Применение тигельных индукционных печей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В течении XIX века были сделаны открытия, составляющие основу современной электроники. Фарадеем был открыт закон электромагнитной индукции, Ленц и Джоуль установили, что прохождение тока по проводнику сопровождается выделением тепла, Максвелл получил основополагающие уравнения электромагнитного поля, носящие его имя, и построил систему современной электродинамики. В 80-х годах У. Томсон открыл и исследовал поверхностный эффект, заключающий в том, что переменный ток вытесняется к поверхности проводника. В 1886 г. русский ученый И.И. Боргман исследовал нагревание стекла в конденсаторе при быстро следующих друг за другом зарядах и зарядах. Таким образом, уже в XIX веке были заложены теоретические основы техники индукционного нагрева.

Тем не менее развитие индукционного нагрева относится в основном к XX веку, и в особенности ко второй его четверти. Относительно позднее развитие индукционного нагрева при наличии основных научных предпосылок объясняется отсутствием источников тока достаточной мощности, а так же сравнительно низким уровнем развития промышленности того времени, не нуждавшиеся в высокопроизводительных методах нагрева и не предъявлявшей столь высоких требований к материалам, технологии и автоматизации процессов, как в наше время.

Первыми установками индукционного нагрева были индукционные плавильные печи с магнитопроводами. Опытная печь с открытым горизонтальным каналом была построена в Англии в 1887 г. Ферранти, а первая промышленная печь того же типа - в Швеции Кьеллином. Эти печи, применявшиеся для переплавки стали, обладали плохими энергетическими характеристиками, в частности относительно большой индуктивностью рассеяния, что заставило применять пониженную частоту, получаемую от специального генератора.

В 1916 г. инженером Уайтом были предложены печи с закрытым каналом. Объем канала составляет лишь незначительную часть объема ванны. Эти печи получили в дальнейшем широкое распространение вначале для плавки цветных металлов, а позже - для плавки, выдержки и перегрева чугуна. В СССР такие печи стали строить начиная с 30-х годов на Московском электрозаводе. Большую роль в разработке и проектировании этих печей сыграло ОКБ треста «Электропечь», преобразованное в 1961 г. по ВНИПКТИ электротермеческого оборудования (ВНИИЭТО), который является ведущим в этой области.

В 1908 г. в журнале «Электричество» А.Н. Лодыгин опубликовал статью, в которой были описаны принцип работы и конструкция тигельной индукционной печи без магнитопровода. В 1912-1913 гг. Дюбуа-Лоренцом была создана первая такая печь, питавшаяся от высокочастотного дугового генератора. Подобная печь с питанием от искрового генератора была построена в 1916 г. инж. Нортрупом в США. Эти печи имели незначительную емкость вследствие малой мощности питавших их генератор.

Изобретением радио А.С. Поповым стимулировало во всем мире работы по созданию высокочастотных генераторов, сначала электромашинных, а затем электронных, единичная мощность в которых в наше время доходит до нескольких мегаватт.

Огромную роль в разработке как электромашинных, так и электронных генераторов сыграла Нижегородская радиолаборатория, созданная по указу В.И. Ленина в декабре 1918 г. В этой лаборатории под руководством видного радиотехника, а в дальнейшем пионера высокочастотной электротермии проф. В.П. Вологдина был создан ряд мощных высокочастотных электромашинных генераторов, предназначавшихся тогда для радиостанции дальней связи, а под руководством проф. М.А. Бонч-Бруевича разработаны мощные генераторные лампы. На основе этих работ завод «Электрик» в Ленинграде с начала 30-х годов начал выпускать промышленные тигельные печи емкостью от 10 до 600 кг, мощность до 600кВт, питаемые током с частотой от 10000 до 500 Гц соответственно, разработанные в лаборатории проф. В.П. Вологдина в ЛЭТИ имени В.И. Ульянова (Ленина).

Тигельные индукционные печи послужили прообразом многочисленных установок индукционного нагрева с целью осуществления различных технологических операций. В 1935 г. проф. В.П. Вологдиным и инж. Б.Н. Романовым был предложен новый метод поверхностной закалки при индукционном нагреве, быстро завоевавший всеобщее признание благодаря невиданной ранее производительности, малой энергоемкости и огромными возможностями автоматизации процесса. В развитие этого метода решающую роль сыграла лаборатория В.П. Вологдина в ЛЭТИ. Большую роль сыграли также группы, руководимые К.З. Шепеляковским, Г.И. Бабатом, М.Г Лозинским и др. Далее индукционный нагрев получил широкое применение в кузнечном и прокатных производствах, где мощность отдельных установок достигает сотен мегаватт, для сварки, пайки, отжига, отпуска, для получения материалов сверхвысокой частоты и для других целей. В наше время невозможно представить себе предприятие, не использующее широко индукционный нагрев при решении различных технологических задач. Область применения его непрерывно расширяется. Частоты, используемые при индукционном нагреве металлов, охватывает диапазон от 0,5 до 107 Гц.

1. Общая часть

1.1 Назначение индукционного нагревателя

Индукционный нагрев - это электрический нагрев с применением электромагнитной индукции. Если поместить предмет из электропроводного материала внутрь катушки, по обмотке которой проходит переменный ток, во вложенном в полость катушки предмете переменным магнитным полем индуцируются вихревые токи. В сущности, речь идет о трансформаторе, в котором вторичной обмоткой является заготовка (обмотка, замкнутая накоротко), а первичной обмоткой является катушка, которая в индукционных нагревателях называется индуктором. Вихревые токи нагревают вложенный предмет (заготовку). Тепло к заготовке подводится переменным магнитным полем, а не градиентом температуры, как при непрямых нагревах, и возникает прямо в заготовке. Все остальное вокруг может быть холодным. Это значительное преимущество индукционного нагрева.

Тепло в заготовке не образуется равномерно по всему сечению. Напр.: при нагреве заготовки цилиндрической формы наибольшая плотность тока будет на поверхности, а к середине снижается приблизительно экспоненциально. Это явление называется скин-эффект.

jx = Jo e-kx

Глубина, в которой плотность тока снижается до значения Jo/e, т.е., на 0,368 плотности на поверхности, называется глубиной проникновения д



где:

· щ = 2рf угловая частота, f - частота

· с удельное сопротивление материала заготовки

· µo проницаемость вакуума (4р x 10-7Hm-1)

· µr удельная проницаемость материала заготовки.

На практике целесообразно это отношение откорректировать:

В поверхностном слое толщины одной глубины проникновения образуется 86,5% всего тепла, в слое двух глубин проникновения д 98%, в слое 3д 99,8 % (относится к цилиндру с диаметром более 8 д).

Очевидно, что глубина проникновения зависит от частоты тока индуктора и от удельного сопротивления и относительной проницаемости материала заготовки при рабочей температуре заготовки.

Для наглядности приведем глубину проникновения меди и углеродной стали (мм):

частота [Hz]	50	500	1000	2000	4000	8000	10000	20000	50000
медь 40°C	10	3,2	2,3	1,6	1,1	0,8	0,7	0,5	0,3
сталь 1200°C	78	25	17,5	12,3	8,6	6,2	5,5	3,9	2,5

С точки зрения эксплуатационных затрат представляет интерес эффективность нагрева. Приблизительно эффективность з можно оценить с помощью отношения

где:

· D внутренний диаметр катушки индуктора

· d диаметр заготовки

· д глубина проникновения

· с1 удельное сопротивление материала индуктора

· с2 удельное сопротивление материала заготовки

· µr относительная проницаемость материала заготовки.

Эффективность снижается с увеличением отношения D/d, потому что уменьшается связь магнитного поля индуктора с заготовкой. Поэтому не выгодно использовать один индуктор для большого диапазона диаметров заготовки. Эффективность снижается и при увеличении отношения д/d. Низкое значение д/d используется, например, для поверхностной закалки, при которой происходит быстрый процесс нагрева, а потом охлаждение тонкого поверхностного слоя.

Для формовки (ковки) необходимо, чтобы материал был прогрет по возможности равномерно. Поэтому выбирается более медленный нагрев, чтобы тепло могло разойтись к середине заготовки. Ровномерности нагрева способствует и увеличение глубины проникновения. Выбирается компромисс частоты для достижения необходимого прогрева при хорошей эффективности переноса энергии от индуктора к заготовке.

Практика показала, что для нагрева углеродной стали до 1200°C экономичным является следующий диапазон размеров заготовки:

частота [Hz]	диаметр заготовки [мм]	сторона прямоугольного сечения [мм]
50	200-600	180-550
250	90-250	80-225
500	65-180	60-160
1000	50-140	45-125
2000	35-100	30-80
4000	22-65	20-60
8000	16-50	15-45
10000	15-40	14-35
20000	10-30	9-25

У заготовки плоской формы толщина шины должна более чем в 2,5 раза превышать глубину проникновения. При малой толщине возникает так называемая проницаемость и эффект нагрева снижается, что необходимо учитывать при выборе оборудования.

Для питания индуктора более высокой, чем в распределительной сети (50 Hz), частотой применяются статические преобразователи частоты - тиристорные или транзисторные.

ROBOTERM spol. s r.o. , г. Хотеборж производит преобразователи частоты с тиристорами от 25 до 1200 kW с частотой до 8 kHz и с транзисторами до 200 kW с частотой до 25 kHz .

Индукционный нагрев позволяет хорошо стабилизировать температуру нагреваемых предметов. Для управления процессом восновном применяются свободно программируемые автоматы. Температура в большинстве случаев измеряется бесконтактным способом - пирометрами. При нагреве алюминия и его сплавов используются так же термопары.

Одним из преимуществ индукционного нагрева является возможность его механизации, а в некоторых случаях и автоматизации. Последняя уменьшает необходимость человеческого труда и для очень мощного оборудования просто необходима.

На практике индукционный нагрев используется в следующих областях:

· для формовки - возможно самая широкая область применения, важным является ровномерное прогревание заготовки

· для плавления железных и не железных металлов, с низкой и средней частотой

· для поверхностной закалки - ROBOTERM spol. s r.o., г. Хотеборж при производстве оборудования для закалки сотрудничает также и с приглашенными технологами

· для пайки - между спаиваемыми металлическими частями вкладывается припой, детали помещаются в индуктор и припой расплавляется

· для горячего прессования - используется тепловое расширение металлов

· специальные технологии - сварка, плазма, вакуумная плавка, поддерживание температуры расплавленного стекла. Этими технологиями ROBOTERM spol. s r.o., г. Хотеборж пока еще не занимался.

1.2 Основные характеристики и область применения

Индукционный нагреватели находят всё более широкое применение в промышленности. В наше время при проектировании сколько-нибудь крупного предприятия предусматривается широкое использование высокочастотных методов термообработки.

Высокочастотные кузницы и установки для поверхностной закалки на автомобильных заводах гигантах достигают многих десятков тысяч киловатт. Мощность установок индукционного нагрева на многочисленных предприятиях страны, составляет сотни тысяч киловатт.

Особый характер индукционного нагрева открывает возможность создания новых путей повышения конструктивной прочности металлов.

Применение индукционного нагрева в кузнечно-прессовом производстве позволяет повысить производительность труда, уменьшает износ штампов, сокращает расход металла при одновременном улучшении культуры производства. Индукционный нагреватель для сквозного нагрева выполняется с многовитковым индуктором, который охватывает одну или несколько заготовок.

Применение индукционного нагрева для поверхностного упрочения деталей позволяет в разы увеличить износостойкость и имеет высокий экономический эффект от использования индукционного нагревателя.

Кроме традиционных областей применения индукционных нагревателей (закалка ТВЧ, нагрев перед пластической деформацией, индукционная плавка, индукционная пайка) известны и такие области как получение монокристаллических полупроводниковых материалов, наращивание эпитаксиальных пленок, твч сварка труб и оболочек связи, вспенивание материалов в электрическом поле, применение высокочастотной плазмы для технологических целей и др.

Применение индукционного нагрева и перспективы его развития в условиях интенсификации производства обусловлены рядом постоянно действующих причин:

· Сверхчистая бесконтактная плавка, пайка и сварка металла.

· Получение опытных образцов сплавов.

· Гибка и термообработка деталей машин.

· Ювелирное дело.

· Обработка мелких деталей, которые могут повредиться при газопламенном или дуговом нагреве.

· Поверхностная закалка.

· Закалка и термообработка деталей сложной формы.

· Обеззараживание медицинского инструмента.

· Высоким качеством нагрева вследствие быстроты процесса, отсутствием загрязнений, достижимостью любых температур, возможностью использования различных атмосфер и вакуума и т.д.; существует ряд процессов, реализация которых без индукционного нагрева практически не возможна.

· Гибкостью и высокой точностью управления из-за малой инерционности процесса, возможностью точного дозирования энергии, наличием нескольких каналов управления.

· Сбережением материальных, трудовых и во многих случаях энергетических ресурсов за счет уменьшения потерь материала в процессе нагрева, повышения качества продукции, увеличения производительности.

· Уменьшением вредных воздействий на окружающую среду и улучшением условий труда обслуживающего персонала

1.3 Индукционные катушки (индукторы), применяемые в технологии индукционного нагрева

индукционный нагреватель катушка пайка

Индукционная катушка (индуктор) представляет собой хороший проводник электрического тока, расположенный на небольшом расстоянии от нагреваемой поверхности. Проводником чаще всего служит круглая или прямоугольная медная трубка диаметром от 1 до 50мм, охлаждаемая водой или антифризом. Медная трубка позволяет подводить к нагреваемой поверхности мощность до 1,5кВт/см2. Подвод большей мощности, по утверждению некоторых авторов, приводит к закипанию охлаждающей воды и выгоранию трубки в месте образования пузырьков.

Большое значение для хорошей работы индуктора имеет обеспечение достаточного потока охлаждающей жидкости. Зачастую для обеспечения охлаждения высокоточных индукционных катушек мощных индукционных плавильных печей и индукционных кузнечных нагревателей делается несколько подводов и отводов воды. Увеличение диаметра медной трубки положительно сказывается на увеличении подводимой индукционной мощности. А вот увеличение толщины медной трубки часто бесполезно, т. к. ток в индукционной катушке все равно прижимается к внешней поверхности трубки и не растекается по всему ее сечению из-за скин-эффекта.

При сравнительно небольшой удельной мощности, индуктор может быть выполнен из медной пластины. Например, для нагрева крупных деталей устанавливаемых в замки с помощью температурного расширения. Это роторы электрических машин и т.п. Для охлаждения медных пластин к ним иногда приваривают медную трубку по центру пластины или зигзагообразно.

Иногда индукционную катушку выполняют из медного кабеля в гибкой жаропрочной силиконовой изоляции. Такой многовитковый индуктор наматывают поверх теплоизоляционного жаропрочного одеяла, одеваемого на стальные трубы, при нормализации сварных швов и предварительном нагреве их перед сваркой. Соответственно на многовитковый кабельный индуктор нагружают только высоковольтные среднечастотные индукционные нагреватели.



Замыкание индукционной катушки, как правило, не приводит к выходу из строя современных индукционных нагревателей, но может вызвать срабатывание защиты по выходному току. А вот самой индукционной катушке может быть нанесен существенный вред, медная трубка прогорает в месте пробоя. Отверстие от прожога следует запаять высокотемпературным медным припоем, с температурой плавления около 900єС, либо заменить весь индуктор на новый.

В случае применения кондукторов (это зажимные устройства для нагреваемых деталей) и при сканирующей закалке, индукционную катушку оставляют без изоляции. А вот если деталь подается в зону нагрева вручную и есть возможность касания индуктора, индукционную катушку следует футеровать жаропрочным материалом желательно с малой электропроводностью. Для этих целей применяют плетеную трубку из электрокорундового, кварцевого или глиноземного волокна. Полезно обмазать такую футеровку огнестойким цементом или жаропрочными мастиками.

Возможна футеровка индукционных катушек с помощью керамических втулок, подбираемых по диаметру медных трубок, это позволяет оперативно менять конструкцию индукторов.

Индукторы для коллективного нагрева заготовок при горячей штамповке футеруются специальной смесью из огнестойкого (жаропрочного) цемента и различных наполнителей из электрокорундового песка и волокон. Желательно не допускать попадания на футеровку воды, это приводит к многоточечным пробоям в индукционной катушке и появлению характерного шума. Для устранения этого явления, индукционную катушку следует высушить в муфельной печи при температуре около 300єС.

Сильный шум в индукционной катушке указывает на закипание в ней охлаждающей воды. В этом случае следует увеличить отбор тепла из индукционной катушки с помощью увеличения давления, а лучше за счет улучшения конструкции самого индуктора. Следует увеличить диаметр медной трубки или изменить количество витков индукционной катушки, сделать дополнительный отвод - подвод воды и т.п.

Для изготовления индукционных катушек применяют как круглую, так и прямоугольную медную трубку. Прямоугольные трубки имеют КПД на 2-3% больше, чем круглые. Поэтому на простых индукторах разница между профилем трубки почти не ощутима.

Изготовление простого индуктора совсем не сложно. Набейте отожженную круглую медную трубку просеянным песком или мелкой солью, сплющите ее края и смело навивайте индукционную катушку необходимой вам формы и количества витков. После навивки необходимо отрезать края трубки, тщательно вытрясти содержимое и промыть трубку водой. Иногда индукционную катушку навивают через прокладку на саму нагреваемую деталь, чаше на оправку. Ведь главное правило изготовления индукционной катушки гласит, что для обеспечения одинакового нагрева, витки должны иметь одинаковый шаг и расстояние до нагреваемой поверхности. Часто бывает нужно обеспечить различную температуру нагрева или деталь имеет переменные сечения. В этом случае варьируют шагом и расстоянием до поверхности детали.

Для изготовления индукторов для индукционных плавильных печей средней и большой мощности, применяют только прямоугольную трубку. Прямоугольную трубку применяют так же при изготовлении индукционных катушек для сканирующей закалки. Такие индукторы часто оборудуют концентратором электромагнитного поля марки «Флюкстрол» или «Ферротрон». По некоторым данным есть материал российского производства под названием «Гаманит», но автору он пока не попадался.

Все эти материалы обладают громадной магнитной проницаемостью и насыщаемостью. Их применение позволяет повысить коэффициент передачи электромагнитной энергии от индукционной катушки в нагреваемый металл на десятки процентов. Однако при работе сам концентратор сильно нагревается. Поэтому, как правило, «П» образный концентратор с целью эффективного отвода тепла, закрепляют на прямоугольной медной трубке с помощью теплопроводной мастики.

В процессе эксплуатации индукционных установок для них постоянно находятся все новые производственные задачи. Их решение возможно только с помощью изготовления различных по конструкции индукционных катушек. И эту важную работу нужно обязательно научиться делать на самом производстве. Конечно, речь идет о сравнительно простых индукторах, например для высокочастотных индукционных нагревателей.

В самих нагревателях предусмотрены индикаторы, сигнализирующие о подключении индуктора с недопустимой индуктивностью. Они указывают на выход рабочей частоты за допустимые пределы. Соответственно при загорании индикатора «Превышение частоты» следует увеличить индуктивность индуктора с помощью увеличения количества витков или диаметра индукционной катушки. И соответственно сделать все наоборот, при загорании индикатора «Слишком низкая частота».

Когда возникает задача нагрева большой площади или длины заготовки следует применить способ секционирования индукционный катушки. Он заключается в том, что катушки с небольшим количеством витков включаются по 2-3 катушки параллельно. Это позволяет на низковольтном высокочастотном индукционном нагревателе решать задачи, которые под силу высоковольтным среднечастотным индукционным нагревателям.

Тем не менее, для каждого типа индукционных нагревателей существуют определенные ограничения по конструкции индукционных катушек. Автор не ставит целью рассказать обо всех конструкциях индукционных катушек и методиках их расчета в рамках этой статьи. Это просто невозможно. И в руководстве пользователя, прилагаемому к индукционным нагревателям, эта информация крайне ограничена.



2. Специальная часть

2.1 Конструктивное исполнение и принцип работы индукционного нагрева

Индукционный нагрев -- это нагревание материалов электрическими токами, которые индуцируются переменным магнитным полем. Следовательно -- это нагрев изделий из проводящих материалов (проводников) магнитным полем индукторов (источников переменного магнитного поля).

Индукционный нагрев проводится следующим образом. Электропроводящая (металлическая, графитовая) заготовка помещается в так называемый индуктор, представляющий собой один или несколько витков провода (чаще всего медного). В индукторе с помощью специального генератора наводятся мощные токи различной частоты (от десятка Гц до нескольких МГц), в результате чего вокруг индуктора возникает электромагнитное поле. Электромагнитное поле наводит в заготовке вихревые токи. Вихревые токи разогревают заготовку под действием джоулева тепла.

Система «индуктор-заготовка» представляет собой бессердечниковый трансформатор, в котором индуктор является первичной обмоткой. Заготовка является как бы вторичной обмоткой, замкнутой накоротко. Магнитный поток между обмотками замыкается по воздуху.

На высокой частоте вихревые токи вытесняются образованным ими же магнитным полем в тонкие поверхностные слои заготовки Д (скин-эффект), в результате чего их плотность резко возрастает, и заготовка разогревается. Нижерасположенные слои металла прогреваются за счёт теплопроводности. Важен не ток, а большая плотность тока. В скинслое Д плотность тока увеличивается в e раз относительно плотности тока в заготовке, при этом в скинслое выделяется 86,4 % тепла от общего тепловыделения. Глубина скинслоя зависит от частоты излучения: чем выше частота, тем тоньше скин-слой. Также она зависит от относительной магнитной проницаемости м материала заготовки.

Для железа, кобальта, никеля и магнитных сплавов при температуре ниже точки Кюри м имеет величину от нескольких сотен до десятков тысяч. Для остальных материалов (расплавы, цветные металлы, жидкие легкоплавкие эвтектики, графит, электропроводящая керамика и т. д.) м примерно равна единице.

Формула для вычисления глубины скин-слоя в мм:

,

где м0 = 4р?10?7 -- магнитная постоянная Гн/м, с -- удельное электрическое сопротивление материала заготовки при температуре обработки, f -- частота электромагнитного поля, генерируемого индуктором.

Например, при частоте 2 МГц глубина скин-слоя для меди около 0,25 мм, для железа ? 0,001 мм.

Индуктор сильно нагревается во время работы, так как сам поглощает собственное излучение. К тому же он поглощает тепловое излучение от раскалённой заготовки. Делают индукторы из медных трубок, охлаждаемых водой. Вода подаётся отсасыванием -- этим обеспечивается безопасность в случае прожога или иной разгерметизации индуктора.

Принцип работы индукционного нагрева:

Переменный ток, протекающий через индуктор, создает магнитное поле. Поле сосредоточено вблизи индуктора и его величина зависит от силы тока и количества витков (рис. 1). Токи Фуко индуцируются во всех токопроводящих предметах - например, в металлическом бруске, расположенном внутри индуктора. Благодаря явлению сопротивления происходит выработка тепла в области протекания токов Фуко. С увеличением силы магнитного поля возрастает тепловое воздействие. Однако на общее тепловое воздействие также влияют магнитные свойства предмета и расстояние от предмета до индуктора (рис.2).

Токи Фуко создают свое собственное магнитное поле, противоположное полю индуктора. Это противодействие мешает полю индуктора сразу проникнуть в центр предмета, охваченного индуктором. Токи Фуко имеют наибольшую активность рядом с поверхностью нагреваемого предмета, однако их сила значительно ослабевает по мере приближения к центру (рис. 3). Расстояние от поверхности нагреваемого предмета до глубины, где плотность тока снижается до 37 %, называется глубиной проникновения. Значение этой глубины возрастает по мере уменьшения частоты. Поэтому важно выбрать правильное значение рабочей частоты преобразователя, чтобы получить желаемое значение глубины проникновения.

2.2 Расчет и выбор частей индукционного нагрева. Индукционная закалка, индукционный отпуск

Индукционный нагрев для термической обработки, предложенный и разработанный проф. В. П. Вологдиным, является наиболее производительным и прогрессивным способом нагрева. При применении его для поверхностной закалки можно получить разный по глубине закаленный слой и закаливать детали разнообразной конфигурации; можно также полностью автоматизировать процесс закалки. Различают два метода поверхностной индукционной закалки.

При поверхностной закалке (поверхностном нагреве) глубина нагрева до температур закалки примерно равна глубине закаленного слоя. Структура сердцевины при этом остается без изменения, поэтому ее упрочняют предварительной термической обработкой (нормализацией или улучшением). Для поверхностного нагрева детали необходимо сконцентрировать большое количество электрической энергии в небольшом объеме металла (удельная мощность 0,5--1,5 кВт/см2) и проводить нагрев с большими скоростями (30--300° С/с). Время нагрева при этом составляет 1,5-- 20 с.

При объемно-поверхностной закалке (глубинном нагреве) глубина нагрева до температур закалки больше слоя с мартен-ситной структурой, который определяется прокаливаемостью стали. Поэтому по данному методу необходимо закаливать стали, прокаливающиеся на меньшую глубину, чем толщина нагретого слоя. В участках детали, лежащих глубже зоны мартенситной структуры, но нагретых до температур закалки, образуются упрочненные зоны со структурой троостита или сорбита закалки.

В связи с нагревом на большую глубину значительно снижаются удельная мощность (до 0,05--0,2 кВт/см2) и скорость нагрева в области фазовых превращений (до 2--10° С/с); время нагрева составляет 20--100 с. Объемно-поверхностную закалку применяют для тяжелонагруженных деталей (шестерен, осей, крестовин и др.). Основное отличие индукционного нагрева от нагрева в печах и других нагревательных устройствах заключается в том, что тепло не подводится к детали от внешних источников (конвекцией или лучеиспусканием), а выделяется непосредственно в самой детали.

Рассмотрим принципиальную схему нагрева (рис. 72). Переменный электрический ток подводится к индуктору 2. Закаливаемую деталь 1 помещают в индуктор. Внутри индуктора возникает переменное магнитное поле, индуктирующее в поверхности детали электродвижущую силу, под действием которой в металле возникают электрические вихревые токи (токи Фуко), вызывающие нагрев детали до высокой температуры. Тепло выделяется на тех участках детали, которые подвергаются воздействию переменного магнитного поля и электрического тока. Это обеспечивает высокую скорость нагрева и позволяет производить местный нагрев.

Характерным является распределение токов по сечению проводника (детали). Плотность протекающего переменного тока значительно больше у поверхности, чем во внутренних слоях проводника. Такое неравномерное распределение переменного тока в проводнике называется поверхностным эффектом. Благодаря этому эффекту деталь нагревается на определенную глубину, а сердцевина -- незначительно за счет теплопроводности или совсем не нагревается. Плотностью тока в глубоко расположенных слоях детали пренебрегают; считают, что эта часть проводника как бы свободна от тока. Это допущение относится к тем слоям проводника, в которых плотность тока снижается приблизительно в 3 раза по сравнению с плотностью тока на поверхности проводника. Условно считается, что переменный ток идет не с неравномерной, а с одинаковой плотностью по слою проводника определенной глубины. Этот слой называется глубиной проникновения тока. Такое условное распределение плотности тока целесообразно в связи с тем, что на условной глубине проникновения тока выделяется около 87% всего тепла, выделяемого вихревыми токами.

2.3 Индукционная пайка и сварка

Индукционная пайка:

Что такое индукционная пайка?

Под пайкой понимается процедура соединения материалов с использованием присадочного металла (и, как правило, антиоксиданта, называемого флюсом) для соединения двух частей плотно пригнанного металла без плавления основного материала. Индуцированное тепло расплавляет присадочный металл, который затем вытягивается между основными материалами за счет капиллярного воздействия.

Преимущества:

Индукционная пайка может применяться для соединения широкого диапазона металлов: от черных до цветных и отличается точностью и быстротой выполнения. Нагреву подвергаются только узкие выделенные участки, при этом смежные участки и материалы не подвергаются воздействию нагрева. Технологично правильно спаянные соединения обладают высокой прочностью, герметичностью и устойчивостью к коррозии. Кроме того, они отличаются высоким качеством исполнения и не требуют дальнейшего фрезерования, шлифования или отделочной обработки. Индукционное оборудование для пайки может быть идеально встроено в производственные линии.

Область применения:

Установки могут использоваться практически для любого вида индукционной пайки. На сегодняшний день наши системы широко применяются в электромеханической промышленности для пайки элементов генераторов и трансформаторов, а именно, стержней, жил, колец, проводов и пайки короткозамкнутых колец в один прием. Также они используются для пайки топливо-проводов, деталей кондиционеров и тормозных систем в автомобильной промышленности. В авиации индукционный нагрев используется для пайки лопастей пропеллеров, а также топливных гидравлических систем. В vбытовой сфере с помощью наших систем выполняют пайку элементов компрессора холодильников, нагревательных элементов и смесителей.

Индукционная сварка:

При индукционной сварке происходи индуцирование тепла электромагнитным полем в заготовке. Благодаря быстроте и точности индукционная сварка идеально подходит для производства электросварных труб на высокой скорости. В ходе этого процесса кромки полосы сначала нагреваются, затем прижимаются друг к

ругу сварочными валками, образуя продольный сварной шов. Установки можно также оборудовать контактными головками, в результате чего они превращаются в сварочные системы двойного назначения.

Преимущества:

Автоматизированный процесс производства электросварных труб с использованием установок индукционного нагрева представляет собой надежный процесс с высокой производительностью. Низкое потребление энергии и высокие КПД установок позволяют сократить затраты. За счет надежности установок и устойчивости к коротким замыканиям объем отходов производства сводится к минимуму.

Кроме того, установки имеют систему автоматического согласования с нагрузкой, что обеспечивает полную выходную мощность для широкого диапазона размеров труб. А небольшая занимаемая площадь установкой облегчает ее встраивание в существующие производственные линии.

Область применения:

Установки индукционного можно использовать для производства труб из низкоуглеродистых и высокопрочных низколегированных сталей (HSLA), нержавеющих сталей (как магнитной, так и немагнитной), алюминия, а также многих других электропроводных материалов.

2.4 Сушка клеевых составов

Что такое сушка клеевых составов?

В данном процессе индукционный нагрев предназначен для отверждения клеящих составов и герметиков при производстве подвесных панелей автомобиля, таких как двери, капоты, крылья, зеркала заднего вида и магнитов. Кроме того, при помощи индукционного нагрева осуществляется отверждение связующих в соединениях композитов с металлом и углеродистых волокон друг с другом. Существует два способа сушки клеевых составов в автомобильной промышленности: в нескольких точках, при котором нагреваются несколько небольших участков панелей, и сушка панели по всему периметру.

Преимущества:

Оборудование EFD Induction обеспечивает точное выделение энергии для каждой панели. За счет небольших размеров нагреваемых участков общее удлинение панели сводится к минимуму. При сушке стальных панелей не требуется их зажимать, благодаря чему уменьшаются напряжение и деформация. При сушке каждой панели происходит электронный контроль затрачиваемой энергии, отклонения которой должны находиться в допустимых пределах. При сушке по периметру используется один индуктор универсального размера, благодаря чему уменьшается потребность в запасных индукторах.

Область применения:

Сушка клеевых составов при производстве панелей автомобилей является наиболее предпочтительным методом в автомобильной промышленности. Индукционный нагрев широко применяется для склеивания листовой стали и алюминия, и наряду с этим находит все более частое применение при склеивании новых легких материалов и углеродных волокон. Индукционный нагрев используется для склеивания искривленных деталей, тормозных колодок и электромагнитов в электротехнической промышленности. Кроме того, индукционных нагрев применяется при производстве направляющих, рельс, полок и панелей в секторе бытовых товаров.

2.5 Индукционный отжиг и нормализация

Что такое индукционный отжиг?

В ходе этого процесса происходит нагрев металлов, которые уже прошли значительную обработку. Индукционный отжиг уменьшает твердость, улучшает пластичность и снимает внутренние напряжения. Полнотельный отжиг - это процесс, в ходе которого отжигу подвергается вся заготовка целиком. При отжиге шва (или более точно ”нормализации”) обработку проходит только зона теплового влияния, образовавшаяся в результате сварки.

Установка для нормализации шва фирмы EFD Induction.

Индукторы - горизонтальные блоки красного цвета

над трубой.

Преимущества:

В ходе индукционного отжига и нормализации обеспечивается быстрый, локализованный нагрев с точным управлением температурой. Установки легко встраивать в существующие производственные линии. Индукционный нагрев происходит в соответствии с техническим заданием, при этом системы управления ведут постоянный контроль и регистрацию протекания всего процесса.

Область применения:

Индукционный отжиг и нормализация находят широкое применение при производстве труб. Кроме того, этот метод используется при отжиге проволоки, стальных полос, лезвий ножей и медных труб. Фактически индукционный нагрев идеально подходит для выполнения практически любой задачи, связанной с отжигом.

2.6 Предварительный и последующий нагрев

Предварительный индукционный нагрев - это процесс, в ходе которого материалы или заготовки нагреваются путем индукционного нагрева перед дальнейшей обработкой. Необходимость выполнения предварительного нагрева может быть вызвана различными причинами. При производстве кабелей жилы проходят предварительный нагрев перед нанесением изоляции. Стальные полосы подвергаются предварительному нагреву перед травлением и нанесением цинкового покрытия. Также предварительный индукционный нагрев используется для размягчения металлов перед изгибанием и подготовкой труб к сварке. Мобильные установки, используемые для предварительного нагрева, упрощают выполнение ремонта подшипниковых узлов на месте эксплуатации.

Преимущества:

Системы предварительного нагрева EFD Induction являются чрезвычайно эффективными, что позволяет существенно сократить энергетические затраты. За счет использования в установках диодных выпрямителей обеспечивается постоянный коэффициент мощности, равный 0,95, в результате чего сокращаются затраты на компенсацию реактивной мощности. А автоматическое согласование с нагрузкой означает, что один индуктор может использоваться для широкого диапазона деталей. Системы предварительного индукционного нагрева компактны и просты при внедрении в существующие или планируемые производственные линии.

Область применения:

Предварительный индукционный нагрев применяется в автомобильной, машиностроительной, авиационной, электромеханической, судостроительной промышленности. Кроме того, предварительный нагрев широко применяется при сварочных работах. Мобильные установки Minac находят применение при работах в море для проведения предварительного нагрева перед сваркой деталей на месте эксплуатации.

Системы Minac также часто поставляются на нефтепромысловые платформы и аэропорты для выполнения ремонта и технического обслуживания.

Последующим индукционным нагревом называется процесс, в ходе которого индукционный нагрев применяется для обработки заготовок или материалов, которые уже прошли значительную обработку. Металлические элементы и сварные швы, например, должны часто подвергаться последющему нагреву с целью снятия внутренних напряжений, возникших в результате предыдущих процессов. Индукционный последующий нагрев часто применяется для нагрева кабельных жил после нанесения изоляции.

Преимущества:

Благодаря быстроте, универсальности, точности и управляемости индукционный нагрев идеально подходит для решения многих задач, связанных с последующим нагревом. Например, наши системы последующего нагрева кабелей и проводов индуцируют локализованное тепло непосредственно в жилу кабеля. Это приводит к чрезвычайно быстрому образованию перекрестных связей между полимерами изоляции. В то же самое время за счет индукционного нагрева сводится к минимуму риск деформации кабелей. Наряду с этим наши мобильные установки Minac позволяют воспользоваться всеми преимуществами индукционного нагрева на площадках, где не допускается использование пламени, таких как морские платформы для добычи нефти и газа.

Область применения:

Наши технологии последующего нагрева используются преимущественно при производстве кабелей, труб, а также в электротехнической и авиационной промышленности. В автомобильной промышленности последующий нагрев колец, валов, соединений и шестерен и отверждение коррозионно-устойчивых крышек тормозных дисков. Индукционный нагрев также используется перед лужением.

2.7 Индукционный нагрев перед ковкой

В процессе ковки индукционный нагрев применяется для нагрева металлических частей перед их формовкой.

Преимущества

Индукционный нагрев перед ковкой обладает рядом ключевых преимуществ по сравнению с нагревом в печи. Быстрота выполнения и управляемость индукционного нагрева обеспечивает высокую производительность. Кроме того, за счет индукционного нагрева сводится к минимуму степень окисления и сохраняется металлургическая целостность. А точная, локализованная подача тепла позволяет сократить энергетические затраты. Благодаря постоянству и повторяемости индукционный нагрев идеально подходит для внедрения в автоматизированные производственные линии.

Область применения

Ковка с индукционным нагревом широко применяется в металлургической и литейной промышленности для нагрева болванок, брусков и их концов. К металлам, которые обычно проходят ковку с помощью систем EFD Induction, относятся алюминий, латунь, медь, сталь и нержавеющая сталь.



нагретая стальная болванка в установке для ковки EFD Induction.

Вертикальная установка EFD

Induction для нагрева концов деталей.

2.8 Индукционная и термическая правка

При правке индукционным нагревом индуктор используется для вырабатывания локализованного тепла в заранее определенных зонах нагрева.

Остывая, эти зоны дают усадку, ”стягивая” металл так, что он выравнивается.

Преимущества:

Индукционная правка отличается чрезвычайной быстротой выполнения. По словам наших заказчиков, время, затрачиваемое на выпрямление корабельных палуб и переборок, как минимум на 50 % меньше по сравнению с традиционными методами. Без индукционного нагрева процесс правки на крупном судне может занять десятки тысяч человеко-часов. Точность индукционного нагрева также способствует повышению производительности. Например, при правке шасси грузового автомобиля не требуется снимать теплочувствительные детали. Точность индукционного нагрева настолько высока, что его воздействие не распространяется на соседние объекты.

Область применения:

Индукционный нагрев широко применяется для термической правки корабельных палуб и переборок. В строительной промышленности эта технология применяется для правки балок. Индукционная правка находит все более широкое применение при производстве и ремонте локомотивов, подвижного состава и большегрузных автомобилей.



Преимущества индукционной правки используются не только в судостроительной промышленности.

Здесь система EFD Induction используется для выпрямления тавровой балки при реализации строительного проекта.

2.9 Выбор наилучших технологий

Насколько эффективен индукционный нагрев? Какие частоты наиболее оптимальны для решения ваших задач? Приведенные ниже указания дают некоторые представления о возможностях индукционного нагрева.

Какое количество энергии вам необходимо?

Для расчета необходимого количество энергии требуются следующие данные:

· Тип материала ( сталь, медь, латунь и т.д.)

· Размеры заготовки

· Необходимая производительность в час

· Необходимая конечная температура

Выполните расчет требуемого количества энергии:

Шаг 1. Сначала определите скорость поглощения энергии материалом. На рис.1 приведены скорости для некоторых распространенных материалов.

Шаг 2. Умножьте скорость поглощения энергии на требуемую почасовую работу (кг/час). Полученное значение является требуемым значением удельной энергии.

Шаг 3. Теперь можно выяснить общий уровень эффективности оборудования для индукционного нагрева. Некоторые типичные значения уровня эффективности оборудования для индукционного нагрева для распространенных материалов указаны на рис. 2. Разделите полученное значение требуемой удельной энергии на производительность оборудования. Полученное значение является общим количеством требуемой энергии.

2.10 Специальные области применения индукционных нагревателей

Настоящий документ содержит описание основных областей применения систем и технологий компании EFD Induction. Однако наше оборудование может быть использовано и в иных целях в различных отраслях промышленности, как выработка электроэнергии, упаковка для пищевых продуктов и производство одежды. Ниже приводится неполный перечень этих применений.

Горячая посадка

Наши системы используются в автомобильной промышленности для горячей посадки шестерен и колец. Они также применяются для ремонта самолетов, поездов и грузовых автомобилей. Наши мобильные системы выполняют горячую посадку на морских платформах. А также находят все более широкое применение при растяжении болтов при ремонте больших турбин электростанций. Волокнообразование при производстве стекловаты Индукционный нагрев используется для выработки тепла, необходимого на этапе волокнообразования при производстве стекловаты. При этом тепло используется для расплавления стекла в процессе выдавливания его через отверстия прядильного механизма для придания ему формы волокон.

Установки для термообработки цепей:

Компания EFD Induction создает системы для закалки и отпуска цепей, спроектированные по требованиям заказчика. Данные системы требуют минимальных манипуляций, обеспечивая при этом обработку цепи в соответствии с ее особыми параметрами. Индукционный нагрев идеально подходит для создания высококачественных цепей с мелкими звеньями.

Закалка сверхкрупных опорно-поворотных колец

Запатентованная технология EFD Induction используется для закалки сверхкрупных опорно-поворотных колец ветряных турбин. В прошлом при индукционной закалке таких кругов оставались “мягкие зоны”, из-за чего опорно-поворотные кольца были непригодны для решения многих задач по производству ветровой энергии. Компании EFD Induction удалось решить эту проблему благодаря использованию системы с несколькими индукторами, которая осуществляет закалку подобных колец, не оставляя при этом никаких нежелательных не закаленных зон.

Размещено на Allbest.ru

...