Индукционный нагрев - Induction heating

Эта статья про индукционный нагрев. Не следует путать с Джоулевое нагревание.

Компонент Радиоизотопный генератор Стирлинга нагревается за счет индукции во время испытаний

Индукционный нагрев представляет собой процесс нагрева электропроводящего объекта (обычно металла) посредством электромагнитная индукция, за счет тепла, выделяемого в объекте вихревые токи. Индукционный нагреватель состоит из электромагнит и электронный генератор который проходит высокочастотный переменный ток (AC) через электромагнит. Быстро меняющиеся магнитное поле проникает в объект, генерируя электрические токи внутри проводника, называемые вихревыми токами. Вихревые токи, протекающие через сопротивление материала нагревают его Джоулевое нагревание. В ферромагнитный (и ферримагнитный ) материалов, таких как железо, тепло может также генерироваться гистерезис убытки. В частота Используемый ток 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, когда загрязнение является проблемой. Индукционный нагрев используется во многих промышленных процессах, таких как термообработка в металлургия, Рост кристаллов Чохральского и зона очистки используется в полупроводниковой промышленности и для плавления тугоплавкие металлы которые требуют очень высоких температур. Он также используется в индукционных плитах для нагрева емкостей с едой; это называется индукционное приготовление.

Приложения

Индукционный нагрев металлического стержня 25 мм мощностью 15 кВт при 450 кГц.

Плавление кремния в тигле при 2650 ° F (1450 ° C) для Чохральский рост кристаллов, 1956 г.

Индукционный нагрев позволяет целенаправленно нагревать применимый элемент для таких применений, как поверхностная закалка, плавление, пайка и пайка и 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, и магнитный гистерезис может встречаться в любом магнитном материале. Индукционный нагрев использовался для нагрева жидких проводников (например, расплавленных металлов), а также газовых проводников (например, газовой плазмы - см. Индукционная плазменная технология ). 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 услуг Индукционный нагрев (50/60 Гц) используется во многих недорогих промышленных приложениях, как инверторы не требуются.

Печь

An 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 состоит из трубы из медных колец с водяным охлаждением, окружающих емкость с огнеупорный материал. Индукционные печи используются в большинстве современных литейных производств как более чистый метод плавления металлов, чем отражательная печь или купол. Размеры варьируются от килограмма вместимости до ста тонн. Индукционные печи во время работы часто издают пронзительный вой или гул, 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

Основная статья: Индукционная сварка

Аналогичный, менее масштабный процесс используется для индукционной сварки. Пластмассы также могут свариваться индукционной сваркой, 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 передаваться в трубку щетками, но результат остается тем же: ток течет по открытому шву, нагревая его.

Производство

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 большая эффективность использования энергии и материалов, а также более высокая степень безопасности по сравнению с другими методами аддитивного производства, такими как селективное лазерное спекание, которые передают тепло материалу с помощью мощного лазера или электронного луча.

Готовка

Основная статья: Индукционная готовка

При приготовлении на индукционной плите катушка внутри варочной панели нагревает железное дно 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 алюминий сковороды вообще не подходят. Благодаря индукции тепло, вызванное основанием, передается находящейся внутри пище за счет теплопроводности.^[1]

Пайка

Основная статья: Индукционная пайка

Индукционная пайка часто используется при больших объемах производства. Он дает однородные результаты и очень повторяемый. Индукционная пайка используется во многих типах промышленного оборудования. Например, индукционная пайка используется для припаивания карбида к валу.

Уплотнение

Основная статья: Индукционное уплотнение

Индукционный нагрев используется в крышка уплотнения тары в пищевой и фармацевтической промышленности. Слой алюминиевой фольги помещается на отверстие бутылки или банки и нагревается индукцией, чтобы сплавить его с контейнером. Это обеспечивает защиту от несанкционированного доступа, так как изменение содержимого требует разрыва фольги.^[2]

Отопление по размеру

Основная статья: Индукционная термоусадочная муфта

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

Основная статья: Термическая обработка

Индукционный нагрев часто используется при термической обработке металлических изделий. Наиболее распространенные приложения: индукционная закалка стальных деталей, индукция пайка / пайка как средство соединения металлических деталей и индукции отжиг выборочно размягчить участок стальной детали.

Индукционный нагрев может обеспечивать высокую плотность мощности, которая позволяет за короткое время взаимодействия достичь требуемой температуры. Это обеспечивает жесткий контроль за схемой нагрева, при этом узор довольно 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

Индукционный нагрев используется в пластике термопластавтоматы. Индукционный нагрев повышает энергоэффективность процессов литья под давлением и экструзии. Тепло генерируется непосредственно в корпусе 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

Индукционный нагрев используется для получения biochar при пиролизе биомассы. Тепло непосредственно выделяется в стенках шейкерного реактора, что обеспечивает пиролиз биомассы с хорошим перемешиванием и контролем температуры.^[4]

подробности

Базовая установка - это источник питания переменного тока, обеспечивающий электричество с низким Напряжение но очень большой ток и высокая частота. Заготовка для нагрева помещается в воздушная катушка управляемый источником питания, обычно в сочетании с резонансным бак конденсатор для увеличения реактивной мощности. Переменное магнитное поле вызывает 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 токопроводящих слоев может быть получена как ${\displaystyle d=5000{\sqrt {\frac {\rho }{\mu f}}}}$, где ${\displaystyle d}$ глубина в сантиметрах, ${\displaystyle \rho }$ это удельное сопротивление заготовки в Ом-сантиметрах, ${\displaystyle \mu }$ безразмерный относительная магнитная проницаемость заготовки, и ${\displaystyle f}$ - частота переменного тока в Гц. Поле переменного тока можно рассчитать по формуле ${\displaystyle {\frac {1}{T}}}$.^[5] Эквивалентное сопротивление заготовки и, следовательно, эффективность зависят от диаметра заготовки. ${\displaystyle a}$ на контрольной глубине ${\displaystyle d}$, быстро увеличиваясь примерно до ${\displaystyle a/d=4}$.^[6] Поскольку диаметр заготовки фиксируется приложением, значение ${\displaystyle a/d}$ определяется эталонной глубины. Уменьшение контрольной глубины требует увеличения частоты. Поскольку стоимость индукционных источников питания увеличивается с увеличением частоты, их часто оптимизируют для достижения критической частоты, при которой ${\displaystyle a/d=4}$. 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 повышение 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 Температура 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]

Применение частотных диапазонов

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 благодаря гистерезис. Материалы с высоким проницаемость (100–500) легче нагреть с помощью индукционного нагрева. Нагрев гистерезиса 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, естественная конвекция, и тепловое излучение.

Индукционная катушка обычно изготавливается из медных трубок и жидкий хладагент. Диаметр, форма и количество витков влияют на эффективность и структуру поля.

Печь стержневого типа

Печь состоит из круглого пода, в котором находится плавящаяся шихта в виде кольца. Металлическое кольцо имеет большой диаметр и 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 железным сердечником.

использованная литература

1. Валерий Руднев Справочник по индукционному нагревуCRC Press, 2003 г. ISBN  0824708482 стр.92
2. Валерий Руднев Справочник по индукционному нагревуCRC Press, 2003 г. ISBN  0824708482 стр.92
3. Донг-Хви Сон, Хеджу Ём и Кын Пак, Применение высокочастотного индукционного нагрева для высококачественного литья под давлением, в Материалы ежегодной технической конференции по пластмассам, ANTEC 2010, Общество инженеров по пластмассам, 2010
4. 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
5. С. Зинн, С. Л. Семятин Элементы индукционного нагрева ASM International, 1988 г. ISBN  0871703084 стр.15
6. С. Зинн, С. Л. Семятин Элементы индукционного нагрева ASM International, 1988 г. ISBN  0871703084 стр.19
7. С. Зинн, С. Л. Семятин Элементы индукционного нагрева ASM International, 1988 г. 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, Радиочастотный обогрев. 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, Х. В. Самс, 1969. LCCN 76098943
• Сови, Рональд Дж. И Джордж Р. Сейкель, Радиочастотный индукционный 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.