Indukční ohřev v průmyslu – Průmysl

PRINCIP FUNKCE INDUKČNÍ TROUBY. PRINCIP INDUKČNÍHO OHŘEVU

Principem indukčního ohřevu je přeměna energie elektromagnetického pole absorbovaného elektricky vodivým ohřívaným předmětem na tepelnou energii.

V instalacích indukčního ohřevu je elektromagnetické pole vytvářeno induktorem, což je víceotáčková válcová cívka (solenoid). Induktorem prochází střídavý elektrický proud, jehož výsledkem je časově proměnlivé střídavé magnetické pole kolem induktoru. Toto je první transformace energie elektromagnetického pole, popsaná první Maxwellovou rovnicí.

Ohřívaný předmět je umístěn uvnitř nebo vedle induktoru. Měnící se (v čase) tok vektoru magnetické indukce vytvářený induktorem proniká ohřívaným předmětem a indukuje elektrické pole. Elektrické čáry tohoto pole jsou umístěny v rovině kolmé ke směru magnetického toku a jsou uzavřené, to znamená, že elektrické pole v ohřívaném předmětu je vírového charakteru. Vlivem elektrického pole podle Ohmova zákona vznikají vodivé proudy (vířivé proudy). Jedná se o druhou transformaci energie elektromagnetického pole, popsanou Maxwellovou druhou rovnicí.

Ve vytápěném objektu se energie indukovaného střídavého elektrického pole nevratně přeměňuje na tepelnou energii. Takový tepelný rozptyl energie, který má za následek zahřívání předmětu, je dán existencí vodivých proudů (vířivých proudů). Jde o třetí přeměnu energie elektromagnetického pole a energetický vztah této přeměny popisuje Lenz-Jouleův zákon.

Popsané transformace energie elektromagnetického pole umožňují:
1) přenést elektrickou energii induktoru na vyhřívaný předmět bez použití kontaktů (na rozdíl od odporových pecí)
2) uvolňovat teplo přímo ve vytápěném objektu (tzv. „pec s vnitřním zdrojem vytápění“ dle terminologie prof. N. V. Okorokova), v důsledku čehož je využití tepelné energie nejdokonalejší a vytápění se výrazně zvyšuje rychlost (ve srovnání s tzv. „pecemi s externím zdrojem vytápění“).

Velikost intenzity elektrického pole ve vyhřívaném předmětu je ovlivněna dvěma faktory: velikostí magnetického toku, tj. počtem magnetických siločar, které pronikají předmětem (nebo spojených s vyhřívaným předmětem), a frekvencí napájecí proud, tj. frekvence změn (v čase) magnetického toku vázaného na vyhřívaný předmět.

To umožňuje vytvořit dva typy instalací indukčního ohřevu, které se liší jak designem, tak provozními vlastnostmi: indukční instalace s jádrem a bez jádra.

Indukční ohřívací zařízení se podle technologického určení dělí na tavicí pece pro tavení kovů a ohřívací zařízení pro tepelné zpracování (kalení, temperování), pro průběžný ohřev obrobků před plastickou deformací (kování, lisování), pro svařování, pájení a navařování. pro produkty chemicko-tepelné úpravy atd.

Podle četnosti změn proudu dodávajícího instalaci indukčního ohřevu se rozlišují:
1) průmyslové frekvenční instalace (50 Hz), napájené ze sítě přímo nebo přes transformátory snižující výkon;
2) vysokofrekvenční instalace (500-10000 Hz), napájené elektrickými stroji nebo polovodičovými frekvenčními měniči;
3) vysokofrekvenční instalace (66 000-440 000 Hz a více), napájené elektronkovými elektronickými generátory.

Jádro indukční topné jednotky

V tavicí peci (obr. 1) je na uzavřeném jádru z elektrooceli (tloušťka plechu 0,5 mm) namontován válcový víceotáčkový induktor z profilované měděné trubky. Kolem induktoru je umístěna žáruvzdorná keramická vyzdívka s úzkým prstencovým kanálem (horizontálním nebo vertikálním), kde se nachází tekutý kov. Nezbytnou podmínkou provozu je uzavřený elektricky vodivý kroužek. Proto je nemožné v takové peci roztavit jednotlivé kusy pevného kovu. Pro spuštění pece musíte do kanálu nalít část tekutého kovu z jiné pece nebo ponechat část tekutého kovu z předchozí taveniny (zbytková kapacita pece).

Obr. 1. Schéma indukční kanálové pece: 1 – indikátor; 2 – kov; 3 – kanál; 4 – magnetický obvod; F je hlavní magnetický tok; F_1r a F_2r — magnetické svodové toky; U₁ a já₁ — napětí a proud v obvodu induktoru; já₂ – vodivost proudu v kovu

V ocelovém magnetickém jádru indukční kanálové pece je uzavřen velký pracovní magnetický tok a pouze malá část celkového magnetického toku vytvořeného induktorem je uzavřena vzduchem ve formě únikového toku. Proto takové pece úspěšně pracují při průmyslové frekvenci (50 Hz).

V současné době je ve VNIIETO vyvinuto velké množství typů a provedení takových pecí (jednofázové a vícefázové s jedním a několika kanály, s vertikálním a horizontálním uzavřeným kanálem různých tvarů). Tyto pece se používají k tavení neželezných kovů a slitin s relativně nízkým bodem tavení a také k výrobě vysoce kvalitní litiny. Při tavení litiny se pec používá buď jako kotel (směšovač) nebo jako tavicí agregát. Konstrukce a technické charakteristiky moderních kanálových indukčních pecí jsou uvedeny v odborné literatuře.

Indukční topné jednotky bez jádra

V tavicí peci (obr. 2) je roztavený kov v keramickém kelímku umístěném uvnitř válcového víceotáčkového induktoru. Induktor je vyroben z profilované měděné trubky, kterou prochází chladicí voda. Více o konstrukci induktoru se můžete dozvědět zde.

Absence ocelového jádra vede k prudkému zvýšení magnetického svodového toku; počet magnetických siločar propojených s kovem v kelímku bude extrémně malý. Tato okolnost vyžaduje odpovídající zvýšení frekvence změny (v čase) elektromagnetického pole. Pro efektivní provoz indukčních kelímkových pecí je proto nutné dodávat do nich proudy zvýšené a v některých případech i vysoké frekvence z vhodných proudových měničů. Takové pece mají velmi nízký přirozený účiník (cos φ=0,03-0,10). Proto je nutné použít kondenzátory pro kompenzaci jalového (indukčního) výkonu.

V současné době je ve VNIIETO vyvinuto několik typů indukčních kelímkových pecí ve formě odpovídajících velikostních rozsahů (podle kapacity) vysoké, vysoké a průmyslové frekvence pro tavení oceli (typ IST).

Rýže. 2. Schéma konstrukce indukční kelímkové pece: 1 – induktor; 2 – kov; 3 – kelímek (šipky ukazují trajektorii oběhu tekutého kovu v důsledku elektrodynamických jevů)

Výhody kelímkových pecí jsou následující: teplo generované přímo v kovu, vysoká stejnoměrnost kovu v chemickém složení a teplotě, absence zdrojů kontaminace kovu (jiných než vyzdívka kelímku), snadné ovládání a regulace tavícího procesu , hygienické pracovní podmínky. Kromě toho se indukční kelímkové pece vyznačují: vyšší produktivitou díky vysokým specifickým (na jednotku kapacity) topným výkonům; schopnost roztavit pevnou vsázku bez ponechání kovu z předchozího tavení (na rozdíl od kanálových pecí); nízká hmotnost vyzdívky ve srovnání s hmotností kovu, která snižuje akumulaci tepelné energie ve vyzdívky kelímku, snižuje tepelnou setrvačnost pece a činí tavicí pece tohoto typu mimořádně vhodné pro periodickou práci s přestávkami mezi tavbami, např. zejména pro tvarové slévárny strojírenských závodů; kompaktnost pece, která umožňuje jednoduše izolovat pracovní prostor od okolí a provádět tavení ve vakuu nebo v plynném prostředí daného složení. Proto jsou vakuové indukční kelímkové pece (typ ISV) široce používány v metalurgii.

Spolu s výhodami mají indukční kelímkové pece následující nevýhody: přítomnost relativně studených strusek (teplota strusky je nižší než teplota kovu), což ztěžuje provádění rafinačních procesů při tavení vysoce kvalitních ocelí ; složité a drahé elektrické zařízení; nízký odpor vyzdívky při náhlých teplotních výkyvech v důsledku malé tepelné setrvačnosti vyzdívky kelímku a erozivního účinku tekutého kovu při elektrodynamických jevech. Proto se takové pece používají pro přetavování legovaného odpadu, aby se snížilo plýtvání prvky.

Reference:
1. Egorov A.V., Morzhin A.F. Elektrické pece (pro výrobu oceli). M.: „Hutnictví“, 1975, 352 s.

Elektrotermická zařízení, která ohřívají elektricky vodivé materiály indukováním proudu v nich, se nazývají indukční ohřívače. Protože k indukci dochází změnou elektromagnetického pole, které indukuje proudy, mohou tato zařízení pracovat pouze se střídavým proudem.
Hlavním prvkem indukčních ohřívačů je induktor, což je cívka s několika vinutími, která vytváří střídavé magnetické pole, když jí prochází střídavý proud. Zde dochází k (první) přeměně elektrické energie na energii magnetického pole.
Když je elektricky vodivé těleso zavedeno do střídavého magnetického pole, EMF v něm indukované vytváří „sekundární“ proud. Energie magnetického pole se přeměňuje (sekundárně) na elektrickou energii. Více o indukčním ohřevu si můžete přečíst zde: http://www.allabc.ru/press-relizy-promyshlennost/12768-vnimanie-na-rynke-sistemam-induktsionnogo-nagreva.html .

Nakonec sekundární proud indukovaný v zahřátém těle produkuje teplo v souladu se zákonem Joule-Lenz: elektrická energie se přeměňuje na tepelnou energii. Třetí přeměnou energie vzniká teplo, které zajišťuje ohřev nebo tavení materiálů v indukčních ohřívačích.

Aplikace indukčního ohřevu

Inženýři a energetici obvykle spojují indukční ohřev s širokým uplatněním indukčních ohřívačů a pecí používaných ve strojírenství a metalurgii. Široká škála spotřebitelů zná indukční sporáky, které ohřívají kovové nádobí, aniž by ohřívaly samotné nádobí. Indukční vařiče i indukční ohřívače vody využívají stejný princip – princip nepřímého ohřevu kovového vodiče ve střídavém magnetickém poli: systém indukčního ohřevu se skládá z induktoru, což je měděný drát navinutý na feromagnetickém jádru, a z vodiče – kovového tělesa umístěného v určité vzdálenosti od induktoru. Podstata tohoto procesu je následující: když se na primární vinutí přivede elektrický proud, vytvoří se kolem něj střídavé magnetické pole, které je zase schopné generovat elektrický proud. Kovový vodič v tomto poli je soběstačný, takže proudy nejsou zdrojem elektřiny, ale tepla, které způsobuje zahřívání kovu.
Indukční ohřívací zařízení, přestože používají stejný princip fungování, se liší ve svých aplikacích.

V závislosti na aktuální frekvenci se indukční cívky dělí na:
střední frekvence (1000-20000 Hz)
Vysoká frekvence (20000-100000 Hz)
Ultra vysoká frekvence (UHF) (100000 1200000–XNUMX XNUMX XNUMX Hz)
nízká frekvence (50 Hz)
Pro podobné úkoly – tavení železných a neželezných kovů, kování za tepla a kalení kovů se používají středofrekvenční i vysokofrekvenční a ultravysokofrekvenční stroje. Čím vyšší je frekvence použitého proudu, tím jemnější, ale intenzivnější ohřev kovu.
Nízkofrekvenční ohřívače ohřívají také kov, ale k tomuto ohřevu dochází v teplotním rozsahu přibližně do 500°C. Taková zařízení nejsou určena pro tavení a pájení kovů, ale používají se v procesech nepřímého ohřevu kapalných nosičů tepla – voda, nemrznoucí směs, směsi termálního oleje. Rozsah použití těchto zařízení proto zahrnuje systémy autonomního vytápění, zásobování teplou užitkovou vodou a nepřímý ohřev různých médií kapalným nosičem tepla s rozsahem provozních teplot až 200-250 °C.

Indukční ohřev kovu

Indukční ohřev kovu kombinuje frekvenci, teplotu, rychlost a řízení procesu. Princip indukčního ohřevu je založen na Faradayově zákoně. Kovový prvek umístěný v induktoru vytváří uvnitř prvku rotační proud a působí na jeho vnější stěny.
To znamená, že teplo vzniká přímo v objektu (kovovém předmětu), takže vše kolem zůstává chladné, což je nepochybná výhoda tohoto způsobu vytápění. Hloubka ohřevu závisí na frekvenci indukčního ohřívače a kovový výrobek může být umístěn v izolaci od zdroje energie.

Teplo v obrobku se neakumuluje rovnoměrně po celém průřezu, ale exponenciálně klesá, jak se magnetické pole vzdaluje od povrchu. Tento proces je charakterizován konkrétní fyzikální veličinou – hloubkou průniku magnetického pole (tedy tloušťkou povrchové vrstvy obrobku, ve které se vnější magnetické pole zmenšuje k nule). Tato hodnota závisí na frekvenci indukčního proudu, jakož i na specifickém odporu a relativní propustnosti materiálu obrobku při provozní teplotě.

Výhody indukčního ohřevu

Významnými výhodami použití metod indukčního ohřevu jsou nákladová efektivita, všestrannost použití, vysoká kvalita produktu, zvýšená produktivita atd. — dovolte nám hodnotit tyto metody jako progresivní a indukční ohřívače považovat za nejpokročilejší typ elektrotepelných zařízení.