Электромагнитная индукция для плавки, нагрева и сварки в различных отраслях промышленности. Но что такое индукция? И чем он отличается от других методов нагрева?
Индукция - это увлекательный метод нагрева. Наблюдение за тем, как металл в катушке становится вишнево-красным за считанные секунды, может удивить тех, кто не знаком с индукционным нагревом. Оборудование для индукционного нагрева требует понимания физики, электромагнетизма, силовой электроники и управления технологическими процессами, но основные понятия, лежащие в основе индукционного нагрева, просты для понимания.
Основы
Открытие принадлежит Майклу Фарадею. При протекании тока через катушку создается магнитное поле внутри и вокруг катушки. Способность магнитного поля выполнять работу зависит от конструкции катушки, а также от количества тока, протекающего через катушку.
Направление магнитного поля зависит от направления потока тока, поэтому переменный ток через катушку приведет к изменению магнитного поля в направлении с той же скоростью, что и частота переменного тока. Переменный ток 60 Гц заставит магнитное поле менять направление 60 раз в секунду. Переменный ток 400 кГц заставляет магнитное поле переключаться 400 000 раз в секунду.
Когда проводящий материал, заготовка, помещается в изменяющееся магнитное поле (например, поле, генерируемое переменным током), в заготовке индуцируется напряжение (Закон Фарадея). Индуцированное напряжение приведет к потоку электронов: ток! Ток, протекающий через заготовку, будет идти в противоположном направлении, как ток в катушке. Это означает, что мы можем управлять частотой тока в заготовке, управляя частотой тока в катушке.
Поскольку ток протекает через "усилие", будет некоторое сопротивление движению электронов. Это сопротивление проявляется как тепло (Эффект Джоулевого нагрева). Материалы, которые более устойчивы к потоку электронов, будут выделять больше тепла при протекании через них тока, но, безусловно, можно нагревать высокопроводящие материалы (например, медь) с помощью индуцированного тока. Это явление имеет решающее значение для индуктивного нагрева.
Что нам нужно для индукционного нагрева?
Все это говорит нам о том, что для индукционного нагрева нам нужны две основные вещи:
- Изменяющееся магнитное поле
- Электропроводящий материал помещенный в магнитное поле
Как индукционный нагрев сравнивается с другими методами нагрева?
Диаграмма для представления традиционного теплового потока
Существует несколько способов нагрева объекта без индукции. Некоторые из наиболее распространенных промышленных практик включают газовые печи, электрические печи и соляные ванны. Все эти методы основаны на передаче тепла к продукту от источника тепла (горелки, нагревательного элемента, жидкой соли) через конвекцию и излучение. Как только поверхность продукта нагревается, тепло передается через продукт с теплопроводностью.
Индукционно нагретые изделия не полагаются на конвекцию и излучение для доставки тепла к поверхности изделия. Вместо этого тепло генерируется на поверхности изделия потоком тока. Тепло от поверхности изделия затем передается через изделие с помощью теплопроводности. Глубина, на которую тепло генерируется непосредственно с помощью индуцированного тока, зависит от так называемой электрической опорной глубины.
Электрическая опорная глубина сильно зависит от частоты переменного тока, протекающего через заготовку. Более высокочастотный ток приведет к более мелкой электрической опорной глубине, а более низкочастотный ток приведет к более глубокой электрической опорной глубине. Эта глубина также зависит от электрических и магнитных свойств заготовки.
Индукционная выплавка
Для многих процессов плавка является первым шагом в производстве полезного продукта, является быстрой и эффективной.
Основным преимуществом, присущим индукционной плавке, является индуктивное перемешивание. В индукционной печи металлический шихтовый материал плавится или нагревается током, генерируемым электромагнитным полем. Когда металл становится расплавленным, это поле также заставляет ванну двигаться. Это называется индуктивным перемешиванием. Это постоянное движение естественным образом перемешивает ванну, образуя более однородную смесь, и способствует легированию. Количество перемешивания определяется размером печи, мощностью, вложенной в металл, частотой электромагнитного поля и типом/количеством металла в печи. Количество индуктивного перемешивания в любой данной печи может быть изменено для специальных применений, если это необходимо.
Индукционная Вакуумная Плавка
Поскольку индукционный нагрев осуществляется с помощью магнитного поля, заготовка (или груз) может быть физически изолирована от индукционной катушки огнеупорной или какой-либо другой непроводящей средой. Магнитное поле пройдет через этот материал, чтобы вызвать напряжение в нагрузке, содержащейся внутри. Это означает, что груз или заготовка могут нагреваться под вакуумом или в тщательно контролируемой атмосфере. Это позволяет обрабатывать реакционноспособные металлы (Ti, Al), специальные сплавы, кремний, графит и другие чувствительные проводящие материалы.
Индукционный Нагрев
В отличие от некоторых методов сжигания, индукционный нагрев точно контролируется независимо от размера партии. Изменение тока, напряжения и частоты через индукционную катушку приводит к тонко настроенному технологическому нагреву, идеально подходящему для точных применений, таких как закалка корпуса, закалка и отпуск, отжиг и другие формы термообработки. Высокий уровень точности необходим для критических применений, таких как автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность, волоконная оптика, склеивание боеприпасов, упрочнение проволоки и отпуск пружинной проволоки. Индукционный нагрев хорошо подходит для специальных металлических применений, включающих титан, драгоценные металлы и передовые композиты. Точное управление нагревом, доступное с помощью индукции, не имеет себе равных. Кроме того, используя те же основы нагрева, что и вакуумный тигельный нагрев, индукционный нагрев можно проводить в атмосфере для непрерывного применения. Например, яркий отжиг труб и труб из нержавеющей стали.
Высокочастотная индукционная сварка
Когда индукция подается с помощью высокочастотного (ВЧ) тока, возможна даже сварка. В этом приложении очень мелкие электрические опорные глубины, которые могут быть достигнуты с помощью высокочастотного тока. В этом случае полоса металла формируется непрерывно, а затем проходит через набор точно спроектированных валков, единственной целью которых является соединение краев сформированной полосы и создание сварного шва. Непосредственно перед тем, как сформированная полоса достигает набора валков, она проходит через индукционную катушку. В этом случае ток течет вниз по геометрическому “vee”, созданному краями полосы, а не только вокруг внешней стороны образованного канала. По мере того как ток течет по краям полосы, они нагреваются до подходящей температуры сварки (ниже температуры плавления материала). Когда края прижимаются друг к другу, весь мусор, оксиды и другие примеси вытесняются, что приводит к твердотельному кузнечному сварному шву.
будущее
С наступлением эпохи высокоинженерных материалов, альтернативных источников энергии и необходимости расширения возможностей развивающихся стран уникальные возможности индукции предлагают инженерам и проектировщикам будущего быстрый, эффективный и точный метод нагрева.