Indukční ohřev je způsob bezkontaktního tepelného zpracování kovů schopných vést elektrickou energii pod vlivem vysokofrekvenčních proudů. Indukční ohřev se stále více používá v podnicích pro vysokoteplotní zpracování kovů. Indukční zařízení dnes dokázalo zaujmout vedoucí postavení a vytlačilo alternativní způsoby ohřevu.

Jak funguje indukční ohřev?

Princip fungování indukčního ohřevu je velmi jednoduchý. Ohřev vzniká přeměnou elektrické energie na elektromagnetické pole s vysokým výkonem. Výrobek se zahřeje, když magnetické pole induktorů pronikne do výrobku schopného vést elektrickou energii.

Obrobek (nezbytně vyrobený z materiálu, který vede elektrickou energii) je umístěn v induktoru nebo v jeho těsné blízkosti. Induktor je obvykle vyroben ve formě jednoho nebo několika závitů drátu. Nejčastěji se k výrobě induktoru používají tlusté měděné trubky (dráty). Speciální generátor elektrické energie ji dodává do induktoru a indukuje vysokofrekvenční proudy, které se mohou lišit od 10 Hz do několika MHz. V důsledku indukce vysokofrekvenčních proudů do induktoru se kolem něj vytvoří silné elektromagnetické pole. Vířivé proudy vzniklého elektromagnetického pole pronikají do produktu a přeměňují se v něm na tepelnou energii, což způsobuje zahřívání.

Tlumivka se za provozu dost silně zahřívá pohlcováním vlastního záření, takže je jistě nutné ji během pracovního procesu chladit tekoucí technickou vodou. Voda pro chlazení je do instalace přiváděna pomocí sání, tento způsob umožňuje zajistit instalaci v případě náhlého vyhoření nebo odtlakování tlumivky.

Aplikace indukčního ohřevu ve výrobě

Jak již bylo zřejmé z toho, co bylo popsáno výše, indukční ohřev se ve výrobě používá poměrně aktivně. V dnešní době se indukční zařízení podařilo zaujmout přední místo a vytlačit konkurenční metody zpracování kovů do pozadí.

Indukční tavení kovů

Indukční ohřev se používá k provádění tavicích operací. Aktivní používání indukčních pecí začalo díky skutečnosti, že ohřev HDTV je jedinečně schopen zpracovávat všechny typy kovů, které dnes existují.
Indukční tavicí pec rychle taví kov. Teplota ohřevu instalace je dostatečná i pro tavení nejnáročnějších kovů. Hlavní výhodou indukčních tavicích pecí je, že jsou schopny produkovat čisté tavení kovu s minimální tvorbou strusky. Práce je dokončena v krátkém čase. Doba natavení 100 kilogramů kovu je zpravidla 45 minut.

Kalení vysokofrekvenčními proudy

Kalení se nejčastěji provádí na ocelových výrobcích, ale lze je aplikovat i na měděné a jiné kovové výrobky. Je zvykem rozlišovat dva druhy vysokofrekvenčního kalení: povrchové a hloubkové, neboli kalení objemové.
Hlavní výhodou, kterou má indukční ohřev ve vztahu k kalicím pracím, je možnost pronikání tepla do hloubky (hluboké kalení). V dnešní době se vysokofrekvenční kalení poměrně často provádí v indukčních zařízeních.
Indukční ohřev umožňuje nejen kalení vysokofrekvenčních materiálů, ale také dává konečnému výsledku produkt, který bude vynikající kvality. Při použití indukčního ohřevu k provádění kalících prací se výrazně snižuje počet vad ve výrobě.

ČTĚTE VÍCE
Jaké doklady jsou potřeba k ověření právní čistoty bytu?
HDTV pájení

Indukční ohřev je užitečný nejen pro zpracování kovů, ale také pro spojení jedné části výrobku s druhou. Dnes se vysokofrekvenční pájení stalo poměrně populární a dokázalo zatlačit svařování do pozadí. Kdekoli je možné nahradit svařování pájením, výrobci tak činí. Co přesně způsobilo tuto touhu? Vše je extrémně jednoduché. Vysokofrekvenční pájení umožňuje získat kompletní výrobek, který bude mít vysokou pevnost.
Vysokofrekvenční pájení je kompletní díky přímému (bezkontaktnímu) pronikání tepla do výrobku. Zahřívání kovu nevyžaduje zásah třetí strany do jeho struktury, což má pozitivní vliv na kvalitu hotového výrobku a jeho životnost.

Tepelné zpracování svarů

Tepelné zpracování svarů je dalším důležitým technologickým procesem, který indukční ohřívač dokonale zvládne. Tepelné zpracování se provádí za účelem zvýšení pevnosti produktu a vyhlazení kovového napětí, které se zpravidla tvoří ve spojích.
Tepelné zpracování pomocí indukčního ohřevu probíhá ve třech stupních. Každý z nich je velmi důležitý, protože pokud vám něco chybí, kvalita produktu se následně změní a jeho životnost se sníží.
Indukční ohřev má pozitivní vliv na kov, umožňuje mu proniknout rovnoměrně do dané hloubky a vyhladit napětí vznikající při svařování.

Kování, plastika, deformace

Ohřívač kovárny je jedním z typů instalací založených na indukčním ohřevu. Ohřívač kovárny se používá k deformaci kovu, jakož i k lisovacím účelům atd.
Indukční ohřev rovnoměrně ohřívá kov, umožňuje jej ohýbat na správných místech a dát produktu požadovaný tvar.
Dnes stále více podniků začalo používat kovací ohřívač pro lisování a plastifikaci výrobků.
Indukční ohřev si poradí se všemi nezbytnými operacemi tepelného zpracování kovů, ale nejčastěji se používá ve výše popsaných případech.

Výhody a nevýhody indukčního ohřevu

Každá věc má své výhody a nevýhody, dobré i špatné stránky. Indukční ohřev má své klady i zápory. Nevýhody indukčního ohřevu jsou však tak nepatrné, že za obrovským množstvím výhod nejsou vidět.
Protože indukční ohřev má méně nevýhod, uvedeme je hned:

  1. Některé instalace jsou poměrně složité a jejich programování vyžaduje kvalifikovaný personál, který umí instalaci provést (opravit, vyčistit, naprogramovat).
  2. Pokud jsou induktor a obrobek špatně sladěny, bude zapotřebí mnohem větší topný výkon, než když se podobný úkol provádí v elektrické instalaci.
ČTĚTE VÍCE
Co přidat do pračky na vyčištění bubnu?

Jak vidíte, nevýhod je opravdu málo a na rozhodnutí ve prospěch použití indukčního ohřevu nemají silný vliv.
Indukční ohřev má mnohem více výhod, ale uvedeme pouze ty hlavní:

  • Rychlost ohřevu produktu je velmi vysoká. Indukční ohřev začíná zpracovávat kovový produkt téměř okamžitě, nejsou nutné žádné mezistupně ohřevu zařízení.
  • Výrobek lze zahřívat v jakémkoli upraveném prostředí: v ochranné plynové atmosféře, v oxidační, redukční, ve vakuu i v nevodivé kapalině.
  • Indukční instalace je relativně malá, takže její použití je docela pohodlné. V případě potřeby lze indukční zařízení dopravit na pracoviště.
  • Kov se zahřívá přes stěny ochranné komory, která je vyrobena z materiálů schopných procházet vířivými proudy a absorbovat malé množství. Během provozu se indukční zařízení nezahřívá, takže je považováno za ohnivzdorné.
  • Protože se kov zahřívá pomocí elektromagnetického záření, nedochází ke kontaminaci samotného obrobku ani okolní atmosféry. Indukční ohřev byl právem uznán jako ekologický. Nezpůsobuje absolutně žádnou újmu zaměstnancům společnosti, kteří budou během instalace v dílně.
  • Induktor může být vyroben z téměř jakéhokoli složitého tvaru, což umožní jeho přizpůsobení rozměrům a tvaru výrobku pro zajištění lepšího ohřevu.
  • Indukční ohřev umožňuje jednoduchý selektivní ohřev. Pokud potřebujete zahřát konkrétní oblast a ne celý produkt, bude stačit umístit do induktoru pouze tuto oblast.
  • Kvalita zpracování pomocí indukčního ohřevu je výborná. Počet vad ve výrobě je výrazně snížen.
  • Indukční ohřev šetří elektrickou energii a další výrobní zdroje.

Jak vidíte, indukční ohřev má spoustu výhod. Výše byly uvedeny pouze ty hlavní, což mělo vážný dopad na rozhodnutí mnoha majitelů pořídit si indukční instalace pro tepelné zpracování kovů.

PRINCIP FUNKCE INDUKČNÍ TROUBY. PRINCIP INDUKČNÍHO OHŘEVU

Principem indukčního ohřevu je přeměna energie elektromagnetického pole absorbovaného elektricky vodivým ohřívaným předmětem na tepelnou energii.

V instalacích indukčního ohřevu je elektromagnetické pole vytvářeno induktorem, což je víceotáčková válcová cívka (solenoid). Induktorem prochází střídavý elektrický proud, jehož výsledkem je časově proměnlivé střídavé magnetické pole kolem induktoru. Toto je první transformace energie elektromagnetického pole, popsaná první Maxwellovou rovnicí.

Ohřívaný předmět je umístěn uvnitř nebo vedle induktoru. Měnící se (v čase) tok vektoru magnetické indukce vytvářený induktorem proniká ohřívaným předmětem a indukuje elektrické pole. Elektrické čáry tohoto pole jsou umístěny v rovině kolmé ke směru magnetického toku a jsou uzavřené, to znamená, že elektrické pole v ohřívaném předmětu je vírového charakteru. Vlivem elektrického pole podle Ohmova zákona vznikají vodivé proudy (vířivé proudy). Jedná se o druhou transformaci energie elektromagnetického pole, popsanou Maxwellovou druhou rovnicí.

ČTĚTE VÍCE
M je řecká kuchyně zvláštní?

Ve vytápěném objektu se energie indukovaného střídavého elektrického pole nevratně přeměňuje na tepelnou energii. Takový tepelný rozptyl energie, který má za následek zahřívání předmětu, je dán existencí vodivých proudů (vířivých proudů). Jde o třetí přeměnu energie elektromagnetického pole a energetický vztah této přeměny popisuje Lenz-Jouleův zákon.

Popsané transformace energie elektromagnetického pole umožňují:
1) přenést elektrickou energii induktoru na vyhřívaný předmět bez použití kontaktů (na rozdíl od odporových pecí)
2) uvolňovat teplo přímo ve vytápěném objektu (tzv. „pec s vnitřním zdrojem vytápění“ dle terminologie prof. N. V. Okorokova), v důsledku čehož je využití tepelné energie nejdokonalejší a vytápění se výrazně zvyšuje rychlost (ve srovnání s tzv. „pecemi s externím zdrojem vytápění“).

Velikost intenzity elektrického pole ve vyhřívaném předmětu je ovlivněna dvěma faktory: velikostí magnetického toku, tj. počtem magnetických siločar, které pronikají předmětem (nebo spojených s vyhřívaným předmětem), a frekvencí napájecí proud, tj. frekvence změn (v čase) magnetického toku vázaného na vyhřívaný předmět.

To umožňuje vytvořit dva typy instalací indukčního ohřevu, které se liší jak designem, tak provozními vlastnostmi: indukční instalace s jádrem a bez jádra.

Indukční ohřívací zařízení se podle technologického určení dělí na tavicí pece pro tavení kovů a ohřívací zařízení pro tepelné zpracování (kalení, temperování), pro průběžný ohřev obrobků před plastickou deformací (kování, lisování), pro svařování, pájení a navařování. pro produkty chemicko-tepelné úpravy atd.

Podle četnosti změn proudu dodávajícího instalaci indukčního ohřevu se rozlišují:
1) průmyslové frekvenční instalace (50 Hz), napájené ze sítě přímo nebo přes transformátory snižující výkon;
2) vysokofrekvenční instalace (500-10000 Hz), napájené elektrickými stroji nebo polovodičovými frekvenčními měniči;
3) vysokofrekvenční instalace (66 000-440 000 Hz a více), napájené elektronkovými elektronickými generátory.

Jádro indukční topné jednotky

V tavicí peci (obr. 1) je na uzavřeném jádru z elektrooceli (tloušťka plechu 0,5 mm) namontován válcový víceotáčkový induktor z profilované měděné trubky. Kolem induktoru je umístěna žáruvzdorná keramická vyzdívka s úzkým prstencovým kanálem (horizontálním nebo vertikálním), kde se nachází tekutý kov. Nezbytnou podmínkou provozu je uzavřený elektricky vodivý kroužek. Proto je nemožné v takové peci roztavit jednotlivé kusy pevného kovu. Pro spuštění pece musíte do kanálu nalít část tekutého kovu z jiné pece nebo ponechat část tekutého kovu z předchozí taveniny (zbytková kapacita pece).

ČTĚTE VÍCE
Proč omítka praská při sušení na pěnových blocích?

Obr. 1. Schéma indukční kanálové pece: 1 – indikátor; 2 – kov; 3 – kanál; 4 – magnetický obvod; F je hlavní magnetický tok; F1r a F2r — magnetické svodové toky; U1 a já1 — napětí a proud v obvodu induktoru; já2 – vodivost proudu v kovu

V ocelovém magnetickém jádru indukční kanálové pece je uzavřen velký pracovní magnetický tok a pouze malá část celkového magnetického toku vytvořeného induktorem je uzavřena vzduchem ve formě únikového toku. Proto takové pece úspěšně pracují při průmyslové frekvenci (50 Hz).

V současné době je ve VNIIETO vyvinuto velké množství typů a provedení takových pecí (jednofázové a vícefázové s jedním a několika kanály, s vertikálním a horizontálním uzavřeným kanálem různých tvarů). Tyto pece se používají k tavení neželezných kovů a slitin s relativně nízkým bodem tavení a také k výrobě vysoce kvalitní litiny. Při tavení litiny se pec používá buď jako kotel (směšovač) nebo jako tavicí agregát. Konstrukce a technické charakteristiky moderních kanálových indukčních pecí jsou uvedeny v odborné literatuře.

Indukční topné jednotky bez jádra

V tavicí peci (obr. 2) je roztavený kov v keramickém kelímku umístěném uvnitř válcového víceotáčkového induktoru. Induktor je vyroben z profilované měděné trubky, kterou prochází chladicí voda. Více o konstrukci induktoru se můžete dozvědět zde.

Absence ocelového jádra vede k prudkému zvýšení magnetického svodového toku; počet magnetických siločar propojených s kovem v kelímku bude extrémně malý. Tato okolnost vyžaduje odpovídající zvýšení frekvence změny (v čase) elektromagnetického pole. Pro efektivní provoz indukčních kelímkových pecí je proto nutné dodávat do nich proudy zvýšené a v některých případech i vysoké frekvence z vhodných proudových měničů. Takové pece mají velmi nízký přirozený účiník (cos φ=0,03-0,10). Proto je nutné použít kondenzátory pro kompenzaci jalového (indukčního) výkonu.

V současné době je ve VNIIETO vyvinuto několik typů indukčních kelímkových pecí ve formě odpovídajících velikostních rozsahů (podle kapacity) vysoké, vysoké a průmyslové frekvence pro tavení oceli (typ IST).

Schéma indukční kelímkové pece

Rýže. 2. Schéma konstrukce indukční kelímkové pece: 1 – induktor; 2 – kov; 3 – kelímek (šipky ukazují trajektorii oběhu tekutého kovu v důsledku elektrodynamických jevů)

Výhody kelímkových pecí jsou následující: teplo generované přímo v kovu, vysoká stejnoměrnost kovu v chemickém složení a teplotě, absence zdrojů kontaminace kovu (jiných než vyzdívka kelímku), snadné ovládání a regulace tavícího procesu , hygienické pracovní podmínky. Kromě toho se indukční kelímkové pece vyznačují: vyšší produktivitou díky vysokým specifickým (na jednotku kapacity) topným výkonům; schopnost roztavit pevnou vsázku bez ponechání kovu z předchozího tavení (na rozdíl od kanálových pecí); nízká hmotnost vyzdívky ve srovnání s hmotností kovu, která snižuje akumulaci tepelné energie ve vyzdívky kelímku, snižuje tepelnou setrvačnost pece a činí tavicí pece tohoto typu mimořádně vhodné pro periodickou práci s přestávkami mezi tavbami, např. zejména pro tvarové slévárny strojírenských závodů; kompaktnost pece, která umožňuje jednoduše izolovat pracovní prostor od okolí a provádět tavení ve vakuu nebo v plynném prostředí daného složení. Proto jsou vakuové indukční kelímkové pece (typ ISV) široce používány v metalurgii.

ČTĚTE VÍCE
Jak dlouho může zvlhčovač běžet nepřetržitě?

Spolu s výhodami mají indukční kelímkové pece následující nevýhody: přítomnost relativně studených strusek (teplota strusky je nižší než teplota kovu), což ztěžuje provádění rafinačních procesů při tavení vysoce kvalitních ocelí ; složité a drahé elektrické zařízení; nízký odpor vyzdívky při náhlých teplotních výkyvech v důsledku malé tepelné setrvačnosti vyzdívky kelímku a erozivního účinku tekutého kovu při elektrodynamických jevech. Proto se takové pece používají pro přetavování legovaného odpadu, aby se snížilo plýtvání prvky.

Reference:
1. Egorov A.V., Morzhin A.F. Elektrické pece (pro výrobu oceli). M.: „Hutnictví“, 1975, 352 s.