Современные индукционные нагреватели

Особенности конструкции и применения.

Эта статья предназначена в первую очередь нашим потенциальным покупателям, выбирающим ту или иную модель индукционного нагревателя (ТВЧ установку). Надеюсь, она будет полезна техническим специалистам, которые занимаются эксплуатацией индукционного оборудования. 

Загрузить Adobe Flash Player

  Преимущества транзисторных индукционных установок

Современная транзисторная высокочастотная установка индукционного нагрева мощностью 100 кВт состоит из двух блоков, каждый размерами чуть больше прикроватной тумбочки и весит около 150кг. Габариты и вес индукционного оборудования созданного по новейшим технологиям на транзисторных JGBT модулях и MOSFIT транзисторах во много раз меньше такого же по мощности оборудования на лампах. Это позволяет размещать его на малых площадях и в непосредственной близости с оборудованием последующего производственного цикла.

Транзисторные индукционные генераторы не требуют предварительного прогрева, у них пренебрежимо малая мощность холостого хода. КПД ламповых индукционных установок, как правило, не превышал 60%, транзисторные ТВЧ генераторы в основном имеют КПД более 90%.

Появившиеся вслед за ламповыми ТВЧ установками, генераторы на тиристорах, как правило, занимали нишу достаточно мощных индукционных установок. Предназначенных в первую очередь для нагрева заготовок для горячей штамповки при кузнечнопрессовой обработке и индукционной плавке металлов.

Как ламповые, так и тиристорные индукционные установки очень требовательны к параметрам выходного колебательного контура, который, как известно, определяется емкостью конденсатора, индуктивностью индукционной катушки и частотой генерации. Частота генерации в предыдущих поколениях индукционных установок если и менялась вообще, то в очень узких пределах. ГОСТ задавал это значение в плюс минус 10%. И поэтому эксплуатационникам приходилось с большой точностью подбирать резонанс индукционной установки с помощью изменения количества витков и диаметра индуктора (индукционной катушки) либо когда это было невозможно, например, в индукционной плавильной печи, с помощью переключения секций конденсаторных батарей.

Однако если учесть, что в процессе индукционного нагрева стали после точки Кюри (около 760ºС) теряются ферромагнитные свойства, то становится понятно, что внесенная нагреваемым металлом в индукционную катушку дополнительная индуктивность постоянно меняется. И для поддержания максимального КПД всей системы в процессе нагрева необходимо непрерывно менять емкость конденсатора или, вывод напрашивается сам собой, изменять в широком диапазоне резонансную частоту.

В этом то и состоит главное отличие транзисторных индукционных установок от устаревших ламповых и тиристорных. Современные транзисторные ТВЧ генераторы способны отслеживать и изменять выходную частоту в колоссальном диапазоне частот. Например, предлагаемые ТД «Мосиндуктор» среднечастотные транзисторные ТВЧ установки способны изменять резонансную частоту в 20 раз (2000%)! С 1 до 20кГц!

Это позволяет подключить к транзисторному генератору индукционную плавильную печь и произвести полную плавку на фиксированной емкости конденсаторных батарей. В начале плавки генератор вырабатывает пониженную частоту, а после того как металл постепенно теряет ферромагнитные свойства, частота генерации плавно увеличивается до необходимых значений, таким образом, сохраняя максимальный КПД системы в целом.

Тоже самое происходит при индукционном нагреве стальных (металлических) заготовок в целях пайки, сварки и закалки. Индуктивность системы постоянно меняется, и генератор непрерывно подстраивает под нее рабочую частоту.

Однако, говоря, о КПД всей системы не следует забывать, что даже на современных транзисторных ТВЧ установках общий КПД системы индукционная катушка – деталь или садка в тигле редко превышает 60-70%. Исследования показывают, что, например, при плавке цветных металлов общий КПД редко превышает 30-40%.

Куда же уходит энергия? Дело в том, значительная часть произведенной электромагнитной энергии выделяется в виде тепла в стенках медной трубки, из которой сделаны индукционные катушки и вымывается водой. Некоторая часть энергии рассеивается в окружающем пространстве.

Именно она вызывает у обслуживающего персонала предрасположенность к онкологическим заболеваниям, а на мощных индукционных установках может служить источником сильных электрических наводок на окружающее технологическое оборудование. Попросту говоря, от металлического стола стоящего рядом с индукционным кузнечным нагревателем мощностью 1МВт можно получить солидный удар электрического тока. Конечно, лишь в том случае, если не предусмотрено необходимое экранирование индуктора и заземление стола.

Однако и с этой точки зрения, транзисторные индукционные установки намного безопаснее ламповых. За счет более низкой частоты генерации, которая, как известно, хуже распространяется в пространстве и более низкого и соответственно безопасного рабочего напряжения. Например, выходное напряжение на индукционной катушке у высокочастотных индукционных нагревателей составляет величину около 100В и практически безопасно для эксплуатирующего персонала. Конечно, только в случае надежного заземления установки.

Классификация индукционных нагревателей

Современные индукционные нагреватели классифицируются в первую очередь по рабочей частоте, точнее по диапазону рабочих частот, который определяет и область применения индукционных установок.

1. Среднечастотные индукционные нагреватели (СЧ)

Как правило, они имеют выходной диапазон частот 0,5-20 кГц. Столь низкая частота определяет область их применения. Это в основном плавка черных и цветных металлов, глубокий нагрев для горячей штамповки, закалка металлов на максимально возможную глубину. Например, закалка крановых колес. Данные индукционные установки имеют максимально возможную глубину горячего проникновения индукционного поля, до 10мм от поверхности металла.

Как правило, среднечастотные высоковольтные (СЧВ) установки средней мощности имеют выходное напряжение 100-550В и сравнительно небольшие токи 100-200А. Это позволяет нагружать на выход ТВЧ генератора индукционные катушки большой индуктивности с большим количеством витков. Что удобно для изготовления широких индукционных катушек для индукционных тигельных плавильных печей и длинных катушек для индукционных кузнечных нагревателей.

Если необходимо использовать среднечастотную индукционную установку для глубокой закалки деталей и при этом нагрузкой является катушка с небольшим количеством витков, следует включить между ТВЧ установкой и индукционной катушкой закалочный трансформатор. Он понизит выходное напряжение и увеличит ток в индукционной катушке. Если попытаться подключить маловитковую, низкоиндуктивную катушку напрямую к индукционной установке, она не запустится. Большинство закалочных трансформаторов имеют возможность подключения с помощью перемычек различного количества витков, что позволяет получить максимальное согласование с нагрузкой, которой является закалочный индуктор. Следует учесть, что большинство старых закалочных трансформаторов работает на частотах не превышающих 10кГц.

Современные транзисторные среднечастотные индукционные установки, собранные на JGBT модулях, имеют мощность от 5кВт до 5000кВт (5МВт). Как правило, на выходе такой индукционной установки стоит водоохлаждаемый конденсатор или конденсаторная батарея.

Однако в этой группе индукционных нагревателей есть среднечастотные низковольтные (СЧН) установки, работающие на частотах 5-20кГц. Они отличаются тем, что собраны по классической схеме с высокочастотным трансформатором на выходе, конструктивно входящим в саму установку. Они имеют выходное напряжение около 100В и большие выходные токи 3000-10000А. Это позволяет использовать их для закалки деталей с помощью маловитковых индукторов непосредственно без закалочного трансформатора. Эта группа индукционных нагревателей может быть изготовлена с выходной мощностью от 40 до 500кВт. Данные индукционные нагреватели удобно использовать для кузнечных нагревателей с ручной подачей заготовок, нагрева и пайки крупных деталей, сканирующей (непрерывно-последовательной) термообработки (закалки и отпуска) валов и шестерен большого диаметра.

2. Высокочастотные индукционные нагреватели (ВЧ)

Как правило, имеют выходной диапазон частот 20-40 или 30-100кГц. На выходе такой индукционной установки всегда имеется понижающий высокочастотный трансформатор, который следует нагружать на индукционную катушку с количеством витков от 1 до 4. Диаметр индукционной катушки растет с увеличением мощности ТВЧ генератора.

Например, индукционную нагревательную установку мощностью 15кВт можно нагрузить на 4-х витковую индукционную катушку диаметром 40 мм или на одновитковую катушку диаметром 120мм при выходном токе 800А

А установку индукционного нагрева мощностью 80кВт можно нагрузить на четырех витковую индукционную катушку диаметром 60мм или двух витковую катушку диаметром 500мм при выходном токе 3300А.

Современные транзисторные высокочастотные индукционные установки, собранные на JGBT модулях, как правило, имеют мощность от 5кВт до1000кВт (1МВт).

Глубина горячего проникновения индукционного поля в этом частотном диапазоне составляет 2-3мм. При необходимости дальнейшего нагрева в глубину детали увеличивается время нагрева. Нагрев в этом случае происходит за счет теплопередачи.

Все это позволяет эффективно использовать высокочастотные индукционные установки для поверхностной закалки шестерен, валов и крановых колес. Нагрева деталей перед изгибанием, для пайки резцов, фрез и буровых коронок. Для коллективного нагрева заготовок при горячей штамповке (высадке) болтов. Данные ТВЧ установки с успехом используются для сварки и наварки высокопрочного слоя металла при восстановлении деталей. Применяются для сварки при производстве прямошовных стальных труб.

На них можно плавить цветные металлы без использования графитовых тиглей и разумеется в графитовых тиглях тоже, однако при этом приходится секционировать параллельные индукционные катушки для охвата нагревом большой площади, сохраняя небольшую индуктивность катушки в целом.

В России высокочастотные индукционные установки мощностью 10-30кВт повсеместно используются для пайки твердосплавных и алмазных наконечников на дисковые пилы. Однако при малой толщине пил, лучше применять ТВЧ установки с частотным диапазоном 100-250кГц и выше с мощностью 5-10кВт.

Высокочастотные ТВЧ установки, пожалуй, являются самыми универсальными в области использования среди всех индукционных нагревателей.

3. Сверхвысокочастотные индукционные нагреватели (СВЧ)

Они имеют выходной диапазон частот от 100кГц до 1,5МГц. Глубина горячего проникновения индукционного поля составляет около 1мм. Исходя из этого их основное назначение поверхностная закалка стальных деталей и нагрев тонких проволок и пластин.

Данные ТВЧ установки хороши для закалки деталей на глубину около 1мм. Столь малая глубина закалки позволяет получить минимальные поводки (деформации) деталей, возникающие вследствие закалочных напряжений. Это особенно важно при малом размере (диаметре) закаливаемых деталей и большой их длине или площади.

СВЧ индукционные установки применяют для закалки длинных осей, и направляющих станков. Только с их помощью можно быстро нагреть двигающуюся тонкую проволоку или группу проволок. Тонкостенные трубки и полоски цветных металлов. Сделать филигранную локальную пайку малогабаритных деталей, например, термодатчиков для газовых плит. СВЧ установки мощностью 3,5-6кВт и частотой 500 - 1500кГц оптимально подходят для пайки твердосплавных наконечников на дисковые пилы по дереву.

Сверхвысокочастотные индукционные нагреватели изготавливаются на JGBT модулях и MOSFET транзисторах. Они имеют мощности от 3,5 до 500кВт. Установки большой мощности применяют на профессиональных станах для производства прямошовных стальных труб и труб из цветных металлов.

СВЧ индукционные установки нагружаются на индукционные катушки с количеством витков от 0,5 до 2-х. Интересная особенность. Сверхвысокочастотные индукционные нагреватели средней мощности имеют переключаемое количество входных витков выходного СВЧ трансформатора с целью согласования с количеством витков индукционной катушки.

Выходное напряжение невысокое при больших токах в индукционной катушке.

Для увеличения КПД индукционной катушки за счет возвращения в металл рассеянного в пространстве СВЧ излучения иногда используется концентратор «Флюкстрол»….

Органы управления

Современные индукционные нагреватели обладают достаточно хорошими «мозгами», когда речь идет о системе и алгоритмах управления мощностью и подбором рабочей частоты. Для самого эксплуатационника все выглядит предельно просто. Вы вращаете ручку потенциометра и изменяете выходную мощность генерации в диапазоне от 15 до 100% от максимальной. Меньше 15% мощность не получить, последует срыв генерации, но сам аппарат не даст вам этого сделать.

Так же просто рабочая частота ТВЧ генератора, автоматически подстраивается к новым параметрам колебательного контура, в связи со сменой индуктора или изменением ферромагнитных свойств нагреваемой детали. При включении кнопки «Пуск», генерация ТВЧ энергии происходит даже на пустом индукторе, конечно, если он подходит вашему индукционному нагревателю. Однако мощность при этом ограничена. ТВЧ нагреватель самостоятельно способен различать находится ли деталь в индукторе и нужно ли сейчас выдавать заданную мощность. Если детали нет, мощность снижается и загорается индикатор «Низкая загрузка» индуктора. Соответственно внося деталь в индуктор, вы вызываете автоматическую подачу заданной мощности. Т.е. в принципе в некоторых скоротечных режимах нагрева индукционную установку можно вообще не выключать.

Одноблочные индукционные нагреватели мощностью до 30кВт включительно, имеют рабочий цикл 70-80%, это означает, что после нескольких минут нагрева необходимо сделать небольшую паузу для охлаждения оборудования. На самом деле это не вызывает никаких неудобств при обычной эксплуатации, т.к. всегда имеется некоторая пауза при смене нагреваемой детали. Более того, часто на один ТВЧ генератор нагружают два высокочастотных трансформатора для организации сразу двух рабочих мест по пайке или закалке деталей, ибо время замены деталей может быть намного больше времени самого нагрева.

Более мощные модели всегда имеют вынесенный в отдельный блок высокочастотный водоохлаждаемый трансформатор. В таком трансформаторе охлаждается водой многовитковая первичная и многорядная вторичная обмотки, а так же охлаждается ферритовый сердечник, как снаружи, так и изнутри. На таком трансформаторе, как и в ТВЧ генераторе, обязательно стоит отдельный сильфонный датчик давления воды, срабатывание, которого приводит к выключению всей установки.

Современные индукционные установки, как правило, оборудованы «Умным таймером». Это 3-х секционный таймер «Нагрев» – «Выдержка» – «Охлаждение». Время устанавливается вручную и составляет на СВЧ нагревателях – 0,1-9,9 секунды. На ВЧ нагревателях 1-99 секунд. И на СЧ нагревателях 10-999 секунд. Цифровой таймер отсчитывает время в каждом из режимов.

Мощность или ток в индукторе, генерируемые в режимах «Нагрева» и «Выдержки» устанавливаются с помощью 2-х потенциометров и контролируются с помощью табло цифрового индикатора. Режим «Охлаждение» не имеет установки мощности и необходим для отсчета выдержки в некоторых технологических режимах термообработки.

Использование «Умного таймера» позволяет легко изменять режимы термообработки при большой номенклатуре нагреваемых деталей. А так же обеспечивает высокую воспроизводимость термообработки одинаковых деталей.

В стандартном режиме, цифровой дисплей, расположенный на панели управления, показывает выходной ток. Что бы вызвать показания выходной мощности или частоты необходимо нажать соответствующие кнопки.

Имеются три режима работы. Первый запуск и выключение от кнопки «Пуск» и кнопки «Стоп» или педали. Второй полуавтоматический , нажатие кнопки «Пуск» или педали включает «Умный таймер». Таймер отрабатывает цикл и выключается. Третий режим полностью автоматический, когда таймер запускается, отрабатывает программу и запускается вновь.

Есть два вида стабилизации режимов нагрева, «Стабилизация тока» и Стабилизация мощности». По нашим наблюдениям «Стабилизация тока» хороша для сканирующей закалки, а вот «Стабилизация мощности» позволяет прибору поддерживать максимальную мощность, что особенно хорошо при глубоком нагреве для горячей штамповке.

Индукционные установки имеют стандартный интерфейс для подключения инфракрасных термодатчиков с целью автоматического регулирования температуры детали или отключения генерации при достижении требуемой температуры.

Современные индукционные нагреватели оборудованы многоступенчатой системой безопасности и защиты от перегрузок.

Индукционные установки автоматически выключаются при:

· Пропадании одной фазы.

· Превышении входного напряжения свыше 440В.

· Превышении и недостатке напряжения внутреннего выпрямителя.

· Превышении тока внутреннего выпрямителя.

· Превышении входного и выходного тока.

· Срабатывании датчиков системы многоточечного контроля температуры.

· Понижении входного давления воды.

Загораются индикаторы при:

· Подаче питания на установку.

· Включении высокочастотной генерации.

· Высокой или низкой частоте на выходе, из-за плохого согласования с индуктором. Автоматически уменьшается выходной ток.

· Низкой загрузке индуктора, переход в экономичный режим.

В целом органы управления имеют интуитивный алгоритм работы и позволяют быстро обучить управлению индукционной установкой рабочих низкой квалификации.

Надежность и ремонтопригодность

Как правило, все, что вы можете придумать в области индукционного нагрева, давно уже серийно производится в КНР для всего мира и ждет вас на складе компании производителя.

Современные китайские индукционные нагреватели имеют отличное качество монтажа и высокую надежность. В оборудовании, поставляемом на экспорт, применяется элементная база японских, тайваньских и китайских производителей. Собранные платы обязательно тестируются. Полностью готовые индукционные установки проходят серьезный выходной контроль на длительную работоспособность.

По отзывам предприятий давно эксплуатирующих китайские индукционные установки, наработка на отказ в среднем составляет около 7-8 лет непрерывной эксплуатации.

Обычно китайские производители, охраняя свои секреты, стирают маркировку с микросхем. Поэтому единственно возможным способом ремонта является блочный ремонт, при котором меняется плата в сборе. Сервисный центр ТД «Мосиндуктор» располагает полным комплектом ремонтных плат для каждого, поставляемого нами индукционного нагревателя. В случае, если необходимая для ремонта деталь отсутствует на нашем складе, наши китайские партнеры в течение одной недели обеспечивают ее доставку почтой DHL к нам в Апрелевку.

Индукционные нагреватели согласно действующему законодательству не нуждаются в сертификации. Нет необходимости получения разрешения на излучения, как на радиопередатчики. По желанию клиентов, ТД «Мосиндуктор» выдает копии отказных писем «Всероссийского научно-исследовательского института сертификации» (ОАО ВНИИС) г. Москва о том, что данная продукция не сертифицируется.

Системы охлаждения

Охлаждающая жидкость (вода)

Думаю, излишне разъяснять насколько важно для нормальной работы ТВЧ установки обеспечение ее хорошего водоснабжения. Важен не только химический состав охлаждающей воды, огромное значение имеет давление и хорошая фильтрация. В современных индукционных установках настолько велик уровень концентрации выделяемого тепла, что они не могут и нескольких секунд проработать без эффективного охлаждения водой!

Наш опыт гарантийного обслуживания более 40 индукционных установок показывает, что единственной причиной плохой работы и выхода из строя, поставленных нами нагревателей, послужило неправильное отношение наших клиентов к системе водяного охлаждения. Таких отказов было два.

Один индукционный нагреватель был долгое время залит водой, что вызвало пробой блока конденсаторов в количестве 180шт. Гарантийный ремонт был произведен за одни сутки. Клиенту даны рекомендации туже затягивать струбцины трубок ввода воды.

У второго нагревателя, вследствие попадания в систему охлаждения куска трубных соляных отложений размером 5-7мм, был забит подвод воды к радиатору охлаждения 2-х мощных JGBT ключей в блоке ТВЧ генератора, что вызывало периодический перегрев и отключение нагревателя по сигналу многоточечных термодатчиков системы контроля температуры. Причем дефект появлялся на длительных режимах нагрева, но исчезал при нагреве коротком. После диагностирования дефекта, кусок отложений был удален специалистами ТД «Мосиндуктор». После просушки оборудования работоспособность была восстановлена. Клиенту даны рекомендации установить на вводе воды сетчатый магнитный фильтр.

Наши китайские партнеры, поставщики индукционных нагревателей обращают особое внимание на качество охлаждающей воды. Ими приводится линейка ухудшающегося качества воды. Вот она, начиная с лучшей.

Дистиллированная – водоподготовленная с удаление до 90% солей по технологии обратного осмоса – фильтрованная водопроводная. Запрещается использовать не фильтрованную речную, колодезную, артезианскую - соленую – морскую воду.

В принципе любая вода из этой линейки способна охлаждать индукционную установку, однако чем хуже ее качество, тем быстрее забьется накипью ваш дорогой индукционный нагреватель. Конечно, можно предусмотреть очистку от накипи различными средствами, например лимонной кислотой. Но применение любых разъедающих средств точно не принесет пользы вашему оборудованию. Поэтому дам простой совет, применяйте для охлаждения нагревателей дистиллированную воду. И не обращайте внимания на рекламные лозунги наших конкурентов, о том, что вот на их установках можно применять воду любую. Конкуренты врут, нельзя.

В зависимости от мощности индукционной установки и ваших финансовых возможностей вы можете установить различные системы водяного охлаждения.

Самодельные системы охлаждения

При небольшой мощности нагревателя и малой степени его загрузки можно использовать стандартный пластиковый бак объемом от 200 до 1000 литров и электрический насос, развивающий давление 2-3 атмосферы. Например, для водоснабжения индукционного нагревателя мощностью 60кВт при средней степени его односменной загрузки может хватить бака на 1000 литров и насоса мощностью 1кВт. Если вы увеличиваете производительность оборудования и температура в баке поднимается выше 35-40°С, следует включить в водяную магистраль медный радиатор с электрическим вентилятором для охлаждения воды. Некоторые наши клиенты применяют для этих целей цеховые водяные калориферы, в них есть и радиатор и вентилятор.

Если предприятие располагает проточной водой, то для охлаждения дистиллированной воды можно использовать пластинчатые теплообменники типа вода-вода.

Конкретный индукционный нагреватель во всех режимах потребляет одинаковое количество воды, поэтому можно просто отрегулировать давление на его входе с помощью байпаса, т.е. водяной перемычки с регулировочным краном.

Для исключения взаимовлияния по давлению и производительности нельзя объединять выходные шланги воды из агрегатов, каждый из них должен идти в сливной бак отдельно.

Градирни

Для охлаждения индукционных установок большой мощности, как правило, используют градирни. Это установки, в которых охлаждение происходит не только за счет теплообмена, но и за счет испарения воды. Для ускорения испарения воды градирни обязательно оборудуются электрическим вентилятором.

Градирни бывают одноконтурные, когда охлаждающая вода одновременно испаряется, и двухконтурные, когда дистиллированная охлаждающая вода течет по замкнутому контуру из медных трубок, а трубки поливаются испаряющейся водопроводной водой. Двухконтурные градирни дороже одноконтурных, но исключительно экономны по расходу дорогой дистиллированной воды.

При установке градирни в отапливаемом цеху, в нее можно заливать дистиллированную воду. При размещении градирни на улице следует использовать незамерзающую жидкость – антикоррозийный, размагничивающий антифриз на основе диэтанола.

По имеющимся у нас сведениям в России двухконтурные градирни не производятся. По желанию клиентов, ТД «Мосиндуктор» может укомплектовать мощные индукционные установки и индукционные плавильные печи двухконтурными градирнями производства КНР. Градирни имеют различную охлаждающую мощность, которая подбирается соответственно мощности индукционной установки.

При выборе градирни необходимой охлаждающей мощности мы всегда сталкиваемся с несоответствием производительности водяного насоса градирни с потребностью индукционного нагревателя. Производительность по воде градирни намного больше. Причем если уменьшить поток воды через градирню, уменьшится ее охлаждающая мощность. В этом случае бывает полезно замкнуть поток воды от насоса градирни на себя. А для подачи охлаждающей воды на индукционную установку использовать дополнительный насос с нужной производительностью. Такой способ подачи воды, в целях экономии электроэнергии, позволяет установить термодатчик и включать насос градирни после превышения заданной температуры в баке, при постоянно включенном насосе подаче охлаждающей воды на индукционную установку.

Чиллеры

Чиллером называется автоматический фреоновый холодильник для воды. Чиллер типа Вода-Воздух сбрасывает тепло в воздух цеха или на улицу. Чиллер типа Вода-Вода отдает тепло проточной воде. Фреоновый насос позволяет удалять тепло с большой эффективностью за счет высокой разницы температур в средах. А так же поддерживает температуру охлаждающей жидкости в заданных пределах при любой температуре проточной воды и воздуха на улице или в цеху.

При выборе охлаждающей производительности чиллера следует учитывать, что фреоновый охладитель должен работать не более трети рабочего времени, а вот насос, подающий охлаждающую воду, работает непрерывно. Только в этом случае можно рассчитывать на длительный ресурс работы чиллера.

Установка чиллера типа Вода-Воздух непосредственно в цеху, позволяет использовать выделяющееся тепло для отопления цеха. Использование чиллера типа Вода-Вода позволяет существенно экономить проточную воду.

Из всех известных систем охлаждения, чиллеры являются самыми высокоавтоматизированными агрегатами, но и самыми дорогими.

При выборе чиллера достаточной охлаждающей мощности для системы охлаждения индукционной установки мы сталкиваемся с несоответствием производительности водяного насоса чиллера с потребностью индукционного нагревателя. Как правило, производительность по воде чиллера намного больше. Есть два пути решения этой проблемы. Первый это замена насоса чиллера на насос с меньшей производительностью, что в отличие от случая с градирней, не влияет на охлаждающую мощность чиллера. Второй – установка на выходе насоса байпаса, т.е. водяной перемычки с регулировочным краном.

Индукционные катушки

Индукционная катушка (индуктор) представляет собой хороший проводник электрического тока, расположенный на небольшом расстоянии от нагреваемой поверхности. Проводником чаще всего служит круглая или прямоугольная медная трубка диаметром от 1 до 50мм, охлаждаемая водой или антифризом. Медная трубка позволяет подводить к нагреваемой поверхности мощность до 1,5кВт/см2. Подвод большей мощности, по утверждению некоторых авторов, приводит к закипанию охлаждающей воды и выгоранию трубки в месте образования пузырьков.

Большое значение для хорошей работы индуктора имеет обеспечение достаточного потока охлаждающей жидкости. Зачастую для обеспечения охлаждения высокоточных индукционных катушек мощных индукционных плавильных печей и индукционных кузнечных нагревателей делается несколько подводов и отводов воды. Увеличение диаметра медной трубки положительно сказывается на увеличении подводимой индукционной мощности. А вот увеличение толщины медной трубки часто бесполезно, т. к. ток в индукционной катушке все равно прижимается к внешней поверхности трубки и не растекается по всему ее сечению из-за скин-эффекта.

При сравнительно небольшой удельной мощности, индуктор может быть выполнен из медной пластины. Например, для нагрева крупных деталей устанавливаемых в замки с помощью температурного расширения. Это роторы электрических машин и т.п. Для охлаждения медных пластин к ним иногда приваривают медную трубку по центру пластины или зигзагообразно.

Иногда индукционную катушку выполняют из медного кабеля в гибкой жаропрочной силиконовой изоляции. Такой многовитковый индуктор наматывают поверх теплоизоляционного жаропрочного одеяла, одеваемого на стальные трубы, при нормализации сварных швов и предварительном нагреве их перед сваркой. Соответственно на многовитковый кабельный индуктор нагружают только высоковольтные среднечастотные индукционные нагреватели.

Замыкание индукционной катушки, как правило, не приводит к выходу из строя современных индукционных нагревателей, но может вызвать срабатывание защиты по выходному току. А вот самой индукционной катушке может быть нанесен существенный вред, медная трубка прогорает в месте пробоя. Отверстие от прожога следует запаять высокотемпературным медным припоем, с температурой плавления около 900ºС, либо заменить весь индуктор на новый.

В случае применения кондукторов (это зажимные устройства для нагреваемых деталей) и при сканирующей закалке, индукционную катушку оставляют без изоляции. А вот если деталь подается в зону нагрева вручную и есть возможность касания индуктора, индукционную катушку следует футеровать жаропрочным материалом желательно с малой электропроводностью. Для этих целей применяют плетеную трубку из электрокорундового, кварцевого или глиноземного волокна. Полезно обмазать такую футеровку огнестойким цементом или жаропрочными мастиками.

Возможна футеровка индукционных катушек с помощью керамических втулок, подбираемых по диаметру медных трубок, это позволяет оперативно менять конструкцию индукторов.

Индукторы для коллективного нагрева заготовок при горячей штамповке футеруются специальной смесью из огнестойкого (жаропрочного) цемента и различных наполнителей из электрокорундового песка и волокон. Желательно не допускать попадания на футеровку воды, это приводит к многоточечным пробоям в индукционной катушке и появлению характерного шума. Для устранения этого явления, индукционную катушку следует высушить в муфельной печи при температуре около 300ºС.

Сильный шум в индукционной катушке указывает на закипание в ней охлаждающей воды. В этом случае следует увеличить отбор тепла из индукционной катушки с помощью увеличения давления, а лучше за счет улучшения конструкции самого индуктора. Следует увеличить диаметр медной трубки или изменить количество витков индукционной катушки, сделать дополнительный отвод – подвод воды и т.п.

Для изготовления индукционных катушек применяют как круглую, так и прямоугольную медную трубку. Прямоугольные трубки имеют КПД на 2-3% больше, чем круглые. Поэтому на простых индукторах разница между профилем трубки почти не ощутима.

Изготовление простого индуктора совсем не сложно. Набейте отожженную круглую медную трубку просеянным песком или мелкой солью, сплющите ее края и смело навивайте индукционную катушку необходимой вам формы и количества витков. После навивки необходимо отрезать края трубки, тщательно вытрясти содержимое и промыть трубку водой. Иногда индукционную катушку навивают через прокладку на саму нагреваемую деталь, чаше на оправку. Ведь главное правило изготовления индукционной катушки гласит, что для обеспечения одинакового нагрева, витки должны иметь одинаковый шаг и расстояние до нагреваемой поверхности. Часто бывает нужно обеспечить различную температуру нагрева или деталь имеет переменные сечения. В этом случае варьируют шагом и расстоянием до поверхности детали.

Для изготовления индукторов для индукционных плавильных печей средней и большой мощности, применяют только прямоугольную трубку. Прямоугольную трубку применяют так же при изготовлении индукционных катушек для сканирующей закалки. Такие индукторы часто оборудуют концентратором электромагнитного поля марки «Флюкстрол» или «Ферротрон». По некоторым данным есть материал российского производства под названием «Гаманит», но автору он пока не попадался.

Все эти материалы обладают громадной магнитной проницаемостью и насыщаемостью. Их применение позволяет повысить коэффициент передачи электромагнитной энергии от индукционной катушки в нагреваемый металл на десятки процентов. Однако при работе сам концентратор сильно нагревается. Поэтому, как правило, «П» образный концентратор с целью эффективного отвода тепла, закрепляют на прямоугольной медной трубке с помощью теплопроводной мастики.

В процессе эксплуатации индукционных установок для них постоянно находятся все новые производственные задачи. Их решение возможно только с помощью изготовления различных по конструкции индукционных катушек. И эту важную работу нужно обязательно научиться делать на самом производстве. Конечно, речь идет о сравнительно простых индукторах, например для высокочастотных индукционных нагревателей.

В самих нагревателях предусмотрены индикаторы, сигнализирующие о подключении индуктора с недопустимой индуктивностью. Они указывают на выход рабочей частоты за допустимые пределы. Соответственно при загорании индикатора «Превышение частоты» следует увеличить индуктивность индуктора с помощью увеличения количества витков или диаметра индукционной катушки. И соответственно сделать все наоборот, при загорании индикатора «Слишком низкая частота».

Когда возникает задача нагрева большой площади или длины заготовки следует применить способ секционирования индукционный катушки. Он заключается в том, что катушки с небольшим количеством витков включаются по 2-3 катушки параллельно. Это позволяет на низковольтном высокочастотном индукционном нагревателе решать задачи, которые под силу высоковольтным среднечастотным индукционным нагревателям.

Тем не менее, для каждого типа индукционных нагревателей существуют определенные ограничения по конструкции индукционных катушек. Автор не ставит целью рассказать обо всех конструкциях индукционных катушек и методиках их расчета в рамках этой статьи. Это просто невозможно. И в руководстве пользователя, прилагаемому к индукционным нагревателям, эта информация крайне ограничена.

Полезная литература

Нужно отметить, что СССР был «Впереди планеты всей» в области индукционного нагрева, собственно наши ученые его и изобрели. А вот после 1988 года автору не попало в руки ни одной новой книги по индукционному нагреву металлов. Однако с 1940 г по 1988 г. в СССР были изданы десятки книги по интересующей нас тематике. Нам удалось собрать библиотеку обо всех областях технологии термической обработки металлов с применением индукционного нагрева токами высокой частоты.

Таких как:

· Физические основы индукционного нагрева.

· Плавка металлов в индукционных плавильных тигельных и канальных печах.

· Плавка и литье сплавов в вакууме.

· Индукционный нагрев металлов для горячей объемной штамповки.

· Автоматические индукционные кузнечные нагреватели.

· Индукционная пайка.

· Поверхностная, сканирующая закалка стали токами высокой частоты.

· Индукционная закалка токами высокой частоты валов и шестерен.

Пожалуйста, обращайтесь к нам, и мы всегда поможем нашим клиентам серьезной методической литературой в любой области применения индукционного нагрева токами высокой частоты.


 Автор статьи директор компании «Мосиндуктор»

(С) 2011 Кучеров Вячеслав Васильевич

Авторские права защищены.

Гарантируется судебное преследование

за размещение статьи на любом сайте

кроме www.mosinductor.ru