Индукционный нагрев — это процесс нагрева электропроводящих материалов, а именно металлов или полупроводников, посредством электромагнитной индукции , посредством передачи тепла через индуктор , который создает электромагнитное поле внутри катушки для нагрева и, возможно, плавления стали, меди, латуни, графита, золота, серебра, алюминия или карбида.
Важной особенностью процесса индукционного нагрева является то, что тепло генерируется внутри самого объекта, а не внешним источником тепла посредством теплопроводности. Таким образом, объекты можно нагревать очень быстро. Кроме того, не требуется никакого внешнего контакта, что может быть важно, когда 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 плавки тугоплавких металлов , требующих очень высоких температур. Он также используется в индукционных варочных панелях .
Индукционный нагреватель состоит из электромагнита и электронного генератора , который пропускает через электромагнит переменный ток высокой частоты (AC). Быстропеременное магнитное поле проникает в объект, генерируя электрические токи внутри проводника, называемые вихревыми токами . Вихревые токи протекают через сопротивление материала и нагревают его за счет джоулева нагрева . В ферромагнитных и ферримагнитных материалах, таких как железо , тепло также генерируется за счет потерь на магнитный гистерезис . Частота электрического тока, используемого для индукционного нагрева, зависит от размера объекта, типа материала, связи (между рабочей катушкой и нагреваемым объектом) и глубины проникновения.
Индукционный нагрев позволяет целенаправленно нагревать соответствующий элемент для таких применений, как поверхностное упрочнение, плавление, пайка и пайка, а также нагрев для подгонки. Благодаря своей ферромагнитной природе железо и его сплавы лучше всего реагируют на индукционный нагрев. Однако вихревые токи могут возникать в любом проводнике, а магнитный гистерезис может возникать в любом магнитном материале. Индукционный нагрев использовался для нагрева жидких проводников (таких как расплавленные металлы), а также газообразных проводников (таких как газовая плазма — 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 рабочей частотой (50/60 Гц) используется для многих недорогих промышленных применений, поскольку инверторы не требуются.
Индукционная печь использует индукцию для нагрева металла до точки плавления. После расплавления высокочастотное магнитное поле также может использоваться для перемешивания горячего металла, что полезно для обеспечения полного смешивания легирующих добавок с расплавом. Большинство индукционных печей состоят из трубы из охлаждаемых водой медных колец, окружающих контейнер из огнеупорного материала. Индукционные печи используются в большинстве современных литейных цехов как более чистый метод плавки металлов, чем отражательная печь или вагранка . Размеры варьируются от килограмма емкости до ста тонн. Индукционные печи часто издают пронзительный вой или гул во время работы, в зависимости от их рабочей частоты. Расплавляемые 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.
Аналогичный, но менее масштабный процесс 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 труб. Токи, индуцированные в трубе, протекают вдоль открытого шва и нагревают края, в результате чего достигается температура, достаточная для сварки. В этот момент края шва сжимаются вместе, и шов сваривается. Высокочастотный ток также может передаваться к трубе с помощью щеток, но результат все равно тот же — ток течет вдоль открытого шва, нагревая его.
В процессе аддитивной печати металла Rapid Induction Printing исходное сырье в виде проводящей проволоки и защитный газ подаются через спиральное сопло, подвергая исходное сырье индукционному нагреву и выталкивая его из сопла в виде жидкости, чтобы отказаться от экранирования для формирования трехмерных металлических структур. Основным преимуществом использования индукционного нагрева в этом процессе является значительно большая энергетическая и материальная эффективность , а также более высокая степень безопасности по сравнению с другими методами аддитивного производства, такими как селективное лазерное спекание , которые доставляют тепло к материалу с помощью мощного лазера или электронного луча.
При индукционной готовке индукционная катушка внутри варочной панели нагревает железное основание посуды с помощью магнитной индукции. Использование индукционных плит обеспечивает безопасность, эффективность (индукционная панель сама по себе не нагревается) и скорость. Сковороды из цветных металлов, такие как сковороды с медным дном и алюминиевые сковороды, как правило, не подходят. Благодаря теплопроводности тепло, индуцированное в основании, передается пище внутри. [1]
Индукционная пайка часто используется в более крупных производственных циклах. Она дает однородные результаты и очень воспроизводима. Существует много типов промышленного оборудования, где используется индукционная пайка. Например, индукция используется для пайки карбида на вал.
Индукционный нагрев используется для запечатывания крышек контейнеров в пищевой и фармацевтической промышленности. Слой алюминиевой фольги помещается на горлышко бутылки или банки и нагревается индукцией, чтобы сплавить ее с контейнером. Это обеспечивает защиту от несанкционированного доступа, поскольку для изменения содержимого требуется разрыв фольги. [2]
Индукционный нагрев часто используется для нагревания детали, заставляя ее расширяться перед установкой или сборкой. Подшипники обычно нагреваются таким образом с использованием частоты сети (50/60 Гц) и сердечника трансформаторного типа из слоистой стали, проходящего через центр подшипника.
Индукционный нагрев часто используется при термической обработке металлических изделий. Наиболее распространенными применениями являются индукционная закалка стальных деталей, индукционная пайка как способ соединения металлических компонентов и индукционный отжиг для избирательного смягчения области стальной детали.
Индукционный нагрев может производить высокие плотности мощности, которые позволяют за короткое время взаимодействия достигать требуемой температуры. Это обеспечивает жесткий контроль за рисунком нагрева, который следует за приложенным магнитным полем довольно точно, и позволяет снизить тепловые искажения и повреждения.
Эту способность можно использовать при закалке для производства деталей с различными свойствами. Наиболее распространенный процесс закалки заключается в локальном поверхностном упрочнении области, требующей износостойкости, при сохранении прочности исходной структуры, необходимой в других местах. Глубину индукционно-закаленных образцов можно контролировать путем выбора частоты индукции, плотности мощности и времени взаимодействия.
Ограничения гибкости процесса возникают из-за необходимости производить специализированные индукторы для многих приложений. Это довольно дорого и требует распределения больших плотностей тока в небольших медных индукторах, что может потребовать специализированного проектирования и «медной подгонки».
Индукционный нагрев используется в машинах для литья пластмасс под давлением . Индукционный нагрев повышает энергоэффективность процессов литья под давлением и экструзии. Тепло генерируется непосредственно в цилиндре машины, что сокращает время прогрева и потребление энергии. Индукционная катушка может быть размещена снаружи 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 цилиндров. 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]
Индукционный нагрев используется для получения биоугля при пиролизе биомассы. Тепло генерируется непосредственно в стенках реактора-шейкера, что позволяет проводить пиролиз биомассы с хорошим перемешиванием и контролем температуры. [4]
Индукционный нагрев используется механиками для удаления заржавевших болтов. Тепло помогает устранить вызванное ржавчиной напряжение между резьбой. [5]
Базовая установка представляет собой источник переменного тока, который обеспечивает электроэнергию с низким напряжением , но очень высоким током и высокой частотой. Нагреваемая деталь помещается внутрь воздушной катушки , приводимой в действие источником питания, обычно в сочетании с резонансным конденсатором для увеличения реактивной мощности. Переменное магнитное поле индуцирует вихревые токи в детали.
Частота индуктивного тока определяет глубину, на которую индуцированные вихревые токи проникают в заготовку. В простейшем случае сплошного круглого стержня индуцированный ток экспоненциально уменьшается от поверхности. Глубина проникновения, на которой будет сконцентрировано 86% мощности, может быть получена как , где - глубина в метрах, - удельное сопротивление заготовки в ом-метрах, - безразмерная относительная магнитная проницаемость заготовки, а - частота переменного поля в Гц. Переменное поле можно рассчитать по формуле . [6] Эквивалентное сопротивление заготовки и, следовательно, эффективность являются функцией диаметра заготовки на опорной глубине , быстро увеличиваясь примерно до . [7] Поскольку диаметр заготовки фиксирован приложением, значение определяется опорной глубиной. Уменьшение опорной глубины требует увеличения частоты. Поскольку стоимость индукционных источников питания увеличивается с частотой, источники часто оптимизируются для достижения критической частоты, при которой . При работе ниже критической частоты эффективность нагрева снижается, поскольку вихревые токи с обеих сторон заготовки сталкиваются друг с другом и нейтрализуют друг друга. Увеличение частоты за пределами критической частоты создает минимальное дальнейшее улучшение эффективности нагрева, хотя оно используется в приложениях, которые стремятся термически обработать только поверхность заготовки.
Относительная глубина меняется с температурой, поскольку удельное сопротивление и проницаемость меняются с температурой. Для стали относительная проницаемость падает до 1 выше температуры Кюри . Таким образом, опорная глубина может меняться с температурой в 2–3 раза для немагнитных проводников и в 20 раз для магнитных сталей. [8]
Магнитные материалы улучшают процесс индукционного нагрева из-за гистерезиса . Материалы с высокой проницаемостью (100–500) легче нагревать индукционным нагревом. Гистерезисный нагрев происходит ниже температуры Кюри, где материалы сохраняют свои магнитные свойства. Высокая проницаемость ниже температуры Кюри в заготовке полезна. Разница температур, масса и удельная теплоемкость влияют на нагрев заготовки.
Передача энергии индукционного нагрева зависит от расстояния между катушкой и заготовкой. Потери энергии происходят за счет теплопроводности от заготовки к приспособлению, естественной конвекции и теплового излучения .
Индукционная катушка обычно изготавливается из медной трубки и жидкого хладагента . Диаметр, форма и количество витков влияют на эффективность и картину поля.
Печь состоит из круглого пода, который содержит расплавляемую шихту в форме кольца. Металлическое кольцо имеет большой диаметр и магнитно связано с электрической обмоткой, питаемой источником переменного тока. По сути, это трансформатор, в котором нагреваемая шихта образует одновитковую короткозамкнутую вторичную обмотку и магнитно связана с первичной обмоткой посредством железного сердечника.
