Индукционный нагрев — это процесс, который используется для нагрева металлов или иных проводящих материалов. Для многих современных производственных процессов индукционный нагрев предлагает достаточное сочетание скорости, последовательности и контроля процесса.
Основные принципы индукционного нагрева применяются с 1920 года. Во время второй мировой войны технология быстро развивается в связи с военными потребностями для быстрого и надежного процесса упрочнения металлических частей двигателей.
В наиболее распространенных методах используется факел или открытое пламя непосредственно применяемое к металлической части. Но при индукционном нагреве тепло фактически «индуцируется» в пределах циркулирующего электрического тока.
Индукционный нагрев происходит за счёт уникальных характеристик радиочастотной энергии — это часть электромагнитного спектра ниже инфракрасной и микроволновой энергии. Так как тепло передается в продукт через электромагнитные волны, оно никогда не вступает в непосредственный контакт с пламенем. При этом нет никакого загрязнения продукта, а этот процесс становится очень повторяемым и контролируемым.
Как работает индукционный нагрев
Как происходит индукционный нагрев?
Когда к трансформатору прикладывается переменный электрический ток, создается переменное магнитное поле. Согласно закону Фарадея, если вторичная обмотка трансформатора находится в магнитном поле, будет индуцирован электрический ток.
Индуктор представляет из себя трансформатор. Когда металлическая часть помещается в индуктор циркулирующие вихревые токи индуцируются в пределах детали.
Дополнительное тепло производится в магнитных частях через гистерезис – внутренние трения, которые создаются, когда магнитный материал проходит через индуктор. Материал для разогревания может быть расположен в условиях изоляции от источника питания, погружен в жидкости, охватываемые изолированные вещества в газообразных средах или даже в вакууме.
Эффективность индукционной системы нагрева зависит от нескольких факторов: конструкции индуктора, емкости блока питания, количества необходимого изменения температуры.
В этом процессе нагрева используются токи, индуцируемые электромагнитным воздействием на нагреваемую шихту. По сути, индукционный нагрев основан на принципе работы трансформатора. Первичная обмотка, питаемая от источника переменного тока, магнитно соединена с зарядом, который действует как короткозамкнутая вторичная обмотка с одним витком. Когда переменное напряжение подается на первичную обмотку, оно индуцирует напряжение во вторичной обмотке, т.е. заряд.
Вторичный ток нагревает заряд таким же образом, как и любой электрический ток, проходящий через сопротивление. Если V — это напряжение, индуцируемое в заряде, а R — сопротивление заряда, то выделяемое тепло = V2/R.
Величина тока зависит от величины первичного тока, коэффициента поворота трансформатора, коэффициента магнитной связи.
Характеристики нагреваемого материала
МЕТАЛЛ ИЛИ ПЛАСТИК
Во-первых, индукционным нагревом подлежат только проводящие материалы, обычно металлы. Пластмассы и других непроводящие материалы могут быть нагреты только косвенно через токопроводящие металлы находящиеся вместе с пластиком.
МАГНИТНЫЕ И НЕМАГНИТНЫЕ
Нагрев лучше у магнитных материалов. Для тепла, вызванного вихревыми токами магнитные материалы производят тепло через эффект гистерезиса. Этот эффект прекращается при температурах выше точки «Кюри» — температура, при которой магнитный материал теряет свои магнитные свойства. Относительная устойчивость магнитных материалов оценивается по шкале «проницаемостью» от 100 до 500. Хотя не магнетные материалы имеют проницаемость 1, магнитные материалы могут иметь проницаемость до 500.
ТОЛСТЫЕ ИЛИ ТОНКИЕ
На проводящих материалах около 85% эффекта нагрева происходит на поверхности материала. Интенсивность нагрева уменьшается, как расстояние от поверхности увеличивается. Так малые или тонкие части обычно греются быстрее, чем большие и толстые части, особенно если большие части необходимо нагреть полностью.
Исследования показали связь между частотой и глубиной проникновения: чем выше частота, тем меньшая глубина. Частота от 100 до 400 кГц сравнительно высоких энергий идеально подходит для быстрого разогрева мелких деталей или поверхности больших частей. Для глубокого проникновения тепла необходимы более низкие частоты от 5 до 30 кГц.
УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
Если использовать точно такой же процесс индукции и того же размера деталь из стали и меди, результаты будут совершенно разные. Почему? Сталь – наряду с углеродом, оловом и вольфрамом – имеет высокое удельное сопротивление. Потому что металлы противостоят текущему потоку. Металлы с низким удельным сопротивлением: медь, латунь и алюминий нагреются лучше. Удельное сопротивление увеличивается с температурой, поэтому очень горячий кусок стали будет более восприимчив к индукционному нагреву чем холодной кусок.
Дизайн индуктора
Дизайн и конструкция индуктора является одним из наиболее важных аспектов системы в целом. Хорошо продуманная конструкция обеспечивает надлежащее нагревание и максимизирует эффективность индукционного нагрева.
Степень изменения температуры
Наконец эффективность индукционного нагрева для конкретной детали зависит от количества необходимых изменений температуры. Для широкого спектра изменений температуры требуется больше индукционного нагрева питания.
Нагрев с помощью электромагнитных волн широко применяется в промышленности, например, в индукционных печах для плавки и модификации поверхности. Системы индукционного нагрева обладают рядом преимуществ перед обычными печами. Экономия энергии обеспечивается за счет быстрого нагрева и высокой производительности. Другие преимущества включают простоту автоматизации и управления, низкие требования к техническому обслуживанию, а также тихие, безопасные и чистые условия работы.
Когда индукционный нагрев используется для упрочнения деталей, технологический процесс должен быть очень коротким и сопровождаться быстрым охлаждением. Если индукционный нагрев используется для разогрева деталей или плавки металла, то технологический процесс занимает больше времени и состоит из нескольких этапов.
