Индукционный нагрев + технология бесконтактной плавки

Исторические памятки на заметку

Применяется отмеченная техника плавки в промышленности, медицине, бытовой сфере, благодаря выраженным преимуществам по сравнению с традиционными методами прогрева:

• резистивным,
• пламенным,
• печным и другими.

Индукционный нагрев особенно полезен для выполнения высокоточных или повторяющихся операций.

Индукционный нагрев впервые применил Майкл Фарадей – физик и химик в одном лице – выходец из Великобритании. Учёный обнаружил уникальное свойство нагрева в момент изучения индукции токов в проводах под действием магнита.

Однако базовые принципы индукционного нагрева чуть позже представил Джеймс Максвелл в единой теории электромагнетизма. В то же время Джеймс П. Джоуль первым описал эффект прогрева током, протекающим через проводящий материал.

На момент 1887 года, Себастьян Зиани де Ферранти предложил индукционный нагрев как метод плавки металлов. Первую полнофункциональную индукционную печь соорудил и представил обществу (1891 год) Ф. А. Кьеллин, Первое применение высокочастотной печи реализовано Эдвином Ф. Нортрупом (1916 год).

Разработка твердотельных генераторов с использованием новых технологий силовых полупроводников обеспечила потенциал за пределами промышленной среды. С конца 1980-х годов появились различные предложения к применению.

Последние годы фиксируется особый интерес к индукционному нагреву под медицинские процедуры, поскольку этот метод обеспечивает точное и целевое локальное прогревание.

Виды индукционных печей

Рассматривая классификацию устройств, отметим, что нагрев заготовок может проходить как внутри, так и снаружи катушки. Именно поэтому выделяют два типа индукционных печей:

1. Канальная. Подобного рода устройство имеет небольшие каналы, которые расположены вокруг индуктора. Для генерации переменного магнитного поля внутри расположен сердечник.
2. Тигельная. Эта конструкция характеризуется наличием специальной емкости, которую называют тигель. Изготавливается она из тугоплавкого металла с высоким показателем температуры плавления.

Важно, что канальные индукционные печи обладают большими габаритными размерами и предназначаются для промышленного плавления металла. За счет непрерывного процесса плавки можно получать большой объем расплавленного металла. Канальные индукционные печи применяются для плавки алюминия и чугуна, а также других цветных сплавов.

Тигельные индукционные печи характеризуются относительно небольшими размерами. В большинстве случаев подобного рода устройство применяется в ювелирном деле, а также при плавке металла в домашних условиях.

Устройство индукционной тигельной печи

Индукционная тигельная печь в разрезе

Установки на транзисторах получили довольно большое распространение, так как их можно изготовить своими руками при минимальных временных и денежных затратах.

Основы технологии индукционного нагрева

Технология индукционного нагрева требует источника переменного тока, пропускаемого через катушку индуктивности. В результате катушка индуктивности генерирует переменное магнитное поле, что приводит к следующему эффекту:

Вот такого эффекта, к примеру, удаётся достичь посредством использования описываемой технологии работы с металлами, элементами полупроводниками

Когда объект помещается в область этого поля, возникают два эффекта прогрева:

1. Гистерезисные потери, которые неизбежно возникают только в магнитных материалах, подобных железу, никелю, кобальту и т. д. Причина потерь — трение между молекулами, когда материал постоянно намагничивается в разных направлениях. Более высокая частота колебаний магнитного поля приводит к более быстрому движению частиц, что вызывает значительное трение и, следовательно, выделение большого количества тепла.
2. Потери на вихревые токи, которые возникают как эффект Джоуля в любом проводящем материале из-за влияния электрических токов, вызванных флуктуирующим магнитным полем.

Оба эффекта приводят к прогреву обработанного объекта, но второй чаще всего является основным источником тепла в процессах индукционного нагрева. Кроме того, гистерезис не наблюдается в немагнитных материалах.

Магнитные материалы теряют магнитную специфичность при прогревании выше определённой температуры (точка Кюри).

Принцип получения прогрева: 1, 2 – переменный ток; 3 – объект, подлежащий воздействию магнитным полем; 4 – магнитные потоки; 5 – вихревые токи

Вихревые токи также зависят от частоты магнитного поля по причине скин-эффекта: на высоких частотах токи протекают вблизи поверхности проводника.

Эта специфика используется для контроля глубины проникновения процесса индукционного нагрева. В результате прогревается либо весь объект, либо только конкретная часть (например, область поверхности).

Индукционный нагрев: использование для различных применений

Таким образом, индукционный нагрев может использоваться для различных применений:

• плавки металла,
• пайки,
• поверхностного упрочнения и т.д.

Проводникам индукционной катушки также присущ скин-эффект. Поэтому вместо сплошных проводов следует использовать трубы. Когда ток протекает через индуктор, аналогичные резистивные потери наблюдаются из-за эффекта Джоуля. Для предотвращения расплавления и повреждения катушки часто применяется водяное охлаждение.

Принципиальная схема установки для бытового применения, собираемая из электронных компонентов вполне доступных для приобретения на коммерческом рынке

Учитывая обширное наличие электрических (электронных) компонентов, доступных простому обывателю, есть все возможности для создания системы индукционного нагрева своими руками для бытового применения. Возможная для выполнения схема бытового устройства относительно небольшой мощности представлена выше.

Индукционный нагрев – преимущественные стороны

Если рассматривать индукционную технологию и сравнивать с некоторыми классическими технологиями нагрева:

• резистивный,
• пламенный,
• печной и т. д.

Индукционный нагрев выделяют следующие преимущества:

1. Малое время процесса, когда благодаря индукционному нагреву, объект прогревается напрямую, что приводит к сокращению как времени прогрева, так и потерь тепла. Этот метод обеспечивает высокую плотность мощности и низкую (практически нулевую) тепловую инерцию.
2. Высокий КПД (значение выше 90%) достигается благодаря правильной конструкции силового преобразователя и катушки. Кроме того, высокие температуры могут достигаться быстро и легко, учитывая существенное снижение потерь тепла в окружающую среду.
3. Высокий уровень управления — точное регулирование мощности прогрева, достигается с помощью соответствующей конструкции катушки и управления силовым преобразователем. В результате допустимо реализовать дополнительные функции: локальный прогрев, предварительный прогрев, предварительно определенные температурные профили.
4. Благодаря опции промышленной автоматизации, индукционный нагрев позволяет улучшить как производительность, так и качество процессов. Качество продукта гарантируется, поскольку прогревание осуществляется бесконтактным способом (без вмешательства технологического инструмента).
5. Безопасность и чистота обеспечиваются в процессе, учитывая отсутствие теплового загрязнения (загрязнения воздуха), так как объект прогревается напрямую, без использования топливных ресурсов.

Устройство и применение индукционной печи

При желании можно создать индукционную печь для плавки металла из подручных материалов. Классическая конструкция имеет три блока:

1. Генератор, который создает ток высокой частоты переменного типа. Именно он создает электрический ток, преобразующийся в магнитное поле, проходящее через материал и ускоряя движение частиц. За счет этого происходит переход металла или сплавов из твердого состояния в жидкое.
2. Индуктор отвечает за создание магнитного поля, которое и нагревает металл.
3. Тигель предназначен для плавки материала. Он помещается в индуктор, а обмотка подключается к источникам тока.

Процесс преобразования электрического тока в магнитное поле сегодня применяется в самых различных отраслях промышленности.

Устройство индукционной плавильной печи

К основным достоинствам индуктора можно отнести нижеприведенные моменты:

1. Современное устройство способно направлять магнитное поле, за счет чего повышается КПД. Другими словами, проходит нагрев шихты, а не устройства.
2. За счет равномерного распространения магнитного поля заготовка нагревается равномерно. При этом с момента включения устройства до плавки шихты уходит небольшое количество времени.
3. Однородность получаемого сплава, а также его высокое качество.
4. При нагреве и плавлении металла не образуются испарения.
5. Сама установка безопасна в применении, не становится причиной образования токсичных веществ.

Существует просто огромное количество различных вариантов исполнения самодельных индукционных печей, каждая имеет свои определенные особенности.

Инновации технологии индукционного нагрева и будущее развитие

Даже с учётом того, что системы индукционного нагрева уже достигли зрелости в качестве технологии, развитие современных технологий постоянно сопровождается возможностями для новых направлений исследований.

Ближайшие годы обещают пополниться следующими темами, которые, как ожидается, должны представлять значительный интерес для индустриального сектора.

Повышение эффективности применения

Совершенство технологий производства полупроводников обещает появление систем индукционного нагрева более высокой эффективности. Кроме того, специальные формы и конструкции катушки индуктивности также обеспечат повышение эффективности технологии.

В результате улучшения следует ждать не только в плане производительности, но и в плане надежности систем индукционного нагрева.

Индустриальные машины, относящиеся к описываемой технологии, то есть – поддерживающие индукционный нагрев, уже несколько последних лет отмечаются активным совершенствованием

Технологические нагреватели, наделённые несколькими катушками – это:

• лучшее распределение тепла,
• более высокая производительность,
• гибкость процессов,

при использовании нескольких одновременно работающих катушек.

Такие системы представляют значительный технологический прорыв и всё чаще применяются не только в промышленности, но и в бытовом секторе. Однако не обходится и без проблем.

Так, следует приложить усилия для оптимизации конструкции преобразователя мощности с несколькими выходами и передовые алгоритмы управления. Другая проблема для внимательного рассмотрения, — это эффект связи между отдельными катушками.

Канальные печи индукционной плавки

Такой тип нашел широкое применение в плавильном деле цветных металлов. Эффективно используется для меди и медных сплавов на основе латуни, мельхиора, бронзы. Активно плавят в канальных агрегатах алюминий, цинк и сплавы в составе этих металлов. Широкое использование печей этого типа ограничено из-за невозможности выполнить футеровку, стойкую к разрушениям, на внутренних стенках камеры.
Расплавленный металл в канальных печах индукционного типа совершает тепловое и электродинамическое движение, что обеспечивает постоянную однородность смешивания компонентов сплава в печной ванне. Использование канальных печей индукционного принципа оправдано в случаях, если к расплавленному металлу и изготовленным слиткам предъявляются особые требования. Сплавы получаются качественными в плане коэффициента насыщения газами, присутствия в металле органических и синтетических примесей.

Индукционные канальные печи работают по типу миксера и предназначаются для выравнивания состава, поддержки постоянной температуры процесса, и выбора скорости разлива в кристаллизаторы или формы. Для каждого сплава и состава литья существуют параметры специальной шихты.

Достоинства

• подогревание сплава происходит в нижней части, к которой нет воздушного доступа, что уменьшает испарение с верхней поверхности, нагретой до минимальной температуры;
• канальные печи относят к экономичным индукционным печам, так как происходящее расплавление обеспечивается маленьким расходом электрической энергии;
• печь имеет высокий коэффициент полезного действия благодаря применению в работе замкнутого контура магнитного провода;
• постоянная циркуляция в печи расплавленного металла вызывает ускорение плавильного процесса и способствует однородности перемешивания компонентов сплава.

Недостатки

• стойкость каменной внутренней футеровки снижается при использовании высоких температур;
• футеровка разрушается при плавлении химически агрессивных сплавов из бронзы, олова и свинца.
• при плавлении загрязненной низкосортной шихты происходит засорение каналов;
• поверхностный шлак на ванне не нагревается до высокой температуры, что не позволяет проводить операции в промежутке между металлом и укрытием и расплавлять стружку и скрап;
• канальные агрегаты плохо переносят перерывы в работе, что заставляет постоянно хранить в жерле печи значительное количество жидкого сплава.

Полное удаление расплавленного металла из печи ведет к ее быстрому растрескиванию. По этой же причине невозможно выполнить быструю перестройку с одного сплава на другой, приходится делать несколько промежуточных плавок, получивших название балластных.