Теория и расчет установок индукционного нагрева

Немков В.С., Демидович В.Б.

Энергоатомиздат, 1988 г.

Устройства индукционного нагрева, обеспечивающие проведение технологического процесса, являются частью всей индукционной установки, в которую входят также источник питания (трансформатор промышленной частоты, машинный или тиристорный преобразователь средней частоты или ламповый генератор), схема питания и согласования (токопроводы, конденсаторы, согласующие трансформаторы, регуляторы), система контроля и управления.

Для дальнейшего изложения целесообразно выделить понятие электромагнитной системы, в которой электрическая энергия из цепей питания преобразуется в энергию электромагнитного поля и затем в тепловую энергию.

Под электромагнитной системой (ЭМС) индукционного нагрева понимается совокупность нагреваемых тел, индукционных обмоток и магнитопроводов, действием которых определяется результирующее электромагнитное поле. В систему могут входить также дополнительные элементы, влияющие на конфигурацию поля, а в некоторых случаях — еще и сопротивления внешних цепей, если они влияют на распределение токов в индуктирующих обмотках.

Классификация индукционных устройств может проводиться по назначению, частотному диапазону, геометрической форме системы и режиму работы.

Индукционный нагрев является одним из наиболее сложных электротермических процессов и в строгой постановке требует рассмотрения взаимосвязанных явлений разной физической природы (рис. 1.1). Основными процессами являются электромагнитные и тепловые, причем тепловые процессы включают в себя процессы теплопередачи внутри нагреваемого тела и внешнего теплообмена, в том числе теплообмена с охлаждающей средой при термообработке. В результате нагрева и структурных превращений возникают внутренние термические и структурные напряжения. Они могут вызывать трещины в процессе нагрева или снижение прочностных свойств термообработанных деталей. В ходе нагрева происходят преднамеренно создаваемые или сопутствующие физико-химические процессы. К первым относятся процессы химико-термической обработки, гомогенизации, снятия напряжений и т. д. Ко вторым относятся процессы роста зерна, поверхностного обезуглероживания, окисления и т. п.

Электродинамические силы создают вибрации, приводящие к повреждению электрической и тепловой изоляции, нарушению целостности паяных соединений, шуму.

Если нагреваемый материал находится в жидком состоянии или в виде ионизированного газа (плазмы), то под действием электродинамических усилий возникают газо- и гидродинамические явления, которые могут оказать существенное влияние на технологический процесс.

Пластическая деформация может осуществляться как в процессе индукционного нагрева (индукционная гибка труб), так и в виде отдельных технологических операций (прессование, штамповка, прокатка), однако их эффективность сильно зависит от качества нагрева, и целесообразно их совместное рассмотрение и оптимизация с тепловыми процессами при индукционном нагреве.

В настоящее время проводятся активные работы по совместному исследованию двух или нескольких процессов методами математического моделирования с целью оптимизации конструкций и режимов работы индукционных устройств. Наиболее распространенными являются электротепловые модели, которым в настоящей работе будет уделено основное внимание.

По назначению индукционные устройства можно разделить на плавильные, нагревательные и специальные 12].

Плавильные устройства обладают рядом особенностей, связанных с наличием материала в жидкой фазе. Существенную роль в них играет движение расплава под действием электродинамических и конвективных сил, что приводит к выравниванию температурного поля за счет теплопереноса, изменению формы расплава и другим специфическим эффектам [4, 11 ]. Требования к расчету и проектированию плавильных устройств существенно отличаются от требований к нагревательным устройствам и в данной книге не рассматриваются. Однако значительная часть методов электромагнитных расчетов может быть применена и к плавильным устройствам при известной конфигурации расплава.

Нагревательные устройства служат для прямого или косвенного нагрева материалов в твердом, жидком или газообразном состоянии. При прямом индукционном нагреве теплота выделяется за счет поглощения энергии электромагнитного поля непосредственно нагреваемым (рабочим) телом. При косвенном нагреве теплота выделяется в промежуточном нагревателе, от которого передается нагреваемым телам.

К устройствам прямого нагрева относится подавляющее большинство нагревателей металлических изделий под термическую обработку (поверхностную и объемную закалку, отжиг, отпуск) и пластическую деформацию (прокатку, штамповку, прессование, волочение, гибку и т. п.). Для них характерна передача больших удельных мощностей, создание требуемого, часто неравномерного, температурного поля, малая тепловая инерция, достижимость практически любых температур. Эти качества и определяют в основном преимущества индукционного нагрева перед другими способами.

В устройствах косвенного нагрева температуры и удельные мощности ограничены теплоотдачей от промежуточного нагревателя и его жаростойкостью и обычно невелики. Однако с помощью этих устройств можно получать высокую равномерность нагрева (индукционные термостаты), нагревать непроводящие материалы, получать высокие энергетические показатели процесса (КПД и коэффициент мощности). К этому типу относится довольно многочисленная группа устройств для обогрева технологического оборудования: химических реакторов, трубопроводов, экструдеров и т. д

Задачи проектирования устройств прямого и косвенного нагрева существенно различаются. При прямом нагреве материал, форма и размеры нагреваемых тел заданы и, как правило, не могут быть изменены. Проектирование таких устройств сводится к синтезу конструкции индукторов и режима нагрева. При косвенном нагреве существует возможность выбора конструкции и материала промежуточного нагревателя, что расширяет возможности проектирования. Так, при температуре нагрева ниже точки Кюри и использовании двухслойных материалов возможно создание индукционных устройств с коэффициентом мощности более 0,8, что позволяет отказаться от компенсирующих конденсаторов.

Существуют индукционные устройства, в которых часть энергии выделяется в самом нагреваемом теле, а часть передается в виде теплоты от промежуточного нагревателя. Примером могут служить печи с полупрозрачным тиглем или экраном.

К специальным можно отнести устройства для сварки и пайки [2, 3, 13], индукционные плазмотроны, устройства для магнитной импульсной обработки, литья в электромагнитный кристаллизатор и т. п. Для них характерно многообразие параметров процесса и воздействий электромагнитного поля. Так, при сварке и пайке часть материалов находится в жидкой фазе; во всех перечисленных случаях, кроме термического действия поля, существенную роль играют электродинамические силы. Теория и расчет специальных устройств, базируясь на общих положениях теории индукционного нагрева, должны быть дополнены разделами, учитывающими их специфику.

По частоте индукционные установки делятся на три группы. Установки промышленной частоты используются для нагрева крупногабаритных изделий под пластическую деформацию и термообработку, для низкотемпературного нагрева изделий и обогрева технологического оборудования [2, 8, 14]. Последнее время проявляется интерес к нагреву на пониженной частоте.

Установки средней частоты (150—10 ООО Гц) составляют основной объем индукционного оборудования. Они применяются для нагрева под пластическую деформацию, поверхностную и объемную термообработку, пайку, сварку и т. п. [2, 9, 15].

Установки радиочастоты применяются для закалки изделий небольших размеров, пайки, сварки, создания индукционной плазмы и т. д. Частоты составляют 66, 440, реже 1760 кГц [2, 15, 16]. Иногда используются установки двухчастотного нагрева. С точки зрения описания процесса нагрева частота является величиной относительной, однако для каждого частотного диапазона имеются свои особенности конструкции и режима работы, что следует учитывать при расчетах.