Индукционный нагрев

Компонент радиоизотопного генератора Стирлинга во время испытаний нагревается индукционным способом.

Индукционный нагрев — это процесс нагрева электропроводящих материалов, а именно металлов или полупроводников, с помощью электромагнитной индукции , посредством передачи тепла проходящего через индуктор , который создает электромагнитное поле внутри катушки для нагрева и, возможно, плавления стали, меди, латуни, графита. , золото, серебро, алюминий или карбид.

Важной особенностью процесса индукционного нагрева является то, что тепло генерируется внутри самого объекта, а не внешним источником тепла за счет теплопроводности. Таким образом, объекты могут нагреваться очень быстро. Кроме того, не требуется никакого внешнего контакта, что может быть важно в случае загрязнения. Индукционный нагрев используется во многих промышленных процессах, таких как термическая обработка в металлургии , выращивание кристаллов Чохральского и зонное рафинирование, используемое в полупроводниковой промышленности, а также для плавки тугоплавких металлов , требующих очень высоких температур. Его также используют в индукционных плитах .

Индукционный нагреватель состоит из электромагнита и электронного генератора высокочастотный переменный ток , пропускающего через электромагнит (AC). Быстропеременное магнитное поле проникает в объект, создавая электрические токи, внутри проводника называемые вихревыми токами . Вихревые токи проходят через сопротивление материала и нагревают его за счет джоулевого нагрева . В ферромагнитных и ферримагнитных материалах, таких как железо , тепло также выделяется за счет потерь на магнитный гистерезис . Частота электрического тока , используемого для индукционного нагрева, зависит от размера объекта, типа материала, соединения (между рабочей катушкой и нагреваемым объектом) и глубины проникновения.

Приложения

Индукционный нагрев позволяет целенаправленно нагревать соответствующий элемент для таких применений, как закалка поверхности, плавление, пайка и пайка, а также нагрев до подгонки. Из-за своей ферромагнитной природы железо и его сплавы лучше всего реагируют на индукционный нагрев. Однако вихревые токи могут генерироваться в любом проводнике, а магнитный гистерезис может возникать в любом магнитном материале. Индукционный нагрев использовался для нагрева жидких проводников (например, расплавленных металлов), а также газообразных проводников (например, газовой плазмы — см. Технология индукционной плазмы ). Индукционный нагрев часто используется для нагрева графитовых тиглей (содержащих другие материалы) и широко используется в полупроводниковой промышленности для нагрева кремния и других полупроводников. Индукционный нагрев с частотой сети (50/60 Гц) используется во многих недорогих промышленных приложениях, поскольку инверторы не требуются.

Печь

Индукционная печь использует индукцию для нагрева металла до точки плавления. После расплавления высокочастотное магнитное поле также можно использовать для перемешивания горячего металла, что полезно для обеспечения полного смешивания легирующих добавок с расплавом. Большинство индукционных печей состоят из трубы медных колец с водяным охлаждением, окружающей контейнер из огнеупорного материала. Индукционные печи используются на большинстве современных литейных заводов как более чистый метод плавки металлов, чем отражательная печь или вагранка . Размеры варьируются от килограмма вместимости до ста тонн. Индукционные печи во время работы часто издают пронзительный вой или гудение, в зависимости от их рабочей частоты. Переплавляемые металлы включают железо и сталь , медь, алюминий и драгоценные металлы . Поскольку это чистый и бесконтактный процесс, его можно использовать в вакууме или инертной атмосфере. Вакуумные печи используют индукционный нагрев для производства специальных сталей и других сплавов, которые окисляются при нагревании в присутствии воздуха.

Сварка

Аналогичный процесс меньшего масштаба используется для индукционной сварки. Пластмассы также можно сваривать индукцией, если они легированы ферромагнитной керамикой (где магнитный гистерезис частиц обеспечивает необходимое тепло) или металлическими частицами.

Таким способом можно сваривать швы труб. Токи, индуцированные в трубке, проходят вдоль открытого шва и нагревают края, в результате чего температура становится достаточно высокой для сварки. На этом этапе края шва сжимаются и шов сваривается. Радиочастотный ток также можно передать к трубке с помощью щеток, но результат все тот же — ток течет по открытому шву, нагревая его.

Производство

В процессе аддитивной печати металлом Rapid Induction Printing сырье проводящей проволоки и защитный газ подаются через спиральное сопло, подвергая сырье индукционному нагреву и выбрасыванию из сопла в виде жидкости, чтобы отказаться от защиты и сформировать трехмерное изображение. металлические конструкции. Основным преимуществом использования индукционного нагрева в этом процессе является значительно более высокая эффективность использования энергии и материалов , а также более высокая степень безопасности по сравнению с другими методами аддитивного производства, такими как селективное лазерное спекание , при которых тепло доставляется к материалу с помощью мощного нагревателя. лазерный или электронный луч.

Кулинария

При индукционной готовке индукционная катушка внутри варочной панели нагревает железное основание посуды за счет магнитной индукции. Использование индукционных плит обеспечивает безопасность, эффективность (индукционная плита сама не нагревается) и скорость. Кастрюли из цветных металлов, такие как кастрюли с медным дном и алюминиевые кастрюли, как правило, не подходят. Благодаря теплопроводности тепло, образующееся в основании, передается находящимся внутри продуктам. ^[1]

Пайка

Индукционная пайка часто используется при больших объемах производства. Он дает однородные результаты и очень повторяемы. Существует множество видов промышленного оборудования, в котором применяется индукционная пайка. Например, индукция используется для припайки карбида к валу.

Уплотнение

Индукционный нагрев используется при укупорке крышек емкостей в пищевой и фармацевтической промышленности. На горлышко бутылки или банки накладывают слой алюминиевой фольги и нагревают индукционным способом, чтобы приклеить ее к контейнеру. Это обеспечивает защиту от несанкционированного доступа, поскольку для изменения содержимого необходимо сломать фольгу. ^[2]

Отопление по размеру

Индукционный нагрев часто используется для нагрева предмета, вызывающего его расширение перед установкой или сборкой. Подшипники обычно нагреваются таким способом с использованием сетевой частоты (50/60 Гц) и ламинированного стального сердечника трансформаторного типа, проходящего через центр подшипника.

Термическая обработка

Индукционный нагрев часто используется при термообработке металлических изделий. Наиболее распространенными применениями являются индукционная закалка стальных деталей, индукционная пайка /пайка твердым припоем как средство соединения металлических компонентов и индукционный отжиг для избирательного смягчения участка стальной детали.

Индукционный нагрев может обеспечить высокую плотность мощности, что позволяет за короткое время достичь необходимой температуры. Это обеспечивает жесткий контроль над рисунком нагрева, при этом рисунок довольно точно повторяет приложенное магнитное поле, а также позволяет уменьшить тепловые искажения и повреждения.

Эту способность можно использовать при закалке для изготовления деталей с различными свойствами. Наиболее распространенным процессом закалки является локальная поверхностная закалка области, которая нуждается в износостойкости, сохраняя при этом прочность исходной структуры, если это необходимо в других местах. Глубину индукционно закаленных рисунков можно контролировать путем выбора частоты индукции, плотности мощности и времени взаимодействия.

Ограничения гибкости процесса возникают из-за необходимости производить специальные индукторы для многих применений. Это довольно дорого и требует распределения токов высокой плотности в небольших медных индукторах, что может потребовать специального проектирования и «медной установки».

Переработка пластика

Индукционный нагрев используется в машинах для литья пластмасс под давлением . Индукционный нагрев повышает энергоэффективность процессов литья и экструзии. Тепло генерируется непосредственно в корпусе машины, что сокращает время прогрева и потребление энергии. Индукционную катушку можно разместить вне теплоизоляции , поэтому она работает при низких температурах и имеет длительный срок службы. Используемая частота варьируется от 30 кГц до 5 кГц, уменьшаясь для более толстых стволов. Снижение стоимости инверторного оборудования сделало индукционный нагрев все более популярным. Индукционный нагрев также можно применять к формам, обеспечивая более равномерную температуру формы и улучшая качество продукции. ^[3]

Пиролиз

Индукционный нагрев используется для получения биоугля при пиролизе биомассы. Тепло генерируется непосредственно в стенках шейкер-реактора, что позволяет осуществлять пиролиз биомассы с хорошим перемешиванием и контролем температуры. ^[4]

Нагрев болта

Индукционный нагрев используется механиками для удаления ржавых болтов. Нагрев помогает снять напряжение между резьбами, вызванное ржавчиной. ^[5]

Подробности

Базовая установка представляет собой источник питания переменного тока, который обеспечивает электричество низкого напряжения, но очень высокого тока и высокой частоты. Нагреваемая деталь помещается внутри воздушной катушки, приводимой в действие источником питания, обычно в сочетании с резонансным конденсатором для увеличения реактивной мощности. Переменное магнитное поле индуцирует вихревые токи в заготовке.

Частота индуктивного тока определяет глубину проникновения индуцированных вихревых токов в заготовку. В простейшем случае сплошного круглого стержня индуцированный ток экспоненциально убывает от поверхности. Глубина проникновения $\delta$ в котором будет сосредоточено 86% мощности, можно получить как $\delta =503{\sqrt {\frac {\rho }{\mu f}}}$ , где $\delta$ глубина в метрах, $\rho$ – удельное сопротивление детали в ом-метрах, $\mu$ – безразмерная относительная магнитная проницаемость детали, $f$ — частота переменного поля в Гц. Поле переменного тока можно рассчитать по формуле ${\frac {1}{T}}$ . ^[6] Эквивалентное сопротивление заготовки и, следовательно, эффективность зависят от диаметра заготовки. $a$ на контрольной глубине $d$ , быстро увеличиваясь примерно до $a/d=4$ . ^[7] Поскольку диаметр заготовки фиксируется приложением, значение $a/d$ определяется эталонной глубиной. Уменьшение опорной глубины требует увеличения частоты. Поскольку стоимость индукционных источников питания увеличивается с увеличением частоты, их часто оптимизируют для достижения критической частоты, при которой $a/d=4$ . При работе на частоте ниже критической эффективность нагрева снижается, поскольку вихревые токи с обеих сторон заготовки сталкиваются друг с другом и нейтрализуются. Увеличение частоты сверх критической частоты приводит к минимальному дальнейшему повышению эффективности нагрева, хотя оно используется в приложениях, требующих термической обработки только поверхности заготовки.

Относительная глубина меняется в зависимости от температуры, поскольку удельное сопротивление и проницаемость изменяются в зависимости от температуры. Для стали относительная проницаемость падает до 1 выше температуры Кюри . Таким образом, эталонная глубина может изменяться в зависимости от температуры в 2–3 раза для немагнитных проводников и в 20 раз для магнитных сталей. ^[8]

Применение частотных диапазонов
Частота (кГц)	Тип заготовки
5–30	Толстые материалы (например, сталь при температуре 815 °C и диаметре 50 мм или больше).
100–400	Маленькие детали или неглубокое проплавление (например, сталь при 815 °C диаметром 5–10 мм или сталь при 25 °C диаметром около 0,1 мм).
480	Микроскопические кусочки

Магнитные материалы улучшают процесс индукционного нагрева благодаря гистерезису . Материалы с высокой проницаемостью (100–500) легче нагревать индукционным нагревом. Гистерезисный нагрев происходит ниже температуры Кюри, при которой материалы сохраняют свои магнитные свойства. Полезна высокая проницаемость детали ниже температуры Кюри. На нагрев заготовки влияют разность температур, масса и теплоемкость.

На передачу энергии индукционного нагрева влияет расстояние между катушкой и заготовкой. Потери энергии происходят за счет теплопроводности от заготовки к приспособлению, естественной конвекции и теплового излучения .

Индукционная катушка обычно изготавливается из медных трубок и охлаждающей жидкости . Диаметр, форма и количество витков влияют на эффективность и диаграмму поля.

Колонковая печь

Печь состоит из круглого пода, в котором находится плавимая шихта в форме кольца. Металлическое кольцо имеет большой диаметр и магнитно связано с электрической обмоткой, питаемой от источника переменного тока. По сути, это трансформатор, в котором нагреваемый заряд образует одновитковую вторичную обмотку короткого замыкания и магнитно связан с первичной обмоткой железным сердечником.

Ссылки

^ Валерий Руднев Справочник по индукционному нагреву CRC Press, 2003 г. ISBN 0824708482 стр. 92
^ Валерий Руднев Справочник по индукционному нагреву CRC Press, 2003 г. ISBN 0824708482 стр. 92
^ Донг-Хви Сон, Хеджу Ом и Кеун Пак, Применение высокочастотного индукционного нагрева для высококачественного литья под давлением , в материалах ежегодной технической конференции по пластиковой инженерии ANTEC 2010 , Общество инженеров по пластмассам , 2010 г.
^ Санчес Кареага, Ф. Дж., Порат, А., Бриенс, Л., Бриенс, К. Пиролизный шейкер-реактор для производства биоугля. Can J Chem Eng. 2020; 1– 8. https://doi.org/10.1002/cjce.23771 .
^ «Откажитесь от горелки и используйте индукционный нагрев, чтобы выкрутить ржавые болты» . Популярная механика . 22 апреля 2024 г. Проверено 26 июля 2024 г.
^ С. Зинн и С.Л. Семиатин. Элементы индукционного нагрева ASM International, 1988. ISBN 0871703084 стр. 15
^ С. Зинн и С.Л. Семиатин. Элементы индукционного нагрева ASM International, 1988. ISBN 0871703084 стр. 19
^ С. Зинн и С.Л. Семиатин. Элементы индукционного нагрева ASM International, 1988. ISBN 0871703084 стр. 16

Браун, Джордж Гарольд, Сирил Н. Хойлер и Рудольф А. Бирвирт, Теория и применение радиочастотного нагрева . Нью-Йорк, Компания Д. Ван Ностранд, Инк., 1947. LCCN 47003544.
Хартсхорн, Лесли, Радиочастотное отопление . Лондон, Дж. Аллен и Анвин, 1949. LCCN 50002705.
Лэнгтон, Л. Л., Оборудование для радиочастотного нагрева, с особым упором на теорию и конструкцию автогенераторов мощности . Лондон, Питман, 1949 год. LCCN 50001900.
Шилдс, Джон Поттер, «Азбука радиочастотного нагрева» . 1-е изд., Индианаполис, HW Sams, 1969. LCCN 76098943.
Сови, Рональд Дж. и Джордж Р. Сейкел, Радиочастотный индукционный нагрев плазмы низкого давления . Вашингтон, округ Колумбия: Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства; Спрингфилд, Вирджиния: Информационный центр федеральной научной и технической информации, октябрь 1967 г. Техническое примечание НАСА. Д-4206; Подготовлено в Исследовательском центре Льюиса.

См. также

[1] Валерий Руднев Справочник по индукционному нагреву CRC Press, 2003 г. ISBN 0824708482 стр. 92

[2] Валерий Руднев Справочник по индукционному нагреву CRC Press, 2003 г. ISBN 0824708482 стр. 92

[3] Донг-Хви Сон, Хеджу Ом и Кеун Пак, Применение высокочастотного индукционного нагрева для высококачественного литья под давлением , в материалах ежегодной технической конференции по пластиковой инженерии ANTEC 2010 , Общество инженеров по пластмассам , 2010 г.

[4] Санчес Кареага, Ф. Дж., Порат, А., Бриенс, Л., Бриенс, К. Пиролизный шейкер-реактор для производства биоугля. Can J Chem Eng. 2020; 1– 8. https://doi.org/10.1002/cjce.23771 .

[5] «Откажитесь от горелки и используйте индукционный нагрев, чтобы выкрутить ржавые болты» . Популярная механика . 22 апреля 2024 г. Проверено 26 июля 2024 г.

[6] С. Зинн и С.Л. Семиатин. Элементы индукционного нагрева ASM International, 1988. ISBN 0871703084 стр. 15

[7] С. Зинн и С.Л. Семиатин. Элементы индукционного нагрева ASM International, 1988. ISBN 0871703084 стр. 19

[8] С. Зинн и С.Л. Семиатин. Элементы индукционного нагрева ASM International, 1988. ISBN 0871703084 стр. 16

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]