Энергосберегающий индукционный нагрев

Нагрев металла является одним из важнейших звеньев производственного процесса в металлургии и машиностроении, влияющий на производительность, энерго- и материалоемкость производства, себестоимость и качество продукции. Выбор же метода нагрева существенным образом отражается на технико-экономических показателях продукции. Здесь необходимо учитывать технологичность и мобильность производства, его объемы, стоимость сырья и энергоносителей, качественные показатели продукции и другие факторы.

Применение метода нагрева в газовых, муфельных и мазутных печах в условиях серийного, крупносерийного и массового производства малоэффективно в силу следующих недостатков:

- Длительный процесс разогрева печи перед работой;

- Низкий КПД газовых печей на уровне 10…15%;

- Периодичность в работе при нагреве заготовок партиями;

 - Повышенное образование окалины и обезуглероживание поверхности заготовок из-за длительного пребывания их в печи.

Индукционный нагрев имеет ряд преимуществ в сравнении с такими, как газовый и электрический нагрев в промышленных печах. Достаточно эффективным оказывается применение индукционных нагревательных установок в процессе механической обработки металлов. В частности, при нагреве заготовок под пластическую деформацию, горячую посадку и т.п. вместо использования газовых, муфельных, мазутных печей, в большинстве случаев целесообразно и оправданно применение индукционных нагревательных установок. Такая замена позволяет существенно сократить затраты энергоносителей, производственного времени и, в конечном итоге, снизить себестоимость продукции. Кроме того, индукционный нагрев не дает обезуглероженного слоя и окалины, что отражается на качестве. Оперативно изменяя мощность преобразователя частоты, изготавливая индукторы специальной конструкции, оказывается возможным регулирование температуры нагрева заготовок. Выбор рабочей частоты генератора позволяет управлять глубиной прогрева, что широко используется в индукционных закалочных установках.

Главные области применения индукционного нагрева:

- Плавка чугуна, стали и цветных металлов с температурой до 1650 °C.

- Нагрев заготовок для ковки до температуры 1250 °C.

- Закалка поверхности деталей из стали и литье при 850 – 930 °C (отпуск 200 – 300°C).

- Пайка деталей и узлов твердыми припоями до 1100 °C

- Мягкий отжиг и нормализация после холодной формовки при 750 – 950 °C.

Индукционный нагрев наиболее эффективен в условиях серийного производства.

Преимущества этого метода составляют:

 1. Достаточно высокий КПД, примерно 60…70%;

 2. Большая скорость нагрева, а значит и производительность;

 3. Возможность обеспечения поточного характера производства;

4. Минимальные затраты времени на подготовку к работе в сравнении печным нагревом;

5. Возможность автоматизации и механизации процесса и регулирования режима установки;

6. Возможность достижения высокой степени автоматизации;

7. Малый угар металла, который в 2-4 раза меньше, чем в пламенных печах и печах сопротивления;

8. Увеличение сроков службы штампов на 20-30% вследствие уменьшения слоя окалины;

9. Малая производственная площадь, занимаемая непосредственно нагревателем;

10. Улучшение условий труда благодаря резкому уменьшению выделения тепла, газов и твердых частиц;

Целью нагрева обычно является получение заданной температуры с определенной допустимой неравномерностью по объему изделия. Для сталей температура находится в диапазоне 1000…1250 C°.

В связи с этим, на предприятиях, производящих заготовки методом горячей штамповки сериями, протекает процесс замены газовых печей на индукционные.

Таким образом, осуществляется, по сути, "косвенный" нагрев. В индукционных нагревательных установках, магнитный поток, созданный током генератора, пронизывает металл, находящийся в индукторе. Под действием магнитного потока, в металле (заготовке) протекают индуцированные токи, непосредственно воздействуя на структуру металла, и как следствие, нагревая его. Интенсивность нагрева пропорциональна мощности источника тока, рабочей частоте (частоте изменения магнитного поля) и зависит от физических свойств металла.

В промышленности широко применяется сквозной индукционный нагрев под пластическую деформацию: объёмную штамповку, ковку, прокатку, прессование, волочение. Нагреву подвергаются стали разных типов: от углеродистых до легированных, а также сплавы титана, алюминия меди и других металлов. Целью нагрева является обычно получение заданной температуры с определённой допустимой неравномерностью по объёму изделия. Время нагрева и удельная мощность определяются из условия достижения требуемого распределения температуры.

Индукционные нагревательные установки для нагрева заготовок под горячую ковку в кузнечных цехах имеют следующие преимущества:

1. Большая скорость нагрева, а значит и производительность.

2. Возможность обеспечения поточного характера производства.

3. Возможность автоматизации и механизации процесса и регулирования электрического режима установки.

4. Малый угар металла и меньший брак из-за штамповки окалины.

5. Малая производственная площадь, занимаемая непосредственно нагревателем.

6. Малое загрязнение воздушной среды, малое выделение теплоты, облегчение труда рабочих, чистота рабочего места.

7. Высокое качество термообработки и повышение стойкости штампов из-за меньшего количества окалины.

Установки индукционного нагрева имеют сравнительно высокий КПД, поскольку теплота выделяется в самом нагреваемом изделии без использования какого-либо теплоносителя, что дает высокие скорости нагрева и производительность. Непрерывный режим работы нагревателей позволяет размещать их в непосредственной близости от ковочного оборудования, молотов, прессов.

Для индукционных установок сквозного нагрева используют ток частотой от 50 до 10 000 Гц от промышленных сетей и преобразователей частоты.

Путем подбора частоты для определенного диаметра детали можно добиться прогрева только поверхностного слоя требуемой глубины либо более глубокого - глубинного прогрева.

Для нагревательных индукционных установок выбор частоты должен производиться таким образом, чтобы обеспечить глубинный тип нагрева, так как при этом будет меньше перегрев поверхности заготовок и выше КПД. Уменьшая частоту, можно увеличить «горячую» глубину проникновения тока.

Для эффективного нагрева стальных заготовок диаметром D, мм, рекомендуются следующие частоты тока:

Если в индукторе находится одна заготовка, длина её для обеспечения равномерного нагрева концов и середины должна быть несколько меньше длины индуктора.

После подключения такого индуктора к источнику питания высокой частоты начинается процесс нагрева, после достижения заготовкой требуемой температуры нагрев выключается. Заготовка выдаётся из индуктора для последующей обработки. Такой способ нагрева называется периодическим. Применяется также другой способ нагрева, когда в индукторе одновременно находятся несколько заготовок. В индуктор через определенные интервалы времени подается очередная заготовка, при этом из него выталкивается заготовка, нагретая до заданной температуры. Если одновременно в индукторе находится достаточно большое количество заготовок, режим работы такого индуктора при постоянстве напряжения в нём практически можно считать постоянным. Этот способ называется методическим.

Подводя итог всего вышесказанного, можно с уверенностью сказать, что через совсем небольшой промежуток времени машиностроительные и металлургические предприятия полностью перейдут на индукционный нагрев. Для подтверждения всех указанных в данной статье преимуществ данного нагрева, ООО «Термолит» предлагает широкий перечень индукционного оборудования для литья, нагрева, закалки и пайки. Предприятие производит индукционные плавильные печи емкостью от 30 кг до 2500 кг, тиристорные преобразователи частоты мощностью от 50 кВт до 1600 кВт, индукционные нагревательные и закалочные установки мощностью от 50 кВт до 1600 кВт, высокочастотные транзисторные генераторы мощностью от 2,5 кВт до 200 кВт. Все оборудование сертифицировано и изготавливается в максимально сжатые сроки.

Надеемся на плодотворное и взаимовыгодное сотрудничество!