. В. Окорокова), в результате чего использование тепловой энергии оказывается наиболее совершенным и скорость нагрева значительно увеличивается (по сравнению с так называемыми «печами с внешним источником нагрева»).
На величину напряженности электрического поля в нагреваемом объекте оказывают влияние два фактора: величина магнитного потока, т. е. число магнитных силовых линий, пронизывающих объект (или сцепленных с нагреваемым объектом), и частота питающего тока, т. е. частота изменений (во времени) магнитного потока, сцепленного с нагреваемым объектом.
Это дает возможность выполнить два типа установок индукционного нагрева, которые различаются и по конструкции и по эксплуатационным свойствам: индукционные установки с сердечником и без сердечника.
По технологическому назначению установки индукционного нагрева подразделяют на плавильные печи для плавки металлов и нагревательные установки для термической обработки (закалки, отпуска), для сквозного нагрева заготовок перед пластической деформацией (ковкой, штамповкой), для сварки, пайки и наплавки, для химико-термической обработки изделий и т. д.
По частоте изменения тока, питающего установку индукционного нагрева, различают:
1) установки промышленной частоты (50 Гц), питающиеся от сети непосредственно или через понижающие трансформаторы;
2) установки повышенной частоты (500-10000 Гц), получающие питание от электромашинных или полупроводниковых преобразователей частоты;
3) высокочастотные установки (66 000-440 000 Гц и выше), питающиеся от ламповых электронных генераторов.
Установки индукционного нагрева с сердечником
В плавильной печи (рис. 1) цилиндрический многовитковый индуктор, изготовленный из медной профилированной трубки, насаживают на замкнутый сердечник, набранный из листовой электротехнической стали (толщина листов 0,5 мм). Вокруг индуктора размещают огнеупорную керамическую футеровку с узким кольцевым каналом (горизонтальным или вертикальным), где находится жидкий металл. Необходимым условием работы является замкнутое электропроводное кольцо. Поэтому невозможно расплавить отдельные куски твердого металла в такой печи. Для пуска печи приходится в канал заливать порцию жидкого металла из другой печи или оставлять часть жидкого металла от предыдущей плавки (остаточная емкость печи).
Рис.1. Схема устройства индукционной канальной печи: 1 - индикатор; 2 - металл; 3 - канал; 4 - магнитопровод; Ф - основной магнитный поток; Ф 1р и Ф 2р - магнитные потоки рассеяния; U 1 и I 1 - напряжение и ток в цепи индуктора; I 2 - ток проводимости в металле
В стальном магнитопроводе индукционной канальной печи замыкается большой рабочий магнитный поток и лишь небольшая часть полного магнитного потока, создаваемого индуктором, замыкается через воздух в виде потока рассеяния. Поэтому такие печи успешно работают на промышленной частоте (50 Гц).
В настоящее время существует большое число типов и конструкций таких печей, разработанных во ВНИИЭТО (однофазные и многофазные с одним и несколькими каналами, с вертикальным и горизонтальным закрытым каналом разной формы). Эти печи применяют для плавки цветных металлов и сплавов со сравнительно низкой температурой плавления, а также для получения высококачественного чугуна. При плавке чугуна печь используют либо в качестве копильника (миксера), либо в качестве плавильного агрегата. Конструкции и технические характеристики современных индукционных канальных печей приведены в специальной литературе.
Установки индукционного нагрева без сердечника
В плавильной печи (рис. 2) расплавляемый металл находится в керамическом тигле, помещенном внутрь цилиндрического многовиткового индуктора. изготовляют из медной профилированной трубки, через которую пропускают охлаждающую воду. Узнать подробнее о конструкции индуктора можно .
Отсутствие стального сердечника приводит к резкому увеличению магнитного потока рассеяния; число магнитных силовых линий, сцепляемых с металлом в тигле, будет крайне мало. Это обстоятельство требует соответствующего увеличения частоты изменения (во времени) электромагнитного поля. Поэтому для эффективной работы индукционных тигельных печей приходится питать их токами повышенной, а в отдельных случаях и высокой частоты от соответствующих преобразователей тока. Подобные печи имеют очень низкий естественный коэффициент мощности (cos φ=0,03-0,10). Поэтому необходимо применять конденсаторы для компенсации реактивной (индуктивной) мощности.
В настоящее время имеется несколько типов индукционных тигельных печей, разработанных во ВНИИЭТО в виде соответствующих размерных рядов (по емкости) высокой, повышенной и промышленной частоты, для плавки стали (тип ИСТ).
Рис. 2. Схема устройства индукционной тигельной печи: 1 - индуктор; 2 - металл; 3 - тигель (стрелками показана траектория циркуляции жидкого металла в результате электродинамических явлений)
Преимуществами тигельных печей являются следующие: выделяющееся непосредственно в металле тепло, высокая равномерность металла по химическому составу и температуре, отсутствие источников загрязнения металла (помимо футеровки тигля), удобство управления и регулирования процесса плавки, гигиеничность условий труда. Кроме этого, для индукционных тигельных печей характерны: более высокая производительность вследствие высоких удельных (на единицу емкости) мощностей нагрева; возможность плавить твердую шихту, не оставляя металл от предыдущей плавки (в отличие от канальных печей); малая масса футеровки по сравнению с массой металла, что уменьшает аккумуляцию тепловой энергии в футеровке тигля, снижает тепловую инерцию печи и делает плавильные печи этого типа исключительно удобными для периодической работы с перерывами между плавками, в частности для фасонно-литейных цехов машиностроительных заводов; компактность печи, что позволяет достаточно просто изолировать рабочее пространство от окружающей среды и осуществлять плавку в вакууме или в газовой среде заданного состава. Поэтому в металлургии широко применяют вакуумные индукционные тигельные печи (тип ИСВ).
Наряду с преимуществами у индукционных тигельных печей имеются следующие недостатки: наличие относительно холодных шлаков (температура шлака меньше температуры металла), затрудняющих проведение рафинировочных процессов при выплавке качественных сталей; сложное и дорогое электрооборудование; низкая стойкость футеровки при резких колебаниях температуры вследствие небольшой тепловой инерции футеровки тигля и размывающего действия жидкого металла при электродинамических явлениях. Поэтому такие печи применяют для переплава легированных отходов с целью снижения угара элементов.
Использованная литература:
1. Егоров А.В., Моржин А.Ф. Электрические печи (для производства сталей). М.: «Металлургия», 1975, 352 с.
Технологические процессы производства и обработки различных материалов нередко включают и этап прохождения термического воздействия. Таким образом выполняется закалка, сушка при высоких температурах, пайка и другие процедуры. Реализовать подобные мероприятия в обычных печах даже промышленного назначения не всегда представляется возможным. Ограничения могут быть связаны с недопустимостью контакта с воздушной средой. Поэтому для решения таких задач используется вакуумная печь, обработка в которой также исключает процессы излишнего деформирования и коробления заготовок.
Операции термического обжига в вакууме применяются в машино- и приборостроении, в строительной отрасли, на различных производствах и т. д. Например, в приборостроении с помощью такого агрегата выполняется операция обезгаживания элементов, которые в дальнейшем становятся компонентами различной аппаратуры. В рамках этого же направления вакуумная печь позволяет качественно осуществлять пайку и финишную герметизацию отдельных участков на электротехнических платах.
Распространена и операция спекания. С ее помощью в строительстве и производстве придаются необходимые эксплуатационные качества керамическим изделиям, твердотельным сплавам, порошкам тугоплавкого металла и т. д. Отдельно стоит отметить металлургическую промышленность, которая также заинтересована в операциях термообработки. К примеру, вакуумная печь позволяет реализовывать процедуры закалки, старения и отпуска сплавов. Таким обработкам могут подвергаться различные стали, бронза и магний.
Производительность печной конструкции нередко становится основным критерием выбора модели. В данном случае установки располагают потенциалом от 3 до 20 кВт. Причем на качество и эффективность при оказании термического воздействия этот показатель влияет в минимальной степени. Как правило, мощность повышается по мере увеличения объема загрузки, что зависит уже от габаритов конструкции. Так, в стандартные промышленные модели такого типа можно загружать от 15 до 40 кг материала в среднем. Но встречаются и агрегаты, позволяющие обслуживать за раз до 100 кг. Наделенная средними характеристиками индукционная плавильная печь способна за одну смену обслуживать до 9000 кг. Что касается качества и эффективности воздействия внутри камеры, то учитывать следует непосредственно температурный диапазон. Он составляет от 1800 до 2000 °С.
Технология в традиционных агрегатах основывается на действии дугового разряда. Происходит контакт электрического тока и газовой смеси. Далее полученная дуга благодаря высокой концентрации в вакууме обеспечивает повышенное тепловое воздействие. Даже при небольшой мощности вакуумно-дуговая печь способна расплавлять стальные заготовки.
При этом существует два принципа теплопередачи по отношению к материалу. Это прямое и косвенное воздействие. В первом случае дуга формирует энергию между электродом и заготовкой, которая при такой конфигурации получает максимум тепла. Косвенный нагрев предусматривает работу с двумя электродами, которые на некотором расстоянии воздействуют на объект. Очевидно, что вакуумная печь с прямой теплопередачей эффективнее, но она допускает больший процент негативных факторов термической обработки.
Базовой моделью вакуумного печного сооружения является описанная выше дуговая конструкция. С помощью такой оснастки можно обслуживать большинство разновидностей сложного металлического сплава, в том числе тугоплавкие изделия. Другой разновидностью является индукционная плавильная печь, в устройстве которой предусматривается наклонный тигель. Как раз в тигле и реализуется процесс переплавки материала, загружаемого в рабочую камеру. Индукционный принцип работы считается наиболее дорогостоящим в обслуживании, поэтому его используют реже и только при необходимости работы со сложными металлами. К особым видам вакуумных печей относится электроннолучевой агрегат. Такое устройство дает на выходе очищенные сплавы и металлические слитки. Конструкционно оборудование представляет собой термическую пушку, которая посредством направленного воздействия реализует лучевой обжиг изделия.
По сравнению с обычными печами для термообработки вакуум позволяет осуществлять высокоэффективное тепловое воздействие на заготовки. При этом у оператора есть возможность гибкой регулировки параметров нагрева, которую, например, предусматривает вакуумная индукционная печь с тиглем. К достоинствам таких конструкций относят и возможность получения относительно чистого металлического материала. То есть сама технология исключает чрезмерное загрязнение массива инородными частицами - продуктами термообработки.
Что касается недостатков, то они связаны с низким ресурсом частей, формирующих конструкцию. Дело даже не в изъянах материала составных элементов, а в жестких условиях, которые требуются для обеспечения производительной термообработки и которые влияют на структуру рабочих поверхностей. Кроме того, вакуумная печь, цена которой в среднем составляет 500-700 тыс. руб., доступна немногим предприятиям. Все же высокое качество спекания и расплава - это дорогой способ, ограничивающий его применение.
Поставкой вакуумных печей занимаются лишь крупные предприятия, сотрудничающие с институтами проектирования и разработки промышленного оборудования. Сегодня высококачественные агрегаты такого типа на отечественный рынок поставляют зарубежные производители SCHMETZ и XERION. Данная продукция ориентируется и на выполнение типовых термических операций, и на специализированные задачи наподобие диффузного отжига. Московский завод промышленного оборудования, специализирующийся на выпуске вакуумных электропечей, также предлагает достойные по характеристикам агрегаты. С помощью такого оснащения владелец может осуществлять отпуск металла, спекание и стандартные термические процессы. Автоматические модели предлагает «Завод Спецжелезобетон», разрабатывающий высоковакуумные агрегаты с объемными камерами загрузки.
Пример технологии вакуумного отжига показывает, что не всегда новые решения себя оправдывают в процессе эксплуатации. Хотя тот же Московский завод промышленного оборудования стремится оптимизировать агрегаты под нужды широкого круга предприятий-потребителей, высокая затратность процессов вакуумной термообработки для многих потенциальных клиентов делает этот способ недоступным. Отказ от таких печей обусловлен не только их стоимостью, но отсутствием необходимости получения высококачественного изделия. Тем не менее, передовые компании, работающие в высокотехнологичных направлениях промышленности, уже не могут обходиться без применения подобных средств тепловой обработки.
Корпус вакуумной камеры индукционной печи : двухслойный с водяным охлаждением из специальной стали SUS304. Вакуумная герметизация обеспечивается «О»-образным кольцом. Корпус оснащен установкой водяного охлаждения (предотвращает старение «О»-образного кольца). На корпусе вакуумной камеры вакуумной расположен соединительный трубопровод вакуумной системы. Внутри подина оборудована разливочной платформой или отверстием. Во время разливки печь поворачивается с помощью привода, расположенный снаружи камеры.
Индуктор вакуумной печи изготовлен из высококачественной бескислородной электротехнической меди TU1 квадратного сечения с водяным охлаждением. Использован индуктор немецкой фирмы Leybold.
Крышка вакуумной индукционной печи: двухслойная с водяным охлаждением, внутренняя стенка выполнена из специальной стали SUS304. Крышка печи оснащена установкой водяного охлаждения, смотровым окном, блокировочной установкой.
Печь оснащена мощным среднечастотным тиристорным преобразователем мощность, спроектированный на базе тиристоров нового поколения, высокоскоростные датчики тока и напряжения, обеспечивающие высокую надежность, помехоустойчивость и многофункциональность.
Система водоохлаждения вакуумной печи делится на три части: система охлаждения среднечастотного преобразователя, система охлаждения корпуса печи, индуктора и системы вакуумной.
Вакуумная система как правило состоит из механического насоса с электромагнитным пневматическим клапаном перепада давления (предотвращает утечку масла вакуумного насоса), насоса Рутса, подпитывающего насоса, пневматических клапанов, клапана подачи воздуха, клапана сброса воздуха, вакуумного трубопровода, гофрированных труб.
Уровень вакуума измеряется при помощи цифрового комбинированного вакуумметра. Используются передовые гелиевые датчики разгерметизации для измерения коэффициента повышения давления, что гарантирует достоверность и точность технических показателей.
Для соединения насосов и вакуумного трубопровода использовано быстрое соединение металлическими гофрированными трубами (снижает вибрацию). Уровень вакуума измеряется цифровым вакуумметром.
Компания MAGMATEX использует передовые гелиевые датчики разгерметизации для измерения коэффициента повышения давления, что гарантирует достоверность и точность технических показателей.
Нагревание тел с помощью электромагнитного поля, возникающего от воздействия индуцированным током, называется индукционным нагревом. Электротермическое оборудование, или индукционная печь, имеет разные модели, предназначенные для выполнения задач разного назначения.
По техническим характеристикам устройство является частью установки, используемой в металлургической промышленности. Принцип работы индукционной печи зависит от переменного тока , мощность установки формируется назначением прибора, в конструкцию которого входит:
Современный потребительский рынок располагает большим количеством моделей приборов, работающих по схеме образования вихревых токов. Принцип работы и конструкционные особенности промышленной индукционной печи позволяет выполнять ряд специфических операций, связанных с плавкой цветного металла, термической обработкой изделий из металла, спекания синтетических материалов, очисткой драгоценных и полудрагоценных камней. Бытовые приборы используются для дезинфекции предметов быта и обогрева помещений.
Работа ИП (индукционной печи) заключается в нагревании помещенных в камеру предметов вихревыми токами, излучаемыми индуктором, представляющим собой катушку индуктивности, выполненную в форме спирали, восьмерки или трилистника с обмоткой проводом большого поперечного сечения. Работающий от переменного тока индуктор создает импульсное магнитное поле, мощность которого изменяется в соответствии с частотой тока. Предмет, помещенный в магнитное поле, нагревается до точки закипания (жидкости) или плавления (металл).
Установки, работающие с помощью магнитного поля, производятся в двух типах: с магнитным проводником и без магнитопровода. Первый тип приборов имеет в конструкции индуктор, заключенный в металлический корпус, обеспечивающий быстрое повышение температуры внутри обрабатываемого объекта. В печах второго типа магнитотрон находится снаружи установки.
От мастера также требуются навыки конструирования и монтажа электроприборов. Безопасность устройства индивидуальной сборки заключается в ряде особенностей:
Свое название канальные печи получили за наличие в пространстве агрегата двух отверстий с каналом, образующим замкнутый контур. По конструкционным особенностям прибор не может работать без контура, благодаря которому жидкий алюминий находится в непрерывном движении. При несоблюдении рекомендаций завода изготовителя оборудование самопроизвольно отключается, прерывая процесс плавки.
По расположению каналов индукционные плавильные агрегаты бывают вертикальными и горизонтальными с барабанной или цилиндрической формой камеры. Барабанная печь, в которой можно плавить чугун, выполнена из листовой стали. Поворотный механизм оснащен приводными роликами, электродвигателем на две скорости и цепной передачей.
Жидкая бронза заливается через сифон, расположенный на торцевой стенке, присадки и шлаки загружаются и удаляются через специальные отверстия. Выдача готовой продукции осуществляется через V -образный сливной канал, сделанный в футеровке по шаблону, который расплавляется в рабочем процессе. Охлаждение обмотки и сердечника осуществляется воздушной массой, температура корпуса регулируется при помощи воды.
В настоящее время спрос на сталь и сплавы особого назначения для аэрокосмической, авиационной, атомной и энергетической промышленности стремительно растёт. В этих сферах промышленности зачастую требуются всё более высокие значения по прочности, чистоте и другим свойствам металла.
Для того, чтобы решить задачу по повышению качественных свойств выплавляемых металлов, компания “МетаКуб” готова предложить технологии, основанные на инновационных способах выплавки, для получения стали и сплавов с особыми технологическими свойствами. К таким способам относится вакуумная индукционная плавка.
Необходимость в создании вакуумных индукционных печей возникла в связи с необходимостью внедрения в промышленное производство высокореакционных и тугоплавких металлов, таких как: цирконий, титан, ниобий, бериллий и молибден, а также тантал, вольфрам, уран и ряд других. Особенностью таких металлов является то, что они интенсивно окисляются при нагреве на воздухе, и поэтому плавку необходимо вести в вакууме.
Технология вакуумной индукционной плавки позволяет получать высокоочищенные металлы в бескислородной атмосфере. При использовании вакуумных индукционных печей можно получить жаропрочные и высоколегированные стали, прецизионные сплавы. Также в вакуумных индукционных печах можно проводить термообработку и плавление драгоценных и редкоземельных металлов, а также варку высокосортного спецстекла и использовать их для получения монокристаллов. Во всех случаях получаемый материал на вакуумных печах отличается повышенной чистотой и минимальным угаром.
Большую роль при рафинации в вакуумной индукционной печи играет процесс испарения легкоплавких примесей - свинца, мышьяка, олова и висмута. Высокие качества вакуумного металла отчасти обеспечены очищением сплава от этих примесей, содержащихся в очень малых количествах, что становится невозможным определить их даже совершенными методами анализа. Это необходимо, когда требования к материалу достаточно высоки и полученный спецсплав должен отвечать определенным свойствам.
Также достоинством вакуумных печей является способность получать монокристаллические и мелкозернистые структуры металлов. При этом свойства получаемого материала можно прогнозировать.
| Модель | Объем печи, кг | Мощность, кВт | Частота, кГц | Предельный холодный вакуум, Па | Расход воды на охлаждение, м 3 /час | Напряжение питающей сети, В |
|---|---|---|---|---|---|---|
| ВПИ-10 | 10 | 50 | 2,5 | 6.67×10-3 | 5 | 380 |
| ВПИ-25 | 25 | 100 | 2,5 | 6.67×10-3 | 5 | 380 |
| ВПИ-50 | 50 | 100 | 2,5 | 6.67×10-3 | 7 | 380 |
| ВПИ-150 | 150 | 100 | 2,5 | 6.67×10-3 | 13 | 380 |
Рабочая температура печей - до 2200-- градусов.
представляет собой высокочастотную печь из огнеупорного тигля, помещенную внутри индуктора, который в свою очередь располагается внутри герметичного корпуса, из которого вакуумными насосами выкачиваются газы. Тигель вакуумных печей производят из порошкообразных высокоогнеупорных материалов набивкой в индукторе по шаблону.
Вакуумные индукционные печи являются механизированными агрегатами. Розлив металла может происходить либо поворотом печи внутри камеры, либо поворотом самой камеры в целом. Вакуумная индукционная плавильная печь позволяет независимо выполнять следующие операции: регулировать температуру расплава, изменять давлении внутри камеры, производить перемешивание расплава, а также добавлять другие элементы в расплав.
Модульный принцип построения вакуумных печей позволяет достигать повышенную компактность печи, а также возможность присоединения дополнительных модулей - камеру разгрузки, разливки, а также съема получаемых изделий.
Конструкция современных вакуумных индукционных печей позволяет устанавливать изложницы и выгружать из них слитки без нарушения вакуума в печи. Вакуумные индукционные печи чаще всего являются автоматизированными устройствами. Загрузка шихты, введение добавок и присадок, разливка металла осуществляются с использованием электрического или гидравлического привода.
Компания “МетаКуб”
готова предложить Вам широкий выбор вакуумных индукционных печей по низким ценам с поставкой и вводом в эксплуатацию по России и странам СНГ. Наша компания имеет огромный опыт поставки различного металлургического оборудования на предприятия России, Казахстана, Беларуси и других стран СНГ.
