Индукционный нагрев - это процесс нагрева электропроводящего объекта (обычно металла) с помощью электромагнитной индукции за счет тепла, выделяемого в объекте вихревыми токами . Индукционный нагреватель состоит из электромагнита и электронного генератора, который пропускает высокочастотный переменный ток (AC) через электромагнит. Быстро меняющееся магнитное поле проникает в объект, создавая внутри проводника электрические токи , называемые вихревыми токами. Вихревые токи, протекающие через сопротивление материала, нагревают его за счет джоулева нагрева . В ферромагнетике(и ферримагнитных ) материалов, таких как железо, тепло также может быть вызвано потерями на магнитный гистерезис . Используемая частота тока зависит от размера объекта, типа материала, связи (между рабочей катушкой и нагреваемым объектом) и глубины проникновения.
Важной особенностью процесса индукционного нагрева является то, что тепло генерируется внутри самого объекта, а не от внешнего источника тепла за счет теплопроводности. Таким образом предметы можно нагревать очень быстро. Кроме того, нет необходимости в каком-либо внешнем контакте, что может быть важно, если загрязнение является проблемой. Индукционный нагрев используется во многих промышленных процессах, таких как термическая обработка в металлургии , выращивание кристаллов по методу Чохральского и зонная очистка, используемые в полупроводниковой промышленности, а также для плавления тугоплавких металлов , требующих очень высоких температур. Он также используется в индукционных плитах для нагрева емкостей с едой; это называется индукционным приготовлением .
Приложения [ править ]
Индукционный нагрев позволяет целенаправленно нагревать применимый элемент для различных применений, включая поверхностную закалку, плавление, пайку и пайку, а также нагрев по размеру. Железо и его сплавы лучше всего реагируют на индукционный нагрев из-за их ферромагнитной природы. Однако вихревые токи могут возникать в любом проводнике, а магнитный гистерезис может возникать в любом магнитном материале. Индукционный нагрев используется для нагрева жидких проводников (например, расплавленных металлов), а также газовых 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. Частота коммунальных услугИндукционный нагрев (50/60 Гц) используется во многих недорогих промышленных приложениях, поскольку инверторы не требуются.
Печь [ править ]
An индукционной печи индукцией для нагрева металла до его 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 состоит из трубы из медных водоохлаждаемых колец, окружающих контейнер из огнеупорного материала. Индукционные печи используются в большинстве современных литейных производств как более чистый метод плавления металлов, чем отражательная печь или вагранка . Размеры варьируются от килограмма вместимости до ста тонн. Индукционные печи часто издают пронзительный вой или гудение во время работы, в зависимости от их рабочей частоты. Плавленые металлы включают железо и сталь., медь, алюминий и драгоценные металлы . Поскольку это чистый и бесконтактный процесс, его можно использовать в вакууме или инертной атмосфере. В вакуумных печах используется индукционный нагрев для производства специальных сталей и других сплавов, которые окисляются при нагревании в присутствии воздуха.
Сварка [ править ]
Аналогичный процесс в меньшем масштабе 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 образом можно сваривать швы трубок. Токи, наводимые в трубе, проходят по открытому шву и нагревают края, в результате чего температура становится достаточно высокой для сварки. На этом этапе края шва сжимаются и шов сваривается. Радиочастотный ток также может быть передан в трубку с помощью щеток, но результат все тот же - ток течет по открытому шву, нагревая его.
Производство [ править ]
В процессе аддитивной печати металлов с помощью быстрой индукционной печати сырье для проводящей проволоки и защитный газ подают через спиральное сопло, подвергая сырье индукционному нагреву и выталкиванию из сопла в виде жидкости, чтобы под защитой не образовывалось трехмерное изображение. металлические конструкции. Основным преимуществом процедурного использования индукционного нагрева в этом процессе является значительно более высокая энергоэффективность и эффективность использования материала, а также более высокая степень безопасности по сравнению с другими методами аддитивного производства, такими как селективное лазерное спекание , при котором тепло подается в материал с использованием мощного лазерный или электронный луч.
Кулинария [ править ]
При приготовлении пищи на индукционной плите индукционная катушка внутри варочной панели нагревает железную основу посуды за счет магнитной индукции. Использование индукционных плит обеспечивает безопасность, эффективность (индукционная плита не нагревается сама по себе) и скорость. Сковороды из цветных металлов, такие как сковороды с медным дном и алюминиевые , обычно не подходят. Благодаря индукции тепло, вызванное основанием, передается находящейся внутри пище за счет теплопроводности. [1]
Пайка [ править ]
Индукционная пайка часто используется при больших объемах производства. Он дает однородные результаты и очень воспроизводим. Индукционная пайка используется во многих типах промышленного оборудования. Например, индукционная пайка используется для пайки твердого сплава на валу.
Печать [ править ]
Индукционный нагрев используется для герметизации крышек контейнеров в пищевой и фармацевтической промышленности. Слой алюминиевой фольги помещается поверх отверстия бутылки или банки и нагревается индукцией, чтобы сплавить его с контейнером. Это обеспечивает защиту от несанкционированного доступа, поскольку для изменения содержимого требуется разорвать фольгу. [2]
Подогрев по размеру [ править ]
Индукционный нагрев часто используется для нагрева предмета, вызывающего его расширение перед установкой или сборкой. Подшипники обычно нагреваются таким образом с использованием рабочей частоты (50/60 Гц) и сердечника трансформаторного типа из многослойной стали, проходящего через центр подшипника.
Термическая обработка [ править ]
Индукционный нагрев часто используется при термической обработке металлических изделий. Наиболее распространенными применениями являются индукционная закалка стальных деталей, индукционная пайка / пайка в качестве средства соединения металлических компонентов и индукционный отжиг для выборочного размягчения участка стальной детали.
Индукционный нагрев может производить высокую плотность мощности, что позволяет за короткое время взаимодействия достичь требуемой температуры. Это дает жесткий контроль над схемой нагрева, при этом узор очень точно следует приложенному магнитному полю и позволяет снизить тепловые искажения и повреждения.
Эту способность можно использовать при закалке для изготовления деталей с различными свойствами. Наиболее распространенный процесс упрочнения - это локализованное поверхностное упрочнение области, которая требует износостойкости, при сохранении прочности исходной структуры по мере необходимости в другом месте. Глубину индукционной закалки можно регулировать путем выбора индукционной частоты, плотности мощности и времени взаимодействия.
Ограничения гибкости процесса возникают из-за необходимости производить специальные катушки индуктивности для многих приложений. Это довольно дорого и требует распределения больших плотностей тока в небольших медных катушках индуктивности, что может потребовать специальной инженерии и «медной арматуры».
Обработка пластика [ править ]
Индукционный нагрев используется в машинах для литья пластмасс под давлением . Индукционный нагрев повышает энергоэффективность процессов впрыска и экструзии. Тепло генерируется непосредственно в цилиндре машины, что сокращает время прогрева и потребление энергии. Индукционная катушка может быть размещена вне теплоизоляции, поэтому она работает при низких температурах и имеет долгий срок службы. Используемая частота колеблется от 30 кГц до 5 кГц, уменьшаясь для более толстых стволов. Снижение стоимости инверторного оборудования сделало индукционный нагрев все более популярным. Индукционный нагрев также может применяться к формам, обеспечивая более равномерную температуру формы и улучшенное качество продукции. [3]
Пиролиз [ править ]
Индукционный нагрев используется для получения биоугля при пиролизе биомассы. Тепло непосредственно выделяется в стенках шейкерного реактора, что обеспечивает пиролиз биомассы с хорошим перемешиванием и контролем температуры. [4]
Подробности [ править ]
Базовая установка - это источник питания переменного тока, который подает электричество с низким напряжением, но очень высоким током и высокой частотой. Обогреваемая деталь помещается в воздушную катушку, приводимую в действие источником питания, обычно в сочетании с резонансным емкостным конденсатором для увеличения реактивной мощности. Переменное магнитное поле наводит в заготовке вихревые токи.
Частота индуктивного тока определяет глубину, на которую индуцированные вихревые токи проникают в заготовку. В простейшем случае сплошного круглого стержня индуцированный ток экспоненциально убывает от поверхности. «Эффективная» глубина токонесущих слоев может быть получена как , где - глубина в сантиметрах, - удельное сопротивление заготовки в ом-сантиметрах, - безразмерная относительная магнитная проницаемость заготовки и - частота Поле переменного тока в Гц. Поле AC можно рассчитать по формуле . [5] Эквивалентное сопротивление заготовки и, следовательно, эффективность зависят от диаметра заготовки.над эталонной глубиной , быстро увеличиваясь до прибл . [6] Поскольку диаметр заготовки фиксируется приложением, значение определяется базовой глубиной. Уменьшение контрольной глубины требует увеличения частоты. Поскольку стоимость индукционных источников питания увеличивается с увеличением частоты, их часто оптимизируют для достижения критической частоты, при которой . При работе с частотой ниже критической эффективность нагрева снижается, поскольку вихревые токи с обеих сторон детали сталкиваются друг с другом и нейтрализуются. Увеличение частоты сверх критической частоты обеспечивает минимальное дальнейшее улучшение эффективности нагрева, хотя оно используется в приложениях, которые стремятся термически обрабатывать только поверхность заготовки.
Относительная глубина зависит от температуры, поскольку удельное сопротивление и проницаемость зависят 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. [7]
| Частота (кГц) | Тип заготовки |
|---|---|
| 5–30 | Толстые материалы (например, сталь при 815 ° C диаметром 50 мм и более). |
| 100–400 | Небольшие заготовки или неглубокое проплавление (например, сталь при 815 ° C диаметром 5–10 мм или сталь при 25 ° C диаметром около 0,1 мм). |
| 480 | Микроскопические детали |
Магнитные материалы улучшают процесс индукционного нагрева из-за гистерезиса . Материалы с высокой проницаемостью (100–500) легче нагреть с помощью индукционного нагрева. Гистерезисный нагрев происходит ниже температуры Кюри, когда материалы сохраняют свои магнитные свойства. Полезна высокая проницаемость детали ниже температуры Кюри. Разница температур, масса и удельная теплоемкость влияют на нагрев детали.
На передачу энергии при индукционном нагреве влияет расстояние между катушкой и заготовкой. Потери энергии происходят из-за теплопроводности от заготовки к приспособлению, естественной конвекции и теплового излучения .
Индукционная катушка обычно изготавливается из медных трубок и жидкого хладагента . Диаметр, форма и количество витков влияют на эффективность и диаграмму направленности.
Печь стержневого типа [ править ]
Печь состоит из круглого пода, в котором находится плавящаяся шихта в форме кольца. Металлическое кольцо большого диаметра магнитно связано с электрической обмоткой, питаемой от источника переменного тока. По сути, это трансформатор, в котором подлежащий нагреву заряд образует однооборотную вторичную обмотку короткого замыкания и магнитно связан с первичной обмоткой посредством железного сердечника.
Ссылки [ править ]
- ^ Валерий Руднев Справочник по индукционному нагреву CRC Press, 2003 ISBN 0824708482, стр. 92
- ^ Валерий Руднев Справочник по индукционному нагреву CRC Press, 2003 ISBN 0824708482, стр. 92
- ^ Dong-Хви Sohn, Hyeju Eom и Гын Парк Применение высокочастотного индукционного нагрева с высоким качеством литья под давлением , в Plastics Engineering Ежегодной технической конференции Труды ANTEC 2010 , Общество Plastics Engineers , 2010
- ^ Санчес Кареага, Ф.Дж., Порат, А., Бриенс, Л., Бриенс, С. Пиролизный шейкер-реактор для производства биоугля. Может J Chem Eng. 2020; 1– 8. https://doi.org/10.1002/cjce.23771
- ^ S. Zinn и SL Semiatin Элементы индукционного нагрева ASM International, 1988 ISBN 0871703084 стр. 15
- ^ S. Zinn и SL Semiatin Элементы индукционного нагрева ASM International, 1988 ISBN 0871703084 стр. 19
- ^ S. Zinn и SL Semiatin 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, D. Van Nostrand Company, Inc., 1947. LCCN 47003544
- Хартсхорн, Лесли, Радиочастотное отопление . Лондон, Г. Аллен и Анвин, 1949. LCCN 50002705
- Лэнгтон, Л.Л., Радиочастотное нагревательное оборудование, с особым упором на теорию и конструкцию самовозбуждающихся генераторов мощности . Лондон, Питман, 1949. LCCN 50001900
- Шилдс, Джон Поттер, Азбука радиочастотного обогрева . 1-е изд., Индианаполис, HW Sams, 1969. LCCN 76098943
- Сови, Рональд Дж. И Джордж Р. Сейкель, Индукционный радиочастотный нагрев плазмы низкого давления . Вашингтон, округ Колумбия: Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства; Спрингфилд, Вирджиния: Информационный центр федеральной научно-технической информации, октябрь 1967 г. Техническая записка НАСА. D-4206; Подготовлено в Исследовательском центре Льюиса.
 | Викискладе есть медиафайлы по теме индукционного нагрева . |
