1

NAGRZEWANIE INDUKCYJNE Nagrzewanie indukcyjne jest to nagrzewanie elektryczne polegające na ge-neracji ciepła przy przepływie prądów wirowych wywołanych zjawiskiem indukcji elektromagnetycznej w elementach sprzęŜonych magnetycznie.

Rys. 6.1. Piec indukcyjny Kjellina ilustrujący zasadę nagrzewania induk-

cyjnego 1 — wzbudnik, 2 — ciekły metal, 3 — rdzeń, 4 — pierścieniowa rynna ceramiczna, 5 — pokrywa

Moc czynna zamieniana na ciepło

dVE2

1-dVEP 2

m

V V

2 γγ∫ ∫==

a po uwzględnieniu prawa Ohma

EJ γ= lub mm EJ γ=

∫∫∫ ===V

V2

V

2m

V

dVpdVJ1

dVJ2

1P

γγ

gdzie Vp - gęstość objętościowa mocy wydzielanej w ośrodku, np. w nagrze-wanym wsadzie - jest określona wzorem

2V J

1p

γ=

i jest poszukiwaną wielkością wchodzącą do równania Fouriera-Kirchhoffa, którego rozwiązanie umoŜliwia znalezienie pola temperatury.

2

Równanie to w wersji uproszczonej ma postać:

tcc

pt V 2222∇∇∇∇ρλ

ρτ+=

∂∂

Przy czym iloczyn ciepła właściwego i gęstości wsadu cρ decyduje o zdolno-ści do gromadzenia ciepła, t jest temperaturą wsadu i zaleŜy od współrzęd-nych geometrycznych oraz czasu τ. Indukcyjny układ grzejny tworz ą następujące elementy: - wzbudnik, czyli odpowiednio ukształtowany przewodnik lub zespół prze-

wodników zasilany ze źródła pola elektromagnetycznego (odpowiednik pierwotnego uzwojenia w transformatorze,

- poddawany nagrzewaniu wsad (uzwojenie wtórne), - ewentualne wyposaŜenia słuŜące polepszeniu sprzęŜenia magnetycznego

wzbudnika ze wsadem (magnetowody – rdzenie lub boczniki magne-tyczne, koncentratory).

Magnetowody są stosowane zwłaszcza przy małych częstotliwościach

i trasują drogę strumienia magnetycznego. Boczniki magnetyczne to rdze-nie otwarte umieszczone w stosunku do wzbudnika i wsadu w sposób zmniejszający strumień rozproszenia. Koncentratory słuŜą do kierowania strumienia magnetycznego na określony fragment powierzchni wsadu przy jego lokalnym nagrzewaniu. Schematy trzech układów z magnetowodami są pokazane na rys. 6.4b, d, f.

Rys. 6.4. Podstawowe konfiguracje indukcyjnych układów grzejnych: a) wsad we wnętrzu wzbudnika;

b) wsad we wnętrzu wzbudnika z bocznikami magnetycznymi; c) wsad na zewnątrz wzbudnika; d) wsad na zewnątrz wzbudnika z rdzeniem zamkniętym; e) wsad poza wzbudnikiem; f) wsad poza wzbudnikiem, z rdzeniem ze szczeliną l - wzbudnik, 2 - wsad, 3 - magnetowód

3

Rys. 6.5. Przykłady indukcyjnych układów grzejnych: a) i b) z polem po-

dłuŜnym; c) z polem poprzecznym 1 - wzbudnik, 2 - wsad, 3 – magnetowód Jedną z podstawowych wielkości charakteryzujących nagrzewanie induk-cyjne jest głębokość wnikania. Przy padaniu fali płaskiej na półprzestrzeń przewodzącą (przypadek, w którym nie następuje odbicie fali od po-wierzchni wsadu przeciwległej do tej, przez która fala wnika wielkość na zdefiniowana jest następująco:

222 γµγωµ

δ2r2 f

1503,29

2 ==

gdzie: f2104 r-7

r πωµπµµµ =⋅== ,2202 ( r2µ - przenikalność magne-tyczna względna).

W odległości 2x δ= od powierzchni wnikania fali do odbiornika (wsadu)

amplitudy 2m2m2m JEH ,, maleją e-razy. Oznacza to, Ŝe głębokość wnika-nia fali harmonicznej moŜna zdefiniować jako taką odległość od po-wierzchni wnikania, w której zarówno amplitudy jak i wartości skuteczne natęŜenia pola magnetycznego, elektrycznego oraz gęstości prądu maleją do 0,368 wartości maksymalnej występującej na powierzchni wnikania fali (rys. 6.7).

4

Rys. 6.7. Rozkład podstawowych wielkości elektromagnetycznych w pół-

przestrzeni przewodzącej przy padaniu na jej powierzchnię fali pła-skiej w odniesieniu do wartości maksymalnych (tzn. dla x = 0); ob-szar zakreskowany oznacza, Ŝe identyczną moc grzejną jak w ukła-dzie rzeczywistym moŜna uzyskać przy przepływie prądu o stałej gę-

stości 2HJ 2m2m /= w warstwie o grubości 2δ ;

2mH i 2mE - amplitudy natęŜenia pola magnetycznego i elektrycz-

nego, 2mJ - amplituda gęstości prądu, 2Vp - gęstość objętościowa

mocy czynnej, 2x/δ - współrzędna względna (odniesiona do głęboko-

ści wnikania 2δ ) Częstotliwość tych prądów we wsadzie jest oczywiście taka sama jak często-tliwość fali wnikaj ącej, inna jest natomiast jej długość. Przy częstotliwości zmian fali f = 50 Hz jej długość w powietrzu =3λ 6000 km natomiast po

wnikni ęciu do metalu zmniejsza się do wartości 22πδλ =2 . Na przykład

dla Cu w temperaturze 20°C, przy f = 50 Hz, ≈1λ 6,3 cm.

Urządzenia indukcyjne i ich zastosowania

Często stosowanym kryterium wyróŜniającym te urządzenia jest częstotli-wość. Na jego podstawie wyróŜnia się urządzenia częstotliwości zmniejszo-nej w stosunku do częstotliwości sieciowej, przy czym dolną granicą jest na ogół wartość 16 2/3 Hz, urządzenia częstotliwości sieciowej (50 lub 60 Hz), zwiększonej (50 Hz ≤< f l0 kHz) i wielkiej (10 kHz ≤< f 27,12 MHz).

5

Źródła zasilania

Przy tak szerokim (jak wyŜej podany) zakresie częstotliwości istnieje ko-nieczność stosowania bardzo zróŜnicowanych źródeł zasilania zwłaszcza, Ŝe ich moce jednostkowe wynoszą od kilku watów do kilkudziesięciu megawa-tów i nie ma przeszkód by obszar ten rozszerzyć. Jeśli przyj ąć za podstawę podziału źródeł zasilania zasadę ich działania (ro-zumianą bardzo ogólnie), wyróŜnić moŜna: przemienniki statyczne budo-wane z wykorzystaniem tyrystorów bądź tranzystorów, generatory lam-powe i tranzystorowe, generatory maszynowe, przekształtniki transforma-torowe i magnetyczne mnoŜniki częstotliwości.

Przy pracy z częstotliwościami mniejszymi niŜ 50 Hz stosuje się tyrystorowe przemienniki statyczne. Są one stosowane rzadko, poniewaŜ częstotliwość 50 Hz jest z reguły wartością wystarczająco małą by zrealizować proces przy dobrej sprawności. Jeśli istnieje taka potrzeba to zwykle wybiera się f = 16 2/3 Hz.

Urządzenia o częstotliwości roboczej 50 Hz bardzo rzadko zasila się wprost z sieci. Wynika to z potrzeby regulacji wielkości elektrycznych znamionują-cych urządzenie (moc, napięcie, prąd), często takŜe z konieczności przyłą-czenia odbiorników jednofazowych do sieci trójfazowej. Elementami po-średniczącymi między siecią i piecem względnie nagrzewnicą są róŜne ro-dzaje transformatorów regulowanych (z odczepami, autotransformatory, regulatory indukcyjne, transduktory). Przy wi ększych mocach stosuje się kaskadę transformator obniŜający - transformator regulacyjny. W uŜyciu są teŜ tyrystorowe regulatory prądu zmiennego.

W obszarze częstotliwości 150 ÷ 450 Hz są stosowane magnetyczne mnoŜ-niki częstotliwości pozwalające na zwielokrotnienie częstotliwości sieciowej 2 ÷ 35 razy, a takŜe niecałkowitą liczbę razy. Spotyka się układy hybrydowe magnetyczno - półprzewodnikowe. W technice nagrzewania indukcyjnego konkurencyjne są jednak mnoŜniki pracuj ące przy 3 ÷ 9 krotnym zwielo-krotnieniu częstotliwości sieciowej. Ich moce sięgają 7 MW przy sprawności 95%.

Częstotliwości większe niŜ 150 Hz mogą być osiągane jeszcze dwoma innymi sposobami. Pierwszy z nich polega na uŜyciu przetwornic maszynowych, przy czym ich częstotliwości maksymalne nie są większe niŜ 10 kHz. Drugi sposób generacji częstotliwości większych niŜ 150 Hz odbywa się przy uŜy-ciu przekształtników tyrystorowych. Tyrystory konwencjonalne umoŜli-wiają uzyskiwanie częstotliwości do 10 kHz. Tyrystory specjalizowane (w tym elektrostatyczne SITh), a takŜe pracujące w tzw. układach sekwencyj-nych – do ok. 200 kHz.

6

Znacznie szerszy zakres częstotliwości moŜliwy jest do uzyskania przy uŜy-ciu przemienników tranzystorowych (4÷1000 kHz). Są one budowane głów-nie przy wykorzystaniu tranzystorów unipolarnych o strukturze wieloemi-terowej MOSFET ( ≤f 600 kHz), tranzystorów bipolarnych z izolowaną bramką IGBT ( ≤f 150 kHz) oraz tranzystorów elektrostatycznych SIT ( ≤f l MHz).

Lampowe generatory mocy pokrywają najszersze pasmo częstotliwości wy-korzystywanych w urządzeniach indukcyjnych (4 kHz ÷27 MHz), przy mo-cach przekraczających l MW. Ze względu na ich znacznie mniejszą spraw-ność w porównaniu z przemiennikami półprzewodnikowymi nie moŜna wy-kluczyć faktu, Ŝe będą one systematycznie traciły na znaczeniu.

Buduje się takŜe generatory tranzystorowe o mocach nie przekraczających kilku kilowatów i cz ęstotliwościach wykorzystywanych zwykle w technice nagrzewania pojemnościowego, np. 27,12 MHz.

Rys. 6.54. Schemat obwodów głównych przemiennika częstotliwości z tran-zystorami MOSFET

1 - transformator zasilający, 2 - wyłącznik główny, 3 – dławik, 4 - tranzystory falownika, 5 - kondensatory obwodu rezonansowego,

6 - transformator dopasowujący, 7 - wzbudnik

7

Rys. 6.56. Lampowy generator mocy w układzie równoległym Meissnera 1 i 2 - dławiki i kondensatory filtra przeciwzakłóceniowego, 3 - sterownik tyrystorowy, 4 - transformator podwyŜszający, 5 - prostownik. 6 - filtr dolnoprzepustowy, 7 - lampa genera-cyjna, 8 - obwód drgający, 9 - transformator dopasowujący, 10 - wzbudnik

Nagrzewnice indukcyjne

Nagrzewnice indukcyjne w obróbce plastycznej. Jedną z wielu grup procesów technologicznych, w których urządzenia in-dukcyjne znalazły liczne zastosowania jest obróbka plastyczna metali i to zarówno Ŝelaznych, jak i nieŜelaznych. Chodzi tu o nagrzewanie wlewków, prętów, blach, rur w procesach kucia, tłoczenia, wyciskania, walcowania, ciągnienia. W procesach tych podstawowym wymaganiem jest maksymalne wyrównanie temperatury wsadu, co sprawia, Ŝe najczęściej korzysta się ze źródeł o częstotliwości zmniejszonej, sieciowej lub zwiększonej, czyli nie przekraczającej 10 kHz. Tylko przy nagrzewaniu wsadów o niewielkiej średnicy lub grubości z metali nieŜelaznych dobrze przewodzących, korzy-sta się z wielkiej częstotliwości. Całkowite czasy nagrzewania mogą być w tych procesach stosunkowo długie, co przyczynia się do ujednorodnienia pola temperatury we wsadzie lub tej jego części, która poddawana jest ob-róbce plastycznej. Stąd teŜ nagrzewnice stosowane w tych procesach na-zywa się skrośnymi zaś sama technikę - nagrzewaniem skrośnym.

8

Rys. 6.57. Schemat urządzenia indukcyjnego z nagrzewnicą skrośną.

1 – prostownik, 2 - przemiennik częstotliwości, 3 - wzbudnik z baterią kondensatorów, 4 – wsad, 5 - odcięty kęs, 6 – pirometr, 7 - urządzenie do cięcia, 8 - rolka transportowa, 9 - napęd wsadu, 10 - podajnik rolkowy, 11 - magazyn wsadu

Rys. 6.58. Sprawność nagrzewnicy indukcyjnej skrośnej. ηe – sprawność elektryczna układu wzbudnik – wsad, ηc - sprawność cieplna nagrzewnicy, ηelt – sprawność elektrotermiczna nagrzewnicy

9

Tablica 6.1. Optymalne częstotliwości przy nagrzewaniu wsadów cylindrycznych z metali kolorowych.

Częstotliwość

robocza f

Optymalny zakres średnic wsadu mosiądz w temp. 800°C

miedź w temp. 850°C. aluminium

i jego stopy w temp. 500°C

Hz mm mm 50 500 2000 5000 10000

450 ·103 1000·103

≥110.0 37.0÷440 18.0÷210 11.0÷130 9.0÷100 1.0÷15 0.8÷12

≥52.00 16.00÷820 8.00÷410 5.00÷260 3.50÷180 0.50÷26 0.35÷18

Rys. 6.65.Typy wzbudników (strzałki oznaczają kierunek przesuwu wsadu).

a) z poosiowym przesuwem wsadu; b) z poosiowym podawaniem. odbiorem oraz poprzecznym przesuwem wsadu podczas nagrze-wania; c) z poprzecznym przesuwem wsadu; d) z poprzecznym przesuwem wsadu podczas nagrzewania końcówek wsadu

10

Rys. 6.66. Wzbudniki z magnetowodami: a) z bocznikami magnetycznymi

do nagrzewania wsadów masywnych w polu podłuŜnym. b) z rdze-niem otwartym do nagrzewania krawędzi taśm i blach w polu po-rzecznym. c) z rdzeniem ze szczeliną do nagrzewania blach i taśm

w polu poprzecznym 1 - magnetowód. 2 - wzbudnik. 3 — wsad

Nagrzewnice indukcyjne w obróbce cieplnej

Nagrzewnice indukcyjne w procesach obróbki cieplnej stosowane są głów-nie do hartowania, odpuszczania, ulepszania cieplnego oraz wyŜarzania. Wszystkie te procesy mają na celu polepszenie właściwości materiałów.

Rys. 6.70. Przykłady metod hartowania indukcyjnego 1 – wzbudnik, 2 - hartowana warstwa wsadu, 3 – wsad, 4 – natryskiwacz, s – skok, p – przesuw, n - kierunek obrotów, v - kierunek ruchu

11

Rys. 6.72. Wzbudniki do nagrzewania powierzchni cylindrycznych i płaskich

Rys. 6.71. ZaleŜność gęstości powierzchniowej mocy czynnej od głębokości

hartowania przy róŜnych częstotliwościach, temperaturach po-wierzchni wsadu oraz czasach nagrzewania

12

Nagrzewnice indukcyjne w procesach lutowania, zgrzewania oraz innych technikach

Częstotliwość zasilania wzbudników przeznaczonych do lutowania elemen-tów masywnych o obszernej strefie lutowania - 2 ÷10 kHz. Przy łączeniu niewielkich elementów o małych strefach lutowania stosuje się częstotliwo-ści o wartościach 0,25 ÷ 3,39 MHz . W zaleŜności od wymiarów elementów lutowanych, niezbędne moce nagrzewnic zawierają się w przedziale 0,5 ÷ 5,0 kW przy lutach miękkich i w przedziale 3÷30 kW przy lutach twardych.

Rys. 6.74. Rozmieszczenie wzbudników i lutów przy lutowaniu róŜnych elementów metodą spoczynkową:

a), b), c) wzbudnik pierścieniowy jednozwojowy z przylutowaną rurk ą z wodą chłodzącą; d), e), f) wzbudnik z chłodzeniem bezpośrednim 1,2- elementy lutowane; 3 - lut; 4 - wzbudnik

Rys. 6.75. Zgrzewanie indukcyjne (spawanie) ciągłe rur 1 - rura, 2 - walce dociskowe, 3 — wzbudnik, 4 - tory pr ądów, 5 - miejsce

zgrzewania (spawania)

13

Piece indukcyjne kanałowe Rozwiązania konstrukcyjne pieców kanałowych mają cechy zbieŜne z trans-formatorami. Elektryczny obwód pierwotny pieca tworzy jeden lub kilka wzbudników, obwód wtórny - nagrzewany metal znajdujący się w jednym lub kilku kanałach wykonanych z ceramicznego materiału ogniotrwałego oraz w zbiorniku wyłoŜonym takŜe materiałem ogniotrwałym.

Rys. 6.78. Piec indukcyjny kanałowy

1 - zbiornik pieca, 2 - wyłoŜenie ogniotrwałe zbiornika, 3 - wzbudnik, 4 - obudowa modułu indukcyjnego, 5 - osłona wzbudnika, 6 - wyłoŜenie ogniotrwałe kanału, 7 - kanał, 8 - rdzeń, 9 - izolacja cieplna

Pole przepływu metalu w kanale ma złoŜony charakter i zwłaszcza w mo-dułach indukcyjnych duŜej mocy (1÷6 MW). Rozwiązaniem poŜądanym jest zapewnienie tzw. przepływu tranzytowego o wartości 1÷3 m/s, zaleŜ-nego od rodzaju nagrzewanego metalu.

14

Piece indukcyjne kanałowe są jednostkami o bardzo zróŜnicowanych pa-rametrach. Do przegrzewania Ŝeliwa buduje się piece o maksymalnych po-jemnościach 1650 Mg i mocach 15 MW. Maksymalne pojemności pieców do topienia są przewaŜnie mniejsze przy większych mocach jednostkowych. Są to jednak wartości rzędu kilkudziesięciu megagramów, a w przypadku Ŝe-liwa - 125 Mg, przy mocach rzędu kilku megawatów - dla największych jednostek do topienia stopów Ŝelaza. Piece indukcyjne kanałowe przeznaczone są do topienia (piece topielne), do podgrzewania i korekty składu chemicznego, do przetrzymywania w stanie nagrzanym oraz do dozowania ciekłych metali nieŜelaznych i Ŝelaznych.

Piece indukcyjne tyglowe Zasady działania pieców indukcyjnych tyglowych (eksploatowanych przy częstotliwości sieciowej, zwiększonej oraz wielkiej) są zbliŜone do zasad odnoszących się do nagrzewnic indukcyjnych nieprzelotowych do wsadów cylindrycznych.

Rys. 6.82. Piec indukcyjny tyglowy

1 - izolacja cieplna, 2 - wyłoŜenie ogniotrwałe, 3 - menisk kąpieli metalowej, 4 - wzbudnik, 5 - linie przepływu metalu w tyglu, 6 - lej spustowy

15

Zastosowania. Piece tyglowe stosowane są głównie do topienia, podgrzewa-nia, korekty składu i przetrzymywanie metali Ŝelaznych i nieŜelaznych. Rzadziej uŜywa się ich do topienia niemetali, np. szkła i to przewaŜnie przy uŜyciu tygli przewodzących, w których topi się takŜe metale szlachetne i magnez. Tablica 6.5. Wielkości charakteryzujące przemysłowe piece indukcyjne

tyglowe do topienia metali1) Rodzaj

topionego metalu

Maksymalna temperatura

wsadu 0C

Pojemność Tygla

Mg

Moc znamionowa

pieca kW

Przelotność

Mg/h

ZuŜycie właściwe Energii

kW·h/Mg

Stal śeliwo Miedź

Mosiądz (60% Cu)

Aluminium

1600 1500 1200 1000 750

0.5÷150 0.5÷60 0.5÷70 0.5÷70 0.2÷25

90÷40000 90÷20000 150÷12000 150÷12000 80÷6000

0.1÷70 0.1÷35 0.3÷30 0.5÷40 0.1÷12

650÷550 600÷520 500÷340 320÷240 650÷480

1) Piece przeznaczone wyłącznie do pracy zbiornikowej (podgrzewanie, przetrzymywanie) mają moce wielokrotnie mniejsze niŜ piece do topienia

oraz do pracy uniwersalnej.

16

Urządzenia do indukcyjnego topienia beztyglowego

Rys. 6.90. Przykłady urządzeń do indukcyjnego topienia beztyglowego: a) topienie lewitacyjne (wzbudnik dwuczęściowy i jego połącze-

nie); przetapianie strefowe; c) wyciąganie monokryształów Przy wyciąganiu monokryształów (głównie materiałów półprzewodniko-wych o średnicach do 150 mm) metodą Czochralskiego (rys. 6.90c), wzbud-niki są zasilane ze źródeł wielkiej częstotliwości (1,5 ÷3,0 MHz) przy mo-cach do 100 kW.