Основные принципы подбора источников питания для индукционного нагрева прутков и проволоки

 

Д.Дж. Вильямс, Г.Дж. Траверс

 

 

Аннотация

Имеет смысл провести обзор индустриальных методов нагрева проволоки и рассмотреть возможные альтернативные технологии этого технологического процесса. Описание специфических особенностей, возникающих при использовании метода индукционного нагрева, позволят читателям осознанно провести более точный выбор индукционного оборудования для нагрева проволоки. В статье приведены примеры и расчеты.

 

Начало производства проволоки в США

 

Приблизительно за последние 220 лет Северная Америка превратилась из маленького потребителя в одного из самых мощных мировых производителей проволоки. Производство проволоки начиналось в Америке как кустарное перед Американской Революцией. Колонисты передали свои знания из Британии в 1770 году. Становление британского промышленного производства проволоки относится к 1560 году, куда оно пришло из Саксонии. Еще ранее, в 1100 году, Теофилус описывал действующую волочильную установку, используемую для уменьшения диаметра железных стержней.

Американское проволочное производство зародилось в Филадельфии в домах колонистов, использующих незакаленную проволоку, импортируемую из Англии. Волочильные установки изготавливались колонистами кустарно. Эти волочильные установки использовались в текстильном производстве при прочесывании и вытяжении одиночных нитей из больших тюков шерсти и хлопка. Эти волочильные установки состояли из параллельно расположенных волочильных плит, скрепленных кожаными соединителями таким образом, что первоначально вытягиваемый массив нитей впоследствии переплетался в пряжу.

Увеличение кустарного производства волочильных установок было вызвано увеличением потребностей в материалах, рожденным Американской революцией. Проволока импортировалась в виде плетей, что позволяло ее резать, гнуть и подвергать последующему волочению вручную. Кроме этого, вырабатывалась проволока малой прочности, что, однако, удовлетворяло нуждам бумажной промышленности. Изготовителям бумаги требовались проволочные сетки различной конфигурации.

Кустарное производство проволоки сводилось только к резанию и изгибу до тех пор, пока не было открыто первое механическое производство проволоки, которое было запущено в 1810 году на берегу реки Schuylkill. Появление первого завода в значительной степени являлось заслугой Оливера Эванса.

Завод начал производство с волочильных установок для нужд текстильной промышленности и проволочных форм для нужд бумажной промышленности в конце 70-ых годов XVIII века и вырос до самого значимого производителя проволоки к 1810 году. Потребности в гвоздях, заклепках, телеграфах, телефонах и заграждениях из колючей проволоки  давали уверенность в том, что это производство будет востребовано, и будет расти и развиваться.

 

Технологические процессы производства проволоки требуют нагрева

 

Многочисленные технологические процессы, проводимые при производстве проволоки, требуют нагрева. Некоторые из процессов нагрева требуются непосредственно при производстве проволоки, в то время как другие предназначены для обеспечения требуемых характеристик проволоки при ее производстве. Часто нагрев используется как для производства, так и для получения требуемых характеристик одновременно. Отжиг, например, осуществляется на определенных операциях между успешным уменьшением диаметра проволоки для поддержания ее мягкости а, затем, повторно, как завершающая операция, при которой проволока приобретает требуемые механические свойства, необходимые при ее применении.

Предварительный нагрев проволоки в случае ее цинкования, требуется для улучшения адгезии и предотвращения нежелательного остывания ванны с расплавленным цинком при прохождении через нее проволоки. Некоторые процессы, как, например, GALFAN (нанесение цинко-алюминиевого покрытия), чаще всего выполняются двойным погружением проволоки и требуют двойного нагрева перед каждым погружением. Цинкование, конечно, осуществляется для предотвращения повреждения поверхности за счет коррозии. Некоторые металлы, такие как титан, должны предварительно нагреваться перед протяжкой для предотвращения растрескивания проволоки.

Отжиг, как уже упоминалось выше, может выполняться при производстве стальной проволоки между двумя протяжками, предназначенными для уменьшения диаметра проводки. Процесс отжига также позволяет снять внутренние напряжения. Независимо от снижения угла контакта и скорости подачи, использования мыльных эмульсий и других приемов, облегчающих процесс волочения, успешное уменьшение диаметра холодной проволоки приводит к появлению внутренних напряжений. Модуль упругости и усталостная прочность также уменьшаются во время холодного волочения проволоки. Внутренние напряжения снимаются или существенно уменьшаются нагревом стали до 500-550 ºC. Лучшая температура для отжига зависит от материала и всегда ниже критической температуры. Отжиг может быть дорог, но должен проводиться для улучшения модуля упругости, предела текучести и снятия напряжений. В таких материалах, как проволока для железобетона, устойчивость к скручиванию также улучшается. Нагрев до температуры отжига также приводит к выжиганию остаточных примесей на поверхности, очищая ее, и улучшая адгезионные свойства. Увеличение напряжения при растяжении проволоки во время повышения температуры при отжиге продолжает улучшение усталостной прочности и обеспечивает улучшение упругих свойств и снятие напряжений.

В большинстве случаев отжиг производится в среде инертного газа, что предотвращает окисление поверхности. Чаще всего в роли инертного газа используется смесь азота и водорода.

Тепловая диффузия – еще один процесс, для которого требуется нагрев. Хорошим примером тепловой диффузии является производство стальной проволоки для каркаса автомобильной шины. После нескольких волочений проволоки и снижения ее диаметра до 0,059 дюйма (1,4986 мм), проволоку нагревают до температуры аустенизации в среде инертного газа, а затем охлаждают в солевой ванне при температуре 1000ºF (540ºС). Покрытие металлом делается при повышенной температуре. Вместо непосредственной металлизации латунью в ванне с цианидом, используется раздельное нанесение слоев меди и цинка с последующей тепловой диффузией. Нагрев для диффузии может быть реализован методом электрического сопротивления, методом индукционного нагрева, методом электролитического нагрева. Непосредственная металлизация латунью может быть затруднена, так как всегда тяжело получить требуемые соотношения меди и цинка. Непосредственная металлизация латунью также требует применения цианидов, в результате чего появляются опасные отходы, утилизация которых связана с большими затратами. В результате, проволока получает более плотное покрытие, удается обойтись без цианидов, и процесс легче проводить, используя двухступенчатое покрытие с последующей термодиффузией.

Закалка выполняется по предварительно напряженному стержню для усиления железобетонной конструкции и для уменьшения текучести. Материал отпускается после закалки. Закалка достигается путем нагрева материала выше температуры аустенизации с последующим быстрым охлаждением. При закалки стали нагрев осуществляется до температуры 950ºС с использованием в качестве рабочей жидкости предварительно охлажденной воды. Полимерные присадки добавляются в охлаждающую жидкость и служат двум целям: снижению скорости охлаждения и замедлению процессов коррозии.

 

Варианты нагрева проволоки

 

Применение электрических печей гораздо дешевле и предпочтительней с точки зрения управления процессом. Как новые, так и уже используемые электрические печи являются очень надежными для процессов, протекающих при температурах меньше 230ºС. Электрические печи ограниченно используются для отпуска. Электрические печи с улучшенной изоляционной системой могут быть использованы для отжига. Хотя электрические печи недороги, они требуют больших производственных площадей и для их разогрева необходимо около часа. Благодаря низкой теплопроводности газа и минимально используемой площади поверхности, требуется относительно большое время для нагрева проволоки до необходимой температуры.

Газовые печи являются наиболее эффективными при различных технологических процессах, связанных с нагревом проволоки. Печи, в которых повторно после других технологических процессов используется нагретый газ, являются наиболее экономичными. При использовании же электрических печей тепло передается от нагретой спирали конвекционным способом. Теплопередача является функцией площади поверхности нагреваемой проволоки и теплопроводности газа, используемого в печи. Так как поверхность нагреваемой проволоки минимальна и газ имеет низкую теплопроводность, процессы нагрева являются медленными и, в ряде случаев, функционирование такой системы неэффективно. Печи работают относительно чисто, выбросами являются только водяной пар, углекислый газ и, собственно, тепло. Печи могут занимать значительные производственные площади, но при этом легко управляются и настраиваются. Печам этого типа для разогрева необходимо время около часа.

Источник инфракрасного цвета может быть очень эффективным в диапазоне невысоких температур нагрева, поскольку не требует времени для разогрева. Уровень нагрева зависит от площади поверхности используемой проволоки. Она может быть мала по отношению к ширине луча каждого инфракрасного источника. Уровень нагрева также является функцией коэффициентов излучения и отражения проволоки. Если нагревается проволока с блестящей, хорошо отражающей поверхностью, то инфракрасная энергия не поглощается, а отражается и эффективность инфракрасного нагрева мала. Зеркала и изолирующие камеры помогают увеличить эффективность нагрева. Инфракрасные и ультрафиолетовые типы покрытия могут быть скорректированы очень эффективно.

При нагреве провода за счет пропускания через него тока, соотношение «эффективность - затраты» достаточно высоко при незначительных расходах на эксплуатацию. При этом электрический ток, чаще всего промышленной частоты, пропускается непосредственно через проволоку. Количество выделяемого тепла при этом пропорционально произведению величины протекающего тока на квадрат сопротивления нагреваемого проводника, что в результате приводит к быстрому (порядка секунд) нагреву проводника, подключенного к питающим зажимам. Поскольку тепло передается не за счет теплопередачи, процесс высокоэффективен, достигается высокая температура нагрева (550ºС), при этом требуется минимальное количество производственных площадей и не расходуется время на предварительный разогрев. Питающие зажимы, к которым подключается провод, должны конструктивно обеспечивать протекание рабочего тока. Эти зажимы, между которыми прикладывается соответствующее напряжение, обеспечивают протекание нагревающего тока. Когда контакт нарушается, а потом восстанавливается, происходит дугообразование. Дуга образуется между крайними питающими зажимами, напряжение между которыми максимально. Увеличение плотности тока в этих точках из-за дугообразования может привести к перегреву контактных областей. Когда нагрев материала осуществляется до температуры выше критической, может произойти нежелательная закалка проволоки с образованием точечных мартенситовых пятен в контактных областях. Более новый (1988 г., Глен Мур) метод нагрева сопротивлением использует барабан, на котором намотаны проволока или полоса, что увеличивает поверхность токоподвода. Барабан подключается к генератору постоянного тока, так что вся электрическая энергия вводится в проволоку и барабан преобразует ее в тепло. Барабан вращается с переменной скоростью, обеспечивающей  управление температурой.

Расплавленный свинец и солевые ванны  обычно прогреваются с применением газа и эффективны из-за хорошей теплопередачи, которая обеспечивается непосредственным контактом проволоки со свинцом, солью или песчаной средой. Проволока пропускается непосредственно через среду, осуществляющую теплообмен; при этом обеспечивается постоянство температуры нагрева проволоки. При использовании свинца, который является вредным, данная технология может быть достаточно дорогой. Нагревательные ванны, хотя и просты в обслуживании, но могут представлять опасность для обслуживающего персонала и операторов. Время прогрева (также как и время остывания) для этих установок составляет около часа.

Индукционный нагрев является методом неконтактного воздействия, когда проволока или стержень проходит через электромагнитное поле, создаваемое специальной медной катушкой – индуктором. Через катушку пропускается переменный ток повышенной частоты, к ней обеспечивается подвод необходимой мощности для получения эффекта необходимого нагрева. Большая часть тепла обеспечивается наведения в проволоке вихревых токов; некоторая часть тепла выделяется за счет явления гистерезиса. Метод индукционного нагрева не требует времени разогрева, эффективен по скорости нагрева, обеспечивает хорошо повторяемые результаты, не загрязняет производственные помещения и напоминает метод резистивного нагрева, легко встраивается в производственную линию, позволяет исключить необходимость накопления обрабатываемого материала между технологическими операциями. Хотя затраты на индукционный метод выше, чем на резистивный, он является неконтактным и может использоваться в защитной атмосфере для исключения или уменьшения повреждения нагреваемой поверхности за счет отслаивания чешуек.

 

Обзор достоинств и недостатков

 

В таблице 1 приводится информация о целесообразности применения возможных методов нагрева для различных технологических процессов и дается оценка их достоинств и недостатков.

Время прогрева − отрезок времени, необходимый для прогрева технологической установки до её готовности к работе. Оценка «плохо» означает большое время прогрева. Оценка «отлично» означает, что время прогрева не требуется (установка готова к работе сразу после включения).

Эффективность нагрева – способность вводить тепло собственно в нагреваемое тело. Оценка «плохо» означает высокую длительность цикла нагрева. Оценка «отлично» означает быстрый цикл.

Глубина прогрева – способность передавать тепло от поверхности к сердцевине нагреваемого тела. Оценка «плохо» означает невозможность прогрева сердцевины. Оценка «отлично» означает быстрый сквозной прогрев.

Таблица 1. Достоинства и недостатки возможных методов нагрева для различных технологических процессов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Чистота представляет эффект влияние оборудования и технологического процесса на рабочую среду. Оценка «плохо» означает опасную рабочую среду. Оценка «отлично» означает высокую чистоту в производственном помещении.

Термин «синхронизация» является ответом на вопрос: «Способна ли система автономно функционировать в поточной линии как замкнутая ячейка?». Оценка «плохо» означает низкое качество адаптации к работе в производственной линии. Оценка «отлично» означает беспроблемную адаптацию к работе в производственной линии.

Контактность метода: оценка «плохо» означает необходимость контакта нагревателя с нагреваемым телом. Оценка «отлично» означает возможность полного отсутствия контакта.

КПД это эффективность использования энергии, необходимой для нагревания проволоки или стержня. Оценка «плохо» означает низкий КПД. Оценка «отлично» - высокий КПД.

Потребность в производственных площадях – суммарные производственные площади, необходимые для реализации технологического процесса. Оценка «плохо» подразумевает наличие больших тяжелых установок. Оценка «отлично» относится к компактным системам, минимизирующим потребность в производственных площадях.

Стоимость оборудования – капитальные вложения, необходимые для приобретения и ввода в строй оборудования. Оценка «плохо» означает большие вложения. Оценка «отлично» – малые вложения.

Стоимость функционирования – стоимость энергии и обслуживания, требуемых для функционирования системы. Оценка «плохо» означает энергетически неэффективную систему, требующую сложного обслуживания. Оценка «отлично» означает энергетически эффективную систему, требующую простого обслуживания.

Качество – способность стабильно производить продукцию приемлемого качества. Оценка «плохо» означает значительное количество отклонений от эталонного качества при эксплуатации. Оценка «отлично» означает стабильное поддержание эталонных характеристик.

Гибкость – способность адаптировать оборудование к различным технологическим процессам. Оценка «плохо» означает, что система является узко специализированной и способна функционировать в узком диапазоне размеров, веса или других характеристик производимой продукции. Оценка «отлично» означает, что система способна работать в широком диапазоне размеров, веса или других характеристик производимой продукции и легко перестраивается при изменении параметров выпускаемой продукции.

Настройка – оценивает легкость или сложность настройки оборудования. Оценка «плохо» означает, что систему очень трудно настроить. Оценка «отлично» означает легкость настройки системы.

 

Основы индукционного нагрева проволоки и прутков

 

При рассмотрении индукционного нагрева полезно понимание некоторых основных определений и принципов, перечисленных ниже.

Глубина проникновения – это относительная глубина, на которую электрический ток проникает в проводящий материал. Эта глубина определяется удельным сопротивлением материала проволоки, магнитной проницаемостью материала и частотой тока, протекающего через индуктор.

Формула, определяющая относительную глубину проникновения:

или

где:

ρ – удельное электрическое сопротивление, микроом/дюйм;

μ=1 для температур выше критических и немагнитных металлов;

f – частота, Гц.

 

Глубина проникновения изменяется с частотой. Например, если рассматривается нагрев стальной проволоки до температуры 1800ºF (982ºС), то  для начала определяется удельное сопротивление стали, равное приблизительно 48 микроом/дюйм (см. таблицу 2). Поскольку эта температура выше точки Кюри, магнитная проницаемость равна 1. Следовательно, относительная глубина проникновения будет следующей (см. таблицу 3).

 

Таблица 2. Удельные электрические сопротивления (микроом/дюйм)

 

 

 

 

 

 

Таблица 3. Относительная глубина проникновения (дюймы / мм)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глубина проникновения определяет эффективность системы и технологического процесса. Определяется верхняя граница частоты, которая дает минимально допустимую зону нагрева. Определяется частота, ниже которой нагрев проволоки затруднен. Медленный нагрев вызывает большую длину индуктора, что в совокупности требует большего времени нагрева, для того чтобы обеспечить передачу тепла от поверхности провода к сердцевине. Если частота слишком низка для эффективного нагрева проволоки, требуется больше энергии для нагрева, что вызывает увеличение стоимости установки. Существует хорошее правило, в соответствии с которым  отношение диаметра к проволоки к глубине проникновения должно быть 3:1.

Заметим, что глубина закаленного слоя увеличивается с ростом сопротивления и падает с ростом частоты и проницаемости (см. рисунок 1).

Проводимость является способностью материала проводить электрический ток. Она зависит от числа свободных электронов. Материалы, имеющие много свободных электронов, называются проводниками, а материалы, имеющие мало свободных электронов – изоляторами. Удельная электропроводность – величина обратная удельному электрическому сопротивлению и выражается в сименсах (См).

Рисунок 1 – Зависимость глубины проникновения от сопротивления, частоты и проницаемости

 

Температура Кюри – это температура, при которой ферромагнитные материалы теряют магнитные свойства.

Энергия (см. Таблицу 4) определяется способностью тела совершить некоторую работу (мощность за период времени – энергия) и выражается в:

- Британская тепловая единица (Btu) определяется как количество теплоты, необходимое для нагрева 1 фунта воды на 1º Фаренгейта.

- 1 калория (Cal) – определяется как количество теплоты, необходимое для нагрева 1 грамма воды на 1º Цельсия.

- Лошадиная сила в час (HPH) – определяется как количество энергии, полученное при реализации мощности в 1 лошадиную силу в течение 1 часа.

- Джоуль (J) – определяется как количество энергии, необходимое для перемещения тела на 1 метр с приложением силы в 1 ньютон.

- 1 килокалория (KCal) – 1 тысяча калорий.

- Киловатт-час (kWH) – определяется как количество энергии, полученное при реализации мощности в 1 киловатт в течение 1 часа.

 

 

Таблица 4. Перевод единиц энергии из одной системы в другую

 

 

 

 

 

 

 

Частота определяется как количество переходов переменного тока от положительной полуволны к отрицательной (или наоборот)  в секунду. Следовательно, она измеряется в циклах в секунду (cps), но обычно в герцах (Гц). Для процессов индукционного нагрева частота измеряется тысячами герц или килогерцами (кГц).

Оборудование обычно подразделяется на радиочастотное (RF), звуковой частоты (AF) и сетевой частоты (50 или 60 Гц). К радиочастотам относятся частоты от 20 кГц и выше. Звуковые частоты включают частоты до 20 кГц. В последнее время появилось обозначение средних частот (которое стало общепринятым), которое относится к частотам от 1 кГц до 50 кГц.

Ниже перечислены 3 вида оборудования, применяемые в настоящее время в промышленности:

Старейшим является ламповый генератор со штатной рабочей частотой в 100 кГц, который продолжает применяться благодаря тому, что он: прост в эксплуатации, его схема построена по классической схеме электрического генератора, имеется возможность использования индукторов упрощенной конструкции и большой опыт эксплуатации.

Новейшим является полупроводниковый инвертор (в некоторых случаях, может эксплуатироваться на частотах до 850 кГц), который построен с применением таких полупроводниковых устройств, как тиристоры, IGBT- или MOSFET- транзисторы. Полупроводниковый инвертор обеспечивает КПД от 85% до 95%, в то время как КПД лампового генератора достигает только 50%.

Третий тип индукционных источников питания – машинные генераторы. Большинство машинных генераторов может быть заменено на полупроводниковые инверторы.

Существует два основных типа индукционного нагрева, это подразделение определяется рабочими частотами и мощностями: поверхностный нагрев, который требует мощностей с большой плотностью, и сквозной нагрев. Метод сквозного нагрева очень часто используется при нагреве проволоки и стержней. Основной проблемой при этом является выбор самой низкой частоты, при которой функционирование будет эффективным. Чем больше проволоки нагревается за счет индукционного нагрева, а не методом резистивного нагрева, тем выше производительность оборудования.

Например, для нагрева стального стержня диаметром 0,625 дюйма (15,875 мм) до однородной температуры 1400º F (760º С) выбирается частота 10 кГц. Относительная глубина проникновения на 10 килогерцах, составляет 0,206 дюйма (5,2324 мм), что соответствует выше сформулированному правилу 3:1. На 3 кГц относительная глубина проникновения будет 0,3761 дюйма (9,55 мм), что не удовлетворяет правилу 3:1 и приводит к затруднению нагрева стержня. Из таблицы 3 видно, что любая частота выше 10 кГц удовлетворяет этому правилу, но необходимо дополнительное время для передачи тепла к сердцевине проволоки.

Магнитная индукция – это процесс наведения тока в электропроводящем материале с использованием переменного магнитного поля. Результатом этого процесса является нагрев.

Магнитная проницаемость в направлении магнитных силовых линий напоминает явление электропроводности материала при протекании электрического тока. Чем выше проницаемость, тем ниже сопротивление между двумя силовыми линиями. Малое сопротивление между силовыми линиями (и, следовательно, магнитный поток) приводит к их вытеснению на поверхность. Проницаемость определяется как:

 

μ=B/H (Вебер/ампер-метр),

 

где:

 μ – относительная магнитная проницаемость;

 В – плотность потока, Вебер/м2;

 Н – напряженность поля, А*м.

 

 Магнитная проницаемость выражается следующим образом:

 

μ=4π*10-7 Вебер – проницаемость воздуха

 

 Другой способ понимания магнитной проницаемости состоит в следующем: магнитная проницаемость – это число, показывающее отношение количества силовых линий, распространенных в рассматриваемом материале к количеству силовых линий в воздухе. Пять элементов имеют магнитную проницаемость более 1. Три наиболее распространенные из этих пяти элементов, это кобальт (Co), железо (Fe) и никель (Ni). Обычно, магнитная проницаемость уменьшается с ростом температуры и становится равной 1 при достижении точки Кюри.

 Мощность источника питания для индукционного нагрева измеряется в киловаттах и обеспечивает нагрев заданной массы до определенной температуры за заданный период времени. Выходная мощность при статической нагрузке определяется следующим образом:

 

Выходная мощность = [производительность]*[теплоемкость материала],

где

 выходная мощность – киловатт;

 производительность – фунт/час;

 теплоемкость – киловатт-час/фунт.

 

 Например, для нагрева 13,608 фунтов стали за 1 час до температуры 1350º F с учетом того, что теплоемкость стали в этом случае будет приближенно 0,063 кВт*ч/фунт, требуется источник с выходной мощностью 857 кВт. Потребляемая мощность в этом случае определяется как:

 

Потребляемая мощность = Выходная мощность/КПД

 

 Например, если КПД=68%, то требуется потребляемая мощность 1260 кВт.

 Сопротивление – способность препятствовать протеканию электрического тока в проводящем материале, определяемая, среди других параметров, температурой. В таблице 2 приведены приблизительные сопротивления некоторых материалов при некоторых фиксированных температурах. Сопротивление измеряется в Омах.

 

 Преимущества индукционного нагрева при термообработке проволоки и прутков

 

 Индукционный нагрев – высокоэффективный способ термообработки (обеспечивается нагрев до 950ºС (1750ºF) за несколько секунд). Это объясняется тем, что при индукционном нагреве тепло выделяется непосредственно в нагреваемом теле, а не за счет теплопередачи (конвекции), что имеет место при нагреве в печи. Эффективность индукционного нагрева определяется также тем, что на нагрев окружающего воздуха тратится гораздо меньше тепла, чем при нагреве в печи. Индукционный нагрев практически не требует времени на предварительный прогрев.

 Индукционный нагрев является неконтактным способом нагрева. Проволока, при прохождении ее через индуктор, подвергается действию электромагнитного поля. Это приводит к появлению в ней вихревых токов, тепло выделяется в теле проволоки за счет нагрева ее материала вихревыми токами.

 Индукционный нагрев предоставляет преимущества при непосредственном встраивании в производственную линию. Индуктор может быть установлен в этой линии в различных местах, если это необходимо. При этом обеспечивается непрерывность технологического процесса. Например, после протяжки, нагартованная медная проволока может быть нагрета без сворачивания в бухту и последующего нагрева в печи.

 Будучи неконтактным и электрически управляемым, индукционный нагрев является чистой технологической операцией и обеспечивает минимальное загрязнение окружающей среды. При нем не требуется ванн с расплавленным свинцом или солью, которые являются источниками опасности и коррозии. При индукционном нагреве не выделяются газы, он не связан с пламенем, излучением и не требует вытяжных систем.

 Современные полупроводниковые источники питания обеспечивают точное и повторяемое управление выделением энергии и нагревом. Оборудование для индукционного нагрева очень надежно и требует минимальных настроек. Индуктор требует разовой настройки в начале эксплуатации и может быть легко и быстро заменен. Необходимость в дорогой и затратной по времени повторной изоляции исключается.

 Процесс индукционного нагрева комбинируется с применением защитной инертной среды из азотно-водородной смеси для предотвращения окисления при нагреве проволоки или стержня.

 

 Определение типа и параметров источника питания

 

 Первым фактором, подлежащим определению при выборе нового источника питания, является определение оптимальной рабочей частоты. Эффективность всего комплекса, его производительность, качество получаемой проволоки и стоимость оборудования определяется, в первую очередь, именно частотой.

 Глубина нагрева проволоки от поверхности напрямую определяется частотой и вычисляется по следующим формулам:

или

где:

ρ – удельное электрическое сопротивление, микроом/дюйм;

μ – относительная магнитная проницаемость;

f – частота, Гц.

 

 Глубина проникновения тепла является важнейшим параметром, определяющим эффективность нагрева. Если использовать достаточно высокую частоту, это приводит к уменьшению зоны нагрева. При этом, при отжиге потребуется увеличение длины индуктора и времени нагрева, так как при этом затруднена передача тепла от поверхности к внутренним слоям проволоки. С другой стороны, занижение частоты может привести к проблеме затруднения нагрева и неэффективности всей системы термообработки.

 Желаемая глубина проникновения тепла в проволоку не меньше чем 1/5 и не больше чем 1/2 от диаметра проволоки. Таким образом, оптимальное отношение диаметра проволоки к глубине проникновения лежит в диапазоне от 2 до 5 к 1. Наиболее предпочтительным является отношение 3:1. Хотя существуют исключения, которые, прежде всего, касаются нагрева тонкой проволоки, в подавляющем большинстве случаев сформулированное выше правило справедливо.

 Как следует из приведенных формул, глубина нагрева является не только функцией частоты, но и существенным образом зависит от таких параметров как удельное сопротивление материала проволоки и магнитная проницаемость. Важным является то, что различие в магнитной проницаемости различных материалов может колебаться более чем в 1000 раз.

 Таблица 3 иллюстрирует влияние частоты и температуры на глубину проникновения. Например, при нагреве стали на частоте 450 кГц до 1800 ºF достигается более глубокое проникновение поля и тепла в нагреваемый материал, чем при температуре 1000 ºF. Это объясняется тем, что магнитная проницаемость материала уменьшается при увеличении температуры, что вызывает большую глубину прогрева. Нагрев материала приводит к увеличению электрического сопротивления и, соответственно, к уменьшению проницаемости, что в результате приводит к увеличению глубины прогрева.

После выбора оптимальной частоты источника питания выбираются еще несколько его важных параметров. Параметры источника питания определяются  большим количеством факторов. Хотя большинство этих факторов являются независимыми, некоторые из них влияют друг на друга. Факторами, определяющими параметры источника питания, являются КПД индуктора, магнитная проницаемость проволоки, удельное сопротивление проволоки, диаметр проволоки, масса проволоки, которую необходимо нагреть за час работы и температура нагрева.

КПД индуктора находится в диапазоне от 3% до 97%. Обычно КПД индуктора составляет от 60% до 80%. Вообще, КПД индуктора понижается, как только температура нагреваемого тела достигает точки Кюри. Поскольку стальная проволока нагрета, ее проницаемость падает с 95 до проницаемости воздуха. На критических температурах около 1400 ºF (760 ºC) проницаемость падает до 1 и материал называют парамагнитным. Коэффициент связи индуктора или расстояние между поверхностью проволоки и внутренним диаметром индуктора также влияет на КПД. Коэффициент заполнения, или отношение поперечного сечения проволоки к поперечному сечению индуктора также влияет на КПД. Проволоку с диаметром менее 15 мм часто располагают на плоском параллельном листе с целью повышения КПД и производительности проволоки.

Магнитная проницаемость и сопротивление являются зависимыми переменными, так как они существенным образом меняются от температуры. Чем больше значение этих параметров, тем легче реализовать процесс индукционного нагрева проволоки. Величина магнитной проницаемости материала напрямую определяется плотностью магнитного потока. Если рассматривать подробнее, то плотность магнитного потока будет повышаться с повышением магнитной проницаемости материала, так как силовые линии будут фокусироваться плотней по направлению распространения потока на поверхности. Если материал проволоки достигает точки Кюри, магнитная проницаемость падает, что приводит к уменьшению плотности магнитных линий на поверхности и более плотному проникновению их внутрь проволоки. Магнитные материалы, такие как сталь, имеют высокое значение магнитной проницаемости, что обеспечивает быстрый эффективный нагрев. Немагнитные материалы, такие как медь, алюминий и некоторые марки нержавеющих сталей, имеют низкую магнитную проницаемость (чаще всего, она равна 1), что требует большей мощности источника питания. Эффект нагрева меньше, когда магнитная проницаемость низка и магнитные линии в большей степени распределены в нагреваемом теле.

Глубина проникновения в стали с магнитной проницаемостью 95 на частоте 10 кГц в среднем составляет 0,0072, в то время как на той же частоте для меди с магнитной проницаемостью 1 эта величина будет составлять 0,026, так как медь имеет более низкое сопротивление.

Определение параметров источника питания – это второй шаг, который необходимо выполнить в случае новой разработки. Необходима следующая информация при выборе мощности источника питания:

- материал и требуемая температура нагрева;

- производительность (фут/минуту или фунт/час);

- диаметр проволоки или стержня и его возможный диапазон;

- ожидаемое ежегодное производство каждого вида проволоки, подлежащей нагреву на проектируемой установке;

- количество одновременно нагреваемых нитей проволоки;

- располагаемые для размещения технологической линии производственные площади (если необходимо).

В таблице 5 приведены результаты одновременного нагрева 36 нитей стальной проволоки до температуры 1350 ºF (732 ºС). Диапазон диаметров от 8 до 22 калибра. Первая часть таблицы показывает результаты использования источника мощностью 2000 кВт, частотой 30 кГц на 80% выходной мощности на скорости протяжки проволоки в линии. Вторая часть таблицы демонстрирует эффект задержки скорости линии до 600 футов/минуту и как этот эффект повлиял на мощность.

 

Таблица 5. Результаты одновременного нагрева 36 стальных нитей до 1350 ºF (732 ºС)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сложившаяся практика, там, где это возможно, подразумевает использование 80% номинальной выходной мощности источника питания. Рассмотрение таблицы 5 показывает что при КПД 68% проволока 16-го калибра может быть нагрета до 1350 ºF (732 ºС) с производительностью 17,548 фунтов/час. Удельная масса проволоки 0.0105 фунтов/фут и использование параллельной протяжки 36 ниток проволоки позволяют получить линейную скорость 774 фута/минуту.

Если максимальная линейная скорость протяжки, которую позволяет достичь оборудование − 600 футов/минуту, то это соответствует производительности 13,608 фунтов/час. При КПД 68% от источника потребляется мощность 1241 кВт.

Попробуем свести стоимость оборудования к минимуму. 30 кГц выбирается как оптимальная частота для этого процесса. Заметим, что КПД падает с уменьшением диаметра проволоки. Однако, поскольку проволока большого диаметра составляет, как правило, большую часть производства, то за счет более низких цен на ее нагрев удается скомпенсировать денежные потери при нагреве проволоки малого диаметра.

Другое применение заключается в индукционном нагреве одной нити проволоки из нержавеющей стали марки 400 после ее протяжки до температуры 1562ºF (850ºС). В таблице 6 приведены результаты использования 30 килогерцовой системы для этой технологической операции.

 

Таблица 6. Результаты применения индукционного оборудования для нагрева одной нити проволоки из нержавеющей стали марки 400 после ее протяжки до температуры 1562ºF (850ºС)

 

 

 

 

 

 

Проконсультируйтесь с производителем индукционного оборудования при выборе параметров требуемой Вам установки для получения наилучших результатов.

Электрическая печь

Время прогрева

Эффективность нагрева

Глубина прогрева

Чистота

Синхронизация

Контактность метода

КПД

Потребность в производственных площадях

Стоимость оборудования

Стоимость функционирования

Качество

Гибкость

Настройка

Резистивный нагрев

ٱ

ٱ

*

*

Газовая печь

*

*

*

*

*

*

*

*

*

ٱ

Индукционный нагрев

ٱ

ٱ

*

*

Инфракрасный нагрев

*

*

*

*

*

*

*

ٱ

ٱ

*

Расплавленный свинец/солевая ванна

ٱ

*

ٱ

ٱ

*

*

*

*

- плохо; ٱсредне; ○ – хорошо; ◊ - очень хорошо; * - отлично

Материал

Температура в ºCF)

20

(68)

93

(200)

316

(600)

538

(1000)

760

(1400)

982

(1800)

1204

(2200)

Медь

0,68

0,82

1,5

2,2

3

3,7


Низкоуглеродистая сталь

5

6,5

15,3

24

40

46

48

Высокоуглеродистая сталь

7,4

9

18,5

28

43

48

50

ρ – удельное электрическое сопротивление, микроом/дюйм;

μ=1 для температур выше критических и немагнитных металлов;

f – частота, Гц

Частота

Сталь при 1800ºF

(982ºC)

Сталь при 1400ºF

(760ºC)

Сталь при 1000ºF

(538ºC)

450000

0,0326 / 0,828

0,0307 / 0,780

0,0029 / 0,074

100000

0,0692 / 1,758

0,0651 / 1,6535

0,0061 / 0,155

30000

0,1264 / 3,211

0,1189 / 3,020

0,0110 / 0,279

10000

0,2189 / 5,560

0,2060 / 5,2324

0,0191 / 0,485

3000

0,3997 / 10,152

0,3761 / 9,5529

0,0349 / 0,886


Частота

Нержавеющая сталь (марка 400) при 1000ºF

(538ºC)

Алюминий при 600ºF

(316ºC)

Медь при 1800ºF

(982ºC)

450000

0,0298 / 0,757

0,0077 / 0,196

0,0091 / 0,231

100000

0,0632 / 1,605

0,0164 / 0,417

0,0192 / 0,488

30000

0,1154 / 2,931

0,0300 / 0,762

0,0351 / 0,892

10000

0,1999 / 5,077

0,0519 / 1,318

0,0608 / 1,544


В Btu

В Cal

В HPH

В J

В kCal

В kWH

Btu

1

251,996

0,00393015

1055,056

0,251996

0,00293071

Cal

0,0396832

1

0,000015569

4,1868

0,001

0,00001163

HPH

2544,43

641186

1

26845200

641,186

0,745700

J

0,00947817

0,238846

0,00000372506

1

0,000238846

0,000000277777778

kCal

3,96832

1000

0,015569

4186,8

1

0,01163

kWH

3412,14

859845

1,34102

36000000

859,845

1

Установка для отжига проволоки, 2000 кВт – 30 кГц

Калибр

Диаметр

Фунт / фут

Фут/мин

Фунт / час

КПД, %

Исп. мощность

Стоим.

($0.08 кВт*час)

BTU/час

8

0.162

0.0702

126

19097

74

1600

$128.00

5462400

9

0.1483

0.0589

148

18839

73

1600

$128.00

5462400

11

0.1205

0.0389

215

18065

70

1600

$128.00

5462400

14

0.080

0.0171

475

17548

68

1600

$128.00

5462400

15

0.072

0.0139

585

17548

68

1600

$128.00

5462400

16

0.0625

0.0105

774

17548

68

1600

$128.00

5462400

19

0.041

0.0045

1195

11613

45

1600

$128.00

5462400

22

0.0286

0.0022

2064

9807

38

1600

$128.00

5462400


16

0.0625

0.0105

600

13608

68

1241

$99.28

4236774

19

0.041

0.0045

600

5832

45

804

$64.32

2744856

22

0.0286

0.0022

600

2851

38

465

$37.20

1587510

Система нагрева проволоки 50 кВт – 30 кГц

Внешний диаметр

Фунт / фут

Фут / минуту

Фунт / час

КПД, %

Использ. мощность

Стоим.

($0.08 кВт*час)

BTU/час

0.0984

0.0259

98

153

59

21

1.66

70786

0.1772

0.0840

49

248

64

31

2.48

105820

Общество с ограниченной ответственностью

«Индукционные Машины»

 

ИНН 0278194207 КПП 027801001

ОГРН 1120280048030

ОКАТО 80401390000 ОКПО 12702813

ОКОГУ 4210014 ОКФС 16 ОКОПФ 12165

Тел: +7(347)285-75-13

e-mail: im@imltd.ru

www: imltd.ru

 

Юридический адрес

450078, РБ, г.Уфа, ул. Владивостокская, 1а

Физический адрес

450071, г.Уфа, ул. 50 лет СССР, 39, корп.6

Почтовый адрес

450064, а/я 75

Яндекс.Метрика
Каталог предприятий: Официальные сайты фирм, адреса и телефоны организаций

Индукционные Машины, 2017

Закалочные станки * Индукционные установки * Электротермическое оборудование * Индукционные  вихревые нагреватели