NAGRZEWANIE INDUKCYJNE

NAGRZEWANIE INDUKCYJNE Nagrzewanie indukcyjne jest to nagrzewanie elektryczne polegające na generacji ciepła przy przepływie prądów wirowych wywołanych zjawiskiem indukcji elektromagnetycznej w elementach sprzęŝonych magnetycznie. Rys. 6.1. Piec indukcyjny Kjellina ilustrujący zasadę nagrzewania indukcyjnego 1 wzbudnik, ciekły metal, 3 rdzeń, 4 pierścieniowa rynna ceramiczna, 5 pokrywa Moc czynna zamieniana na ciepło P = V γ E dv = - V 1 γ E m dv a po uwzględnieniu prawa Ohma P = J γ E = γ E = lub m m J dv = J dv = m V 1 γ V gdzie p V - gęstość objętościowa mocy wydzielanej w ośrodku, np. w nagrzewanym wsadzie - jest określona wzorem 1 γ J V p V dv p V 1 = J γ i jest poszukiwaną wielkością wchodzącą do równania Fouriera-Kirchhoffa, którego rozwiązanie umoŝliwia znalezienie pola temperatury. 1

Równanie to w wersji uproszczonej ma postać: = τ p λ + cρ cρ t V Przy czym iloczyn ciepła właściwego i gęstości wsadu cρ decyduje o zdolności do gromadzenia ciepła, t jest temperaturą wsadu i zaleŝy od współrzędnych geometrycznych oraz czasu τ. Indukcyjny układ grzejny tworzą następujące elementy: - wzbudnik, czyli odpowiednio ukształtowany przewodnik lub zespół przewodników 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 magnetyczne, koncentratory). Magnetowody są stosowane zwłaszcza przy małych częstotliwościach i trasują drogę strumienia magnetycznego. Boczniki magnetyczne to rdzenie 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. t 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, - wsad, 3 - magnetowód

Rys. 6.5. Przykłady indukcyjnych układów grzejnych: a) i b) z polem podłuŝnym; c) z polem poprzecznym 1 - wzbudnik, - wsad, 3 magnetowód Jedną z podstawowych wielkości charakteryzujących nagrzewanie indukcyjne jest głębokość wnikania. Przy padaniu fali płaskiej na półprzestrzeń przewodzącą (przypadek, w którym nie następuje odbicie fali od powierzchni wsadu przeciwległej do tej, przez która fala wnika wielkość na zdefiniowana jest następująco: δ = ωµ = 503,9 γ f 1 µ γ r -7 µ = µ µ = π 10 µ, ω = πf r 4 r ( r µ - przenikalność magne- gdzie: 0 tyczna względna). δ W odległości x = od powierzchni wnikania fali do odbiornika (wsadu) amplitudy H m, Em, Jm maleją e-razy. Oznacza to, Ŝe głębokość wnikania fali harmonicznej moŝna zdefiniować jako taką odległość od powierzchni 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). 3

Rys. 6.7. Rozkład podstawowych wielkości elektromagnetycznych w półprzestrzeni przewodzącej przy padaniu na jej powierzchnię fali płaskiej w odniesieniu do wartości maksymalnych (tzn. dla x = 0); obszar zakreskowany oznacza, Ŝe identyczną moc grzejną jak w układzie rzeczywistym moŝna uzyskać przy przepływie prądu o stałej gęstości J m = H m / w warstwie o grubości δ ; H m i Em - amplitudy natęŝenia pola magnetycznego i elektrycznego, J m - amplituda gęstości prądu, p V - gęstość objętościowa mocy czynnej, x/δ - współrzędna względna (odniesiona do głębokości wnikania δ ) Częstotliwość tych prądów we wsadzie jest oczywiście taka sama jak częstotliwość fali wnikającej, inna jest natomiast jej długość. Przy częstotliwości zmian fali f = 50 Hz jej długość w powietrzu λ3 = 6000 km natomiast po wniknięciu do metalu zmniejsza się do wartości λ = πδ. Na przykład dla Cu w temperaturze 0 C, przy f = 50 Hz, λ 6,3 cm. Urządzenia indukcyjne i ich zastosowania Często stosowanym kryterium wyróŝniającym te urządzenia jest częstotliwość. Na jego podstawie wyróŝnia się urządzenia częstotliwości zmniejszonej w stosunku do częstotliwości sieciowej, przy czym dolną granicą jest na ogół wartość 16 /3 Hz, urządzenia częstotliwości sieciowej (50 lub 60 Hz), zwiększonej (50 Hz < f l0 khz) i wielkiej (10 khz < f 7,1 MHz). 1 4

Źródła zasilania Przy tak szerokim (jak wyŝej podany) zakresie częstotliwości istnieje konieczność stosowania bardzo zróŝnicowanych źródeł zasilania zwłaszcza, Ŝe ich moce jednostkowe wynoszą od kilku watów do kilkudziesięciu megawatów i nie ma przeszkód by obszar ten rozszerzyć. Jeśli przyjąć za podstawę podziału źródeł zasilania zasadę ich działania (rozumianą bardzo ogólnie), wyróŝnić moŝna: przemienniki statyczne budowane z wykorzystaniem tyrystorów bądź tranzystorów, generatory lampowe i tranzystorowe, generatory maszynowe, przekształtniki transformatorowe 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 /3 Hz. Urządzenia o częstotliwości roboczej 50 Hz bardzo rzadko zasila się wprost z sieci. Wynika to z potrzeby regulacji wielkości elektrycznych znamionujących urządzenie (moc, napięcie, prąd), często takŝe z konieczności przyłączenia odbiorników jednofazowych do sieci trójfazowej. Elementami pośredniczącymi między siecią i piecem względnie nagrzewnicą są róŝne rodzaje transformatorów regulowanych (z odczepami, autotransformatory, regulatory indukcyjne, transduktory). Przy większych 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 mnoŝniki częstotliwości pozwalające na zwielokrotnienie częstotliwości sieciowej 35 razy, a takŝe niecałkowitą liczbę razy. Spotyka się układy hybrydowe magnetyczno - półprzewodnikowe. W technice nagrzewania indukcyjnego konkurencyjne są jednak mnoŝniki pracujące przy 3 9 krotnym zwielokrotnieniu 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 uŝyciu przekształtników tyrystorowych. Tyrystory konwencjonalne umoŝliwiają uzyskiwanie częstotliwości do 10 khz. Tyrystory specjalizowane (w tym elektrostatyczne SITh), a takŝe pracujące w tzw. układach sekwencyjnych do ok. 00 khz. 5

Znacznie szerszy zakres częstotliwości moŝliwy jest do uzyskania przy uŝyciu przemienników tranzystorowych (4 1000 khz). Są one budowane głównie przy wykorzystaniu tranzystorów unipolarnych o strukturze wieloemiterowej 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 wykorzystywanych w urządzeniach indukcyjnych (4 khz 7 MHz), przy mocach przekraczających l MW. Ze względu na ich znacznie mniejszą sprawność w porównaniu z przemiennikami półprzewodnikowymi nie moŝna wykluczyć faktu, Ŝe będą one systematycznie traciły na znaczeniu. Buduje się takŝe generatory tranzystorowe o mocach nie przekraczających kilku kilowatów i częstotliwościach wykorzystywanych zwykle w technice nagrzewania pojemnościowego, np. 7,1 MHz. Rys. 6.54. Schemat obwodów głównych przemiennika częstotliwości z tranzystorami MOSFET 1 - transformator zasilający, - wyłącznik główny, 3 dławik, 4 - tranzystory falownika, 5 - kondensatory obwodu rezonansowego, 6 - transformator dopasowujący, 7 - wzbudnik 6

Rys. 6.56. Lampowy generator mocy w układzie równoległym Meissnera 1 i - dławiki i kondensatory filtra przeciwzakłóceniowego, 3 - sterownik tyrystorowy, 4 - transformator podwyŝszający, 5 - prostownik. 6 - filtr dolnoprzepustowy, 7 - lampa generacyjna, 8 - obwód drgający, 9 - transformator dopasowujący, 10 - wzbudnik Nagrzewnice indukcyjne Nagrzewnice indukcyjne w obróbce plastycznej. Jedną z wielu grup procesów technologicznych, w których urządzenia indukcyjne 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, korzysta 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 obróbce plastycznej. Stąd teŝ nagrzewnice stosowane w tych procesach nazywa się skrośnymi zaś sama technikę - nagrzewaniem skrośnym. 7

Rys. 6.57. Schemat urządzenia indukcyjnego z nagrzewnicą skrośną. 1 prostownik, - 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. η e sprawność elektryczna układu wzbudnik wsad, η c - sprawność cieplna nagrzewnicy, η elt sprawność elektrotermiczna nagrzewnicy 8

Tablica 6.1. Optymalne częstotliwości przy nagrzewaniu wsadów cylindrycznych z metali kolorowych. Częstotliwość robocza f Optymalny zakres średnic wsadu mosiądz miedź w temp. 850 C. w temp. aluminium 800 C i jego stopy w temp. 500 C Hz mm mm 110.0 37.0 440 18.0 10 11.0 130 9.0 100 1.0 15 0.8 1 50 500 000 5000 10000 450 10 3 1000 10 3 5.00 16.00 80 8.00 410 5.00 60 3.50 180 0.50 6 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 nagrzewania; c) z poprzecznym przesuwem wsadu; d) z poprzecznym przesuwem wsadu podczas nagrzewania końcówek wsadu 9

Rys. 6.66. Wzbudniki z magnetowodami: a) z bocznikami magnetycznymi do nagrzewania wsadów masywnych w polu podłuŝnym. b) z rdzeniem otwartym do nagrzewania krawędzi taśm i blach w polu porzecznym. c) z rdzeniem ze szczeliną do nagrzewania blach i taśm w polu poprzecznym 1 - magnetowód. - wzbudnik. 3 wsad Nagrzewnice indukcyjne w obróbce cieplnej Nagrzewnice indukcyjne w procesach obróbki cieplnej stosowane są głównie 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, - hartowana warstwa wsadu, 3 wsad, 4 natryskiwacz, s skok, p przesuw, n - kierunek obrotów, v - kierunek ruchu 10

Rys. 6.7. Wzbudniki do nagrzewania powierzchni cylindrycznych i płaskich Rys. 6.71. ZaleŜność gęstości powierzchniowej mocy czynnej od głębokości hartowania przy róŝnych częstotliwościach, temperaturach powierzchni wsadu oraz czasach nagrzewania 11

Nagrzewnice indukcyjne w procesach lutowania, zgrzewania oraz innych technikach Częstotliwość zasilania wzbudników przeznaczonych do lutowania elementów masywnych o obszernej strefie lutowania - 10 khz. Przy łączeniu niewielkich elementów o małych strefach lutowania stosuje się częstotliwości o wartościach 0,5 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 rurką z wodą chłodzącą; d), e), f) wzbudnik z chłodzeniem bezpośrednim 1,- elementy lutowane; 3 - lut; 4 - wzbudnik Rys. 6.75. Zgrzewanie indukcyjne (spawanie) ciągłe rur 1 - rura, - walce dociskowe, 3 wzbudnik, 4 - tory prądów, 5 - miejsce zgrzewania (spawania) 1

Piece indukcyjne kanałowe Rozwiązania konstrukcyjne pieców kanałowych mają cechy zbieŝne z transformatorami. 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, - 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 modułach indukcyjnych duŝej mocy (1 6 MW). Rozwiązaniem poŝądanym jest zapewnienie tzw. przepływu tranzytowego o wartości 1 3 m/s, zaleŝnego od rodzaju nagrzewanego metalu. 13

Piece indukcyjne kanałowe są jednostkami o bardzo zróŝnicowanych parametrach. Do przegrzewania Ŝeliwa buduje się piece o maksymalnych pojemnościach 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 Ŝeliwa - 15 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. 6.8. Piec indukcyjny tyglowy 1 - izolacja cieplna, - wyłoŝenie ogniotrwałe, 3 - menisk kąpieli metalowej, 4 - wzbudnik, 5 - linie przepływu metalu w tyglu, 6 - lej spustowy 14

Zastosowania. Piece tyglowe stosowane są głównie do topienia, podgrzewania, 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 metali 1) Rodzaj Maksymalna Pojemność Moc Przelotność ZuŜycie topionego temperatura Tygla znamionowa właściwe metalu wsadu pieca Energii 0 C Mg kw Mg/h kw h/mg Stal śeliwo Miedź Mosiądz (60% Cu) Aluminium 1600 1500 100 1000 750 0.5 150 0.5 60 0.5 70 0.5 70 0. 5 90 40000 90 0000 150 1000 150 1000 80 6000 0.1 70 0.1 35 0.3 30 0.5 40 0.1 1 650 550 600 50 500 340 30 40 650 480 1) Piece przeznaczone wyłącznie do pracy zbiornikowej (podgrzewanie, przetrzymywanie) mają moce wielokrotnie mniejsze niŝ piece do topienia oraz do pracy uniwersalnej. 15

Urządzenia do indukcyjnego topienia beztyglowego Rys. 6.90. Przykłady urządzeń do indukcyjnego topienia beztyglowego: a) topienie lewitacyjne (wzbudnik dwuczęściowy i jego połączenie); przetapianie strefowe; c) wyciąganie monokryształów Przy wyciąganiu monokryształów (głównie materiałów półprzewodnikowych o średnicach do 150 mm) metodą Czochralskiego (rys. 6.90c), wzbudniki są zasilane ze źródeł wielkiej częstotliwości (1,5 3,0 MHz) przy mocach do 100 kw. 16