Индукционным нагревом называются технологические процессы бес-контактной передачи энергии электромагнитного поля в нагреваемое тело. Согласно закону электромагнитной индукции М. Фарадея: индукционный нагрев осуществляется вихревыми токами, индуктированными в нагреваемое тело. Поэтому таким способом можно нагревать только электропроводящие материалы, так как вихревые токи возникают лишь в проводнике, если его поместить в переменное магнитное поле. Эти токи всегда замыкаются в нагреваемом теле и протекают в плоскости, перпендикулярной напряжённо-сти магнитного поля. Магнитное поле образуется индуктором, когда по нему пропускают переменный ток. (Шамов А.Н., Бодажков В.А. Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок. Л.: Машиностроение, 1974. – с.280).
Технология индукционного нагрева включает в себя три очень важных фактора: поверхностный эффект; эффект близости и кольцевой эффект, кото-рые необходимо учитывать при разработке, проектировании и изготовлении оборудования для данной технологии.
В соответствии с законом Ленца: индукционный ток всегда имеет такое направление, при котором его магнитное поле противодействует изменению магнитного потока, вызывающему этот ток.
Поэтому поле вихревых токов действует навстречу основному электромагнитному полю, создавая ему своеобразный экран и уменьшая силу этих токов по мере удаления от поверхности вглубь нагреваемого объекта. По этой причине вихревые токи будут более активны в области близкой к поверхности, то есть плотность индуктированных в нагреваемом объекте вихревых токов по сечению оказывается неодинаковой. Она уменьшается от поверхности к центру. Это явление и называют поверхностным эффектом.
Расстояние от поверхности, на котором плотность тока уменьшается в е = 2,718 раз по отношению к плотности тока на поверхности, называется глубиной проникновения тока, ∆.
Кроме того, для технологии индукционного нагрева характерен так называемый эффект близости, который показан на рис. 1
Особый интерес, с точки зрения индукционного нагрева, представляет случай на рис. 1,б, так как токи в индукторе и нагреваемом объекте практически находятся в противофазе. Используя эффект близости, можно подбором соответствующей формы индуктора концентрировать нагрев в определенных участках поверхности обрабатываемого объекта. Например, если виток индуктора представляет собой кольцо, охватывающее нагреваемый объект, то протекание индукционного тока также имеет кольцевую форму. Этот ток концентрируется в полосе, по ширине мало отличающейся от ширины витка индуктора.
Эффект близости имеет место при любой конфигурации сечений про-водников и проявляется тем сильнее, чем меньше расстояние между проводниками и чем ярче выражен поверхностный эффект.
Если проводник свернут в кольцо, то распределение тока высокой частоты по поверхности проводника оказывается также неравномерным, при-чем плотность тока достигает максимума на внутренней стороне кольца. Это явление, называемое кольцевым эффектом, выражено тем более ярко, чем больше по отношению к диаметру кольца радиальная толщина проводника и чем сильнее проявляется поверхностный эффект. Это объясняется тем, что при свертывании проводника в кольцо магнитное поле становится несимметричным и нити тока, расположенные у внутренней поверхности кольца обладают меньшим реактивным сопротивлением. Вследствие чего кольцевой эффект ухудшает использование наружной поверхности проводника, создавая дополнительную неравномерность распределения тока по его сечению.
Таким образом, кольцевой эффект способствует нагреву внешней поверхности объекта, так как действует согласно с эффектом близости. И, наоборот, на внутренней поверхности объекта (если индуктор расположен внутри нагреваемого объекта) противодействует эффекту близости, затрудняя индукционный нагрев.
Используя технологию индукционного нагрева, следует также учитывать влияние нагрева на изменение свойств стали.
Как известно из курса электротехники, удельное сопротивление проводниковых материалов, из которых изготавливаются нагреваемые объекты, увеличивается с ростом температуры вплоть до точки магнитных превращений, после чего его рост замедляется.
Магнитная проницаемость слабо зависит от температуры примерно до (650…700) ºС, после чего быстро уменьшается и достигает величины, при-мерно равной магнитной проницаемости вакуума.
Индукционный нагрев успешно применяется для таких технологических процессов, как:
- 1. Индукционный нагрев заготовок под ковку, штамповку, прокатку, гибку.
- 2. Индукционный нагрев для термообработки: отжиг, отпуск, нормализация, закалка.
- 3. Поверхностная закалка.
- 4. Открытая и вакуумная плавка металлов и спецсплавов.
- 5. Высокочастотная пайка и наплавка твёрдосплавных пластин к рез-цам, фрезам.
- 6. Сварка труб.
- 7. Термообработка сварных соединений.
- 8. Разливка алюминиевых сплавов в электромагнитных кристаллизато-рах.
В промышленности находят и другие эффективные способы применения индукционного нагрева, масштабы использования, которых непрерывно расширяются.