Выбор частоты тока для сквозного индукционного нагрева

Эффективность использования сквозного индукцион­ного нагрева в большинстве случаев определяется глав­ным образом его технологическими преимуществами Стоимость индукционного нагрева пока еще выше стой мости нагрева в электрических печах сопротивления пламенных. Однако все же во всех случаях практик где необходим нагрев металла, следует осуществлять индукционный нагрев с минимальным расходом электроэнергии. Для этого все непроизводительные потери электроэнергии необходимо свести к минимуму.

К не производительным потерям можно отнести:

1. потери при преобразовании посредством индуктора электрической энергии в тепловую;
2. потери на нагрев токоведущих элементов, пере­дающих энергию от источника тока высокой частоты к индуктору;
3. потери, вызванные холостыми пробегами высоко­частотных машинных генераторов. Эти потери могут иметь место в том случае, когда машинные генераторы используются в качестве источника ТВЧ.

Вопросы правильного использования высокочастот­ных генераторов и рационального конструирования токопроводов рассматриваются в выпуске № 10 настоя­щей серии. Поэтому здесь анализируются только источ­ники потерь, связанные с энергетическими процессами, проходящими в индукторе. Как показано ниже, эффек­тивность этих процессов определяется главным образом правильным выбором частоты тока и режима нагрева.

В настоящее время индукционным способом нагре­ваются тела различной формы: призматические, с круг­лым, прямоугольным и квадратным поперечным сечением (трубы, ленты, листы, кольца). Для тел каждой формы разработана специальная методика выбора ча­стоты тока и режима нагрева.

Круглые цилиндрические заготовки. Индуктированный ток протекает в поверхностных слоях заготовки, повышение температуры сердцевины происходит за счет теплопроводности. Если к заготовке подведена достаточно большая мощность, температура на поверхности пределах горячей глубины проникновения тока очень быстро может быть доведена до заданной. Обычно стальные заготовки перед ковкой и прокаткой необходимо нагревать до 1200° С.

Во избежание окисления поверхности и ухудшения структуры металла в процессе нагрева не допускается значительного превышения заданной температуры. По­этому после достижения поверхностным слоем заданной температуры, мощность, подводимая к заготовке, должна постепенно уменьшаться. Она определяется теперь только скоростью передачи тепла от поверхности к сердцевине и интенсивностью излучения с поверхности заготовки в окружающее пространство. При постоянстве температуры мощность излучения остается постоянной. По мере роста температуры сердцевины скорость передачи тепла от поверхности к сердцевине уменьшается.

В связи с последним явлением для полного вырав­нивания температуры сердцевины и поверхности тре­буется длительное время. Практически нагрев прекра­щают, когда перепад температуры между поверхностью и сердцевиной составляет 100-150° С. Время, необходи­мое для нагрева заготовки с заданным перепадом тем­пературы, называется временем нагрева.                                                                 

В процессе передачи заготовки для последующей обработки температура поверхности вследствие отдачи тепла в окружающую среду и сердцевину падает, а температура сердцевины растет. Таким образом происходит окончательное выравнивание температуры. Электрическая энергия, подводимая к индуктору, частично передается в нагреваемую заготовку, частично pacxoдуется на нагревание индуктирующего провода. Отношение энергии, передаваемой в заготовку, ко всей энергии, подводимой к индуктору, называется электрическим к. п. д. индуктора. Энергия, переданная в заготовку, частично расходуется на повышение ее температуры, частично излучением и конвекцией рассеивается в окружающем пространстве. Отношение энергии, израсходованной на повышение температуры заготовки, ко всей энергии, пepeданной в нее из индуктора, называется термическим к. п. д. индуктора. Отношение энергии, затраченной на повышение температуры заготовки, ко всей энергии, подведенной к индуктору, называется полным к. п. д. индуктора. Полный к. п. д. индуктора равен произведению электрического и термического к. п. д.

Электрический к. п. д. растет с увеличением частоты и достигает предельного значения, когда отношение диаметра нагреваемой заготовки к горячей глубине проникновения тока равно десяти.

Термический к. п. д. тем выше, чем меньше потери тепла вследствие рассеивания энергии с поверхности заготовки. Эти потери пропорциональны средней во времени температуре на поверхности, ее площади, а также времени нагрева.                         

Режим нагрева, при котором температура на поверхности в пределах горячей глубины проникновения тока быстро поднимается до заданной, а затем coxpaняется постоянной, называется нагревом при постоянной температуре.

При той же частоте тока можно мощность подобрать таким образом, чтобы температура поверхности и серд­цевины, постепенно поднимаясь, одновременно дости­гала заданных значений. Ввиду того, что такой режим нагрева используется чаще, чем нагрев при постоян­ной температуре, его принято называть обычным на­гревом.

Нагрев при постоянной температуре позволяет на­гревать заготовку за минимальное время. Большой гра­диент температуры обеспечивает быструю передачу тепла от поверхности к сердцевине. Поэтому среди всех возможных режимов нагрева током данной частоты ре­жим при постоянной температуре будет иметь самый высокий термический к. п. д. Однако уменьшая частоту, можно увеличить горячую глубину проникновения тока. При этом меньший объем металла будет нагреваться за счет теплопроводности. Время нагрева уменьшится, а следовательно, термический к. п. д. возрастет. Это по­казывает, что величина термического к. п. д. также за­висит от отношения диаметра нагреваемой заготовки горячей глубине проникновения тока. Чем больше это отношение, тем термический к. п. д. меньше.

Таким образом, при увеличении отношения диаметра нагреваемой заготовки к «горячей» глубине проникно­вения электрический к. п. д. возрастает, а термический к. п. д. падает. Это обстоятельство позволяет для каж­дого диаметра заготовки установить полосу частот тока, в пределах которой полный к. п. д., равный произведе­нию электрического и термического коэффициентов полезного действия, имеет достаточно высокое зна­чение.

Нагрев заготовок в этом случае будет осуще­ствляться с потерями в, допустимых пределах.

При обычном индукционном нагреве к. п. д. будет достаточно высоким, если отношение диаметра нагре­ваемой заготовки к «горячей» глубине проникновения тока лежит в пределах от 3,5 до 5,0. В отдельных слу­чаях, когда нежелательно вводить дополнительную частоту тока, диапазон нагреваемых диаметров может быть расширен.

Диаметры заготовок, для индукционного нагрева которых могут быть использованы стандартные частоты тока, указаны в табл. 1.

При индукционном нагреве с постоянной темпера­турой на поверхности, вследствие наличия большего градиента температуры и меньшего времени нагрева можно допустить использование каждой из частот тока для нагрева заготовок большего диаметра.

Таблица 1.
Диаметры заготовок, для индукционного нагрева которых могут быть использованы стандартные частоты тока, при „обычном" нагреве

Пределы целесообразного использования каждой и стандартных частот тока при нагреве с постоянной температурой на поверхности указаны в табл. 2.

Таблица 2.
Диаметры заготовок, для индукционного нагрева которых с постоянной температурой на поверхности могут быть использованы стандартные частоты тока

Как видно из таблиц, каждую заготовку можно нагревать током двух и даже трех смежных частот. Это обстоятельство позволяет сводить к минимуму число различных частот в цеху. Необходимо отметить, что с понижением частоты упрощается передача тока на большие расстояния.

Стоимость высокочастотных генераторов уменьшается, а к. п. д. их растет. Уменьшаются потери в токопроводах. Поэтому всегда следует стремиться исполь­зовать самую низкую из частот, которая рекомендуется табл. 1 и 2.

Энергетическую эффективность индукционного на­грева можно повысить также -применением тока двух частот. Так как глубина проникновения тока 50 гц до температуры магнитных превращений (768°С) не пре­вышает 10 мм, электрический к. п. д. нагрева заготовок диаметром более 50 мм протекает на частоте 50 гц до температуры 768° С при достаточно высоком электриче­ском, а следовательно, и полном к. п. д. Так как при преобразовании частоты 50 гц в более высокие частоты расходуется до 15% дополнительной энергии, нагрев заготовок в рассматриваемом диапазоне температур на частоте 50 гц более выгоден, чем на высоких частотах. Дальнейший нагрев до температуры 1100-1200° С, как это требуется для последующих пластических деформа­ций, может осуществляться током частотой, выбираемой в соответствии с табл. 1 и 2.

При использовании токов двух частот сокращаются 'капитальные затраты, что особенно важно при созда­нии нагревательных устройств большой мощности. Однако по поводу вышеизложенных соображений не­обходимо сделать несколько замечаний.

При выборе частоты кроме энергетических (экономи­ческих) необходимо учитывать также и другие технико­экономические соображения. Для удобства эксплуата­ции нежелательно в цехе иметь более двух различных частот, так как при этом потребуется большое разно­образие запасной аппаратуры и оборудования, услож­нится обслуживание и наладка нагревателей. Поэтому частоту выбирают обычно по заготовкам, которые яв­ляются преобладающими по тоннажу. Для остальных заготовок приходится мириться с нагревом при мень­ших к. п. д.

При выборе частоты следует также учитывать, что в настоящее время машинные генераторы гораздо на­дежнее в эксплуатации, чем ламповые. Они проще в наладке и обслуживании. Передача токов звуковой частоты может легко осуществляться на расстоянии до 500 м.

Ламповые же генераторы должны устанавливаться в непосредственной близости от нагревательного устройства. Их не рекомендуется устанавливать в та­ких цехах, как кузнечные, где возможны сильные сотря­сения почвы и повышенная запыленность воздуха.

Усложнение устройства, связанное с нагревом на двух частотах - 50 гц и повышенной, оправдывается при небольшой номенклатуре заготовок, проходящих сквозь нагреватель, так как цель будет достигнута только в том случае, если при переналадке нагрев на обеих частотах будет осуществляться в оптимальных режимах. Осуществление же оптимальных режимов для обеих частот при частых переналадках весьма затруд­нено.

Применение двух частот может оказаться рацио­нальным иногда в связи с технологическими особенно­стями процесса.

Так, эксперименты, проведенные во ВНИИ ТВЧ, по­казывают, что двухчастотный нагрев целесообразно при­менять при нагреве концов штанг для ковки на горизон­тальноковочных машинах в том случае, если у нагре­того конца отковывается несколько заготовок, а затем оставшийся пруток подвергается новому нагреву и т. д., пока вся штанга не будет откована. Подробнее об этом сказано в п. II.

Квадратные и прямоугольные заготовки. При вы­боре частоты тока для нагрева квадратных и прямо­угольных заготовок также можно пользоваться табл. 1 и 2. При нагреве заготовок прямоугольного сечения можно располагать их в индукторе двумя способами. Так, как показано на рис. 2, а, когда магнитный поток проходит вдоль заготовки и как на рис. 2,6, при рас­положении ширины заготовки перпендикулярно на­правлению магнитного потока индуктора. В первом случае расчетным размером, определяющим выбор ча­стоты (в табл. 1 и 2 «диаметр заготовок»), является толщина полосы, а во втором ее ширина.

Рис. 2. Схемы нагрева прямоугольных, круглых и квадратных заготовок: а - в продольном, б - в поперечном магнитном поле.
Стрелками показано мгновенное направление тока в ин­дуктирующем проводе и нагреваемых заготовках.

Как видно из таблиц, во втором случае возможно применение более низких частот. Квадратные и круг­лые заготовки также можно нагревать в поперечном магнитном поле, как это показано на рис. 2, а и б. Однако в этом случае частота тока остается неизменной.

Время нагрева круглых и квадратных заготовок пр одинаковой плотности тока и при нагреве в поперечном поле получается в 1,5-2,0 раза больше, чем при нагреве в продольном поле. В этом случае значительная часть поверхности заготовок не обтекается током. Еще больше растет время нагрева три нагреве прямоуголь­ных заготовок в поперечном магнитном поле, так как в этом случае индуктированный ток протекает только по узкой боковой поверхности заготовки.

Металлическая лента и листы. Индукционный нагрев металлической ленты может быть успешно использован при проведении ряда важных технологических процес­сов. С помощью индукционного нагрева производится сушка защитного покрытия, исключающего сваривание и окисление при термической обработке рулонов трансформаторной стали в колпаковых печах. Проекти­руются установки для сушки лаковых покрытий при из­готовлении жести, для нанесения пластмассовых покрытий на металлическую ленту и ряд других.

Во всех случаях вместо пламенных печей и печей сопротивления длиной в несколько десятков метров представляется возможным использовать индукционные нагревательные устройства длиной в несколько метров. Толщина ленты и листов, подвергающихся индукционному нагреву, лежит в большинстве случаев в пределах от 0,15 до 3,0 мм.

По специфике использования индукционного нагрева ленты и листы могут быть разбиты на три характерных группы:

1) ленты и листы из ферромагнитных материалов, подвергающихся нагреву до температуры ниже точки магнитных превращений;

2) ленты и листы из парамагнитных материалов;

3) ленты и листы из ферромагнитных материалов, подвергающихся нагреву до температуры выше точки магнитных превращений.

Рис. 3. Схемы нагрева ленты: а - в продольном; б - в поперечном магнитном поле.
Стрелками показано мгновенное направление тока в индукти­рующем приводе и нагреваемых заготовках.

Нагрев лент первой группы нужно производить с помощью индукторов с продольным магнитным полем (рис. 3,а). В этом случае лента проходит через оваль­ную многовитковую катушку определенной длины. Ин­дуктируемый в ленте ток замыкается в плоскости ее поперечного сечения. Коэффициент полезного действия такого индуктора будет достаточно высок, если толщина ленты будет в несколько раз больше глубины проник­новения тока.

               (4)

где ρ - удельное электрическое сопротивление метал­ла, ом;

μ_е - магнитная проницаемость материала ленты на ее поверхности;

Магнитная проницаемость ферромагнитного мате­риала зависит от напряженности магнитного поля, в ко­тором он находится. При индукционном нагреве ленты в продольном поле напряженность поля обычно много выше, чем 100 а/м. В таких полях магнитная прони­цаемость уменьшается с ростом их напряженности. Поэтому оптимальная частота увеличивается с ростом напряженности поля.

Это обстоятельство позволяет ;в извест­ных пределах произ­вольно изменять ча­стоту тока при на­греве ленты.

Желая понизить частоту тока, необходимо уменьшить напряженность магнитного поля. Однако при этом бу­дет также уменьшаться удельная мощность, передавае­мая в ленту. Для передачи ленте той же энергии, при данной скорости ленты, необходимо соответственно уве­личить длину индукторов.

Рис. 4. Графики зависимости скорости нагрева ленты от частоты тока: а - лента толщиной 0,15 мм; б - лента толщиной 0,25 мм.

На рис. 4 представлены графики зависимости скорости нагрева ленты из ферромагнитных материалов толщиной 0,15 мм и 0,25 мм от частоты тока. Из графи­ков видно, что при использовании тока частотой 8000 гц для нагрева ленты толщиной 0,25 мм может быть достигнута скорость нагрева 100° С/сек. Если, на­пример, в технологическом процессе обработки ленты требуется нагрев до 200° С, а скорость ее движения 120 м/мин, суммарная длина индукторов должна быть равна 4 м.

При использовании тока частотой 70 кгц нагрев этой же ленты может быть осуществлен со скоростью 1250° С/ceк. В этом случае длина индуктора может быть сокращена до 170 мм.

При выборе частоты тока нужно учитывать также и удобства создания высокочастотных индукционных устройств и условия эксплуатации высокочастотных ге­нераторов. С этой точки зрения нужно отдавать пред­почтение высокочастотным машинным преобразова­телям. Производить нагрев лент из неферромагнитных материалов с помощью индукторов с продольным магнитным полем нецелесообразно, ввиду невозможности достичь высокого значения коэффициента мощности (cos φ).

Для нагрева таких лент нужно использовать индук­торы с поперечным магнитным полем (рис. 3, б). Ин­дуктирующий провод такого индуктора образован двумя плоскими прямоугольными рамками из медной трубки, установленными на небольшом расстоянии друг от друга. Рамки расположены так, что магнитные по­токи их складываются. Лента пропускается между рам­ками. Поэтому магнитный поток, проходящий последо­вательно через одну и вторую рамки, пронизывает ленту перпендикулярно ее плоскости. Индуктируемый ток замыкается в плоскости ленты. Последнее обстоя­тельство позволяет применять для нагрева ленты в ин­дукторах с поперечным магнитным полем ток значи­тельно более низкой частоты, чем при нагреве ее в про­дольном поле.

               (5)

где ρ - удельное электрическое сопротивление мате­риала ленты, ом∙м;

t - толщина ленты, м;

h - воздушный зазор индуктора, мм;

τ - шаг индуктора, м.

Формула справедлива при отношении воздушного зазора к шагу индуктора, равном 0,25-0,5, что чаще всего имеет место в практике.

При использовании индукторов с поперечным полем может быть достигнута скорость нагрева 5000° С/сек и более. Длина индукторов при осуществлении любого технологического процесса будет незначительной. Ос­новной трудностью осуществления нагрева ленты в по­перечном магнитном поле является достижение равно­мерного распределения температуры по ее ширине. Форму индуктора приходится подбирать опытным пу­тем таким образом, чтобы в каждой точке поверхности ленты при движении сквозь индуктор выделялось оди­наковое количество тепла.

Практически при нагреве непрерывной ленты удается осуществить нагрев таким образом, чтобы тем­пература в различных точках ее отклонялась не более чем на ±5% от заданной величины. При нагреве от­дельных кусков ленты и листов необходимую для рав­номерного нагрева форму индуктора подобрать не удается. Поэтому нагрев листов можно осуществлять только в продольном магнитном поле.

Нагрев ленты из ферромагнитных материалов до температуры выше точки магнитных превращений наиболее целесообразно осуще­ствлять в комбинированном нагревательном устройстве до температуры магнитных превращений с помощью ин­дукторов с продольным полем, а далее с помощью ин­дукторов с поперечным магнитным полем. При создании каждого из элементов такого устройства нужно поль­зоваться вышеизложенными рекомендациями.

Трубные заготовки. Нагрев трубных заготовок и ко­лец осуществляется обычно в цилиндрических индукто­рах током высокой частоты. При выборе частоты тока для нагрева труб и колец необходимо соблюдать сле­дующие два условия:

               (6)

              (7)

где d -внешний диаметр трубы, см;

а - толщина его стенки, см;

Δ_гор - глубина проникновения тока в горячий металл.

Если глубина проникновения Δ_гор значительно больше толщины стенки, для нагрева коротких труб и колец используются также индукторы с замкнутыми магнитопроводами (см. рис. 35). Индуктирующий провод нама­тывается на сердечник магнитопровода. Нагреваемая деталь одевается на тот же сердечник и в зависимости от ее размеров помещается или внутрь или поверх ин­дуктирующего провода. При таком способе нагрева используются частоты более низкие, чем обусловленные уравнениями (6) и (7).

Э. д. с., индуктируемая в кольце, может быть определена по формуле

               (8)

где В- индукция, в/м²;

f - частота, гц;

S - площадь сердечника магнитопровода, м²;

k - коэффициент пропорциональности.

Из приведенной формулы видно, что для получения достаточно большой э. д. с. в случае низкой частоты необходимо увеличивать индукцию в сердечнике и пло­щадь его сечения.

При нагреве током промышленной частоты, индук­ция не должна превышать 10 000 гс. Иначе в случае не­прерывной работы устройства сердечник будет сильно нагреваться. Площадь сердечника ограничена разме­рами отверстия в нагреваемом кольце.

Обычно установки с замкнутыми магнитопроводами используются при нагреве на промышленной частоте колец и гильз диаметром более 100 мм.

Источник: "Применение сквозного индукционного нагрева в промышленности" Богданов В.Н., Рыскин С.Е.

Назад