С помощью инновационного и высокотехнологичного устройства, каким является индукционный нагреватель, можно воздействовать на металлический предмет и значительно повышать его температуру без непосредственного контакта с ним. При этом, транспортировщиком энергии от нагревателя до обрабатываемого изделия выступает переменное магнитное поле, которое возбуждается индуктором в следствии протекания через его обмотку переменного тока определенной частоты. Здесь следует уточнить, что индуктор входит в состав нагревателя и представляет собой катушку из одного или нескольких витков проводника.
Сегодня индукционные нагреватели используют во многих отраслях промышленности. Благодаря возможности быстрого и контролируемого нагрева металлических поверхностей, такие установки применяют для поверхностной закалки изделий, изгиба труб и профильного проката, плавления металлов и сплавов, пайки сложных конструкций, термической обработки биметаллических изделий и многого другого.
Тем бизнесменам, технологам и кузнецам, кто решил купить индукционный нагреватель и установить его на своем предприятии, рекомендуется обратить особое внимание на технические характеристики и соответствие выбранного оборудования потребностям производства. Но перед этим важно понять, как эта установка функционирует и зачем нужны те или иные ее узлы. Ответить на интересующие многих вопросы поможет данная статья. Учтите, что в ней идет речь только о промышленных индукционных нагревателях металлов и не рассматриваются индукционные нагреватели для воды.
В общем случае индукционный нагреватель металла состоит из трех ключевых узлов – индуктора, преобразователя частоты и системы охлаждения. Далее рассмотрим работу каждого из них более подробно.
Как уже отмечалось ранее, в основе работы данной установки лежит закон электромагнитной индукции или закон Фарадея. Согласно этому закону переменное магнитное поле возбуждает в облучаемом металле вихревые токи (другое название – токи Фуко), которые в процессе циркуляции встречают омическое сопротивление материала, а в сталях перемагничивают ферромагнитую составляющую, что в свою очередь, вызывает сильный нагрев его поверхности. Таким образом, если в индуктор, генерирующий достаточно мощное магнитное поле, или рядом с ним разместить металлическую заготовку, то через какой-то промежуток времени ее можно нагреть до конкретной температуры. Естественно, что внутри индукционной катушки интенсивность магнитного поля и количество силовых линий намного больше, чем извне, а, следовательно, в заготовке, расположенной внутри индуктора, вихревые токи тоже будут сильнее и более интенсивным будет ее разогрев.
Здесь нужно уточнить, что глубина индукционного нагрева обрабатываемого изделия непосредственно зависит от частоты переменного тока, протекающего в самом индукторе, и обычно составляет 0,1-10 мм. Если обрабатываемое изделие требуется прогреть глубже, например, для осуществления горячей штамповки, то нужно иметь ввиду - последующее проникновение тепла осуществляется исключительно за счет теплопередачи и может занять сравнительно долгое время.
Конструкция и размеры индуктора во многом определяются формой и габаритами обрабатываемых заготовок. Например, индукционный нагреватель для болтов и гаек, как правило, имеет спиралевидную катушку из нескольких витков, что обеспечивает равномерный нагрев вокруг металлической детали, а длина и диаметр индуктора должны быть достаточными, чтобы создать необходимую зону нагрева, и могут варьировать в зависимости от размеров, обрабатываемого изделия.
Данное устройство предназначено для преобразования переменного тока промышленной частоты в переменный ток повышенной частоты, близкой к резонансной частоте контура нагревателя, который состоит из емкости установки и индуктивности используемого индуктора. Только на резонансной частоте достигается максимальный КПД установки, поэтому, в случае изменения режимов ее работы или при подключении другого индуктора с иными параметрами, у преобразователя должна быть предусмотрена возможность подстроить выходную частоту. Преобразователи частоты ранее делали на генераторах машинного типа и подстройку частоты генерации на них производили вручную, переключая банки конденсаторов. Позднее появились тиристорные преобразователи частоты - ТПЧ, они уже могли в небольших пределах подстраивать резонансную частоты автоматически. Более широкие возможности автоматической подстройки частоты появились с применением транзисторных преобразователей частоты - ТРПЧ. Но и они могут подстраивать частоту под параметры индуктивного контура в ограниченных пределах, как правило не более чем плюс минус 50% от средней рабочей частоты. Это накладывает жесткие ограничения на параметры используемых индукторов. Их индуктивность не может отклоняться от, рекомендуемой производителем, более чем на те же плюс минус 50%.
Схема генераторной части преобразователя может быть так же построена на лампах. Ламповые преобразователи используют и сейчас, т.к. они достаточно хорошо работают на частотах выше 300 кГц, однако их ресурс ограничен и в среднем составляет 3000 часов. Выходная частота регулируется с помощью дополнительного набора конденсаторов и КПД такого устройства не превышает 60%. Что касается полупроводниковых преобразователей, то тиристорные схемы, как правило, используются для генерации сравнительно низких частоты в 1-10 кГц, при большой выходной мощности. А транзисторные – для генерации высокой частоты 30-800 кГц. КПД таких полупроводниковых преобразователей находится в пределах 85-93%.
Безаварийная эксплуатация и непрерывное функционирование современного индукционного нагревателя не мыслимо без эффективной системы охлаждения. Токи, действующие в цепях индукционного оборудования, приводят к сильному нагреву токоведущих проводников, транзисторов (тиристоров или ламп); диодов; конденсаторов; индукторов и трансформаторов. Поэтому от 50 до 90% силовых элементов таких установок оснащены системой принудительного водяного охлаждения. Приходится интенсивно охлаждать водой даже ферритовые сердечники дросселей и трансформаторов.
Подробнее о системах охлаждения ТВЧ установок.
В качестве охлаждающей жидкости может использоваться как дистиллированная вода, так и антифриз, в частности, этиленгликоль. Однако эксперты рекомендуют остановиться на первом варианте. Для этого есть несколько причин: отсутствует отложение солей (не сужаются охлаждающие каналы); невозможно электролизное разъедание каналов и радиаторов; дистиллированная вода характеризуется низкой проводимостью, а значит низкая вероятность получения ударов электрическим током и замыкания токоведущих проводников при случайном попадании на них охлаждающей жидкости.
К остальным 10% относятся маломощные аппараты, в которых может использоваться как принудительное, так и свободное воздушное охлаждение, для чего на полупроводниковых элементах (транзисторах или тиристорах) преобразователя частоты устанавливают специальные радиаторы. Такие установки удобны, когда требуется провести несложные операции в ограниченном пространстве. В частности, индукционный нагреватель Микроша в 2000 Вт оснащен только воздушным охлаждением.
В настоящее время все индукционные нагреватели принято разделять по диапазону генерируемых частот, от которого во многом зависит область применения такого оборудования
Нагреватели представленной группы позволяют работать с небольшой частотой, находящейся в пределах 0,5-20 кГц. При этом, их выходное напряжение обычно составляет 100-550 В, а действующий ток в индукторе может доходить до 100-200 А. Данным установкам характерна максимальная глубина (до 10 мм) горячего проникновения генерируемого индукционного поля. В качестве индуктора допустимо использовать широкие катушки для применения в тигельных печах или длинные – для использования в кузнечных нагревателях.
К основным задачам, решаемым с помощью среднечастотных нагревателей, относится: осуществление плавки различных металлов; проведение глубокого нагрева различных заготовок для дальнейшей горячей штамповки; выполнение закалки металла на максимальную глубину. Здесь нужно уточнить, что при глубокой закалке с использованием индуктора, имеющего небольшое количество витков, между ним и преобразователем частоты следует включить закалочный трансформатор. Это позволит снизить выходное напряжение и при необходимости увеличить ток в индукторе до 10 -12 тысяч Ампер.
Подробнее о среднечастотных установках.
Индукционные установки из этой группы дают возможность изменять частоту тока, действующего в индукторе, в одном из двух диапазонов: 20-40 кГц либо 30-100 кГц. Таким нагревателям свойственна небольшая глубина (2-3 мм) горячего проникновения генерируемого индукционного поля. Их особенностью является обязательное наличие понижающего трансформатора с нагруженным на него индуктором из 1-4 витков. При этом, диаметр намотки расширяется с поднятием мощности преобразователя частот. Например, к установке мощностью 15 кВт и выходном токе 800А вполне допустимо подключить либо 4-х витковую катушку с внутренним диаметром 40 мм,либо одновитковую катушку с внутренним диаметром 120 мм.
Благодаря своим параметрам и техническим характеристикам, высокочастотные индукционные нагреватели могут успешно использоваться для следующих целей: проведение поверхностной закалки разнообразных валов, труб, шестерен, крановых колес и направляющих; осуществление нагрева деталей, изделий и заготовок непосредственно перед изгибанием; выполнение пайки твердосплавных наконечников; проведение сварки при изготовлении стальных труб; осуществление одновременного нагрева нескольких заготовок для горячей штамповки. Диапазон рабочих мощностей высокочастотных индукционных нагревателей простирается от 1 до 1000 кВт.
Подробнее о высокочастотных установках.
Примером устройств, имеющих небольшую мощность, может служить индукционный нагреватель Микроша 2000, который широко используется автослесарями для выравнивания тяг и рычагов; прогрева перед откручиванием приржавевших болтов и гаек; обработки плоских металлических поверхностей.
Данные транзисторные индукционные нагреватели обеспечивают обработку металла посредством индуктора из 0,5-2 витков, нагруженного на преобразователь с частотой в пределах 0,1-1,5 МГц. Эти установки обеспечивают небольшую глубину (до 1 мм) горячего проникновения генерируемого индукционного поля. Здесь нужно отметить, что если осуществлять закалку на малую глубину, то можно снизить или исключить деформацию изделий, вызванную остаточными закалочными напряжениями. Конструктивной особенностью представленных нагревателей является то, что в выходном понижающем трансформаторе предусмотрена возможность подключения такого количества витков первичной обмотки, которое необходимо для полного согласования преобразователя с индуктором.
Подробнее о сверхвысокочастотных установках.
Такие установки незаменимы, когда требуется осуществить закалку длинных деталей станков, в том числе осей и направляющих; качественно и быстро прогреть движущуюся проволоку; обработать тонкостенные трубки или небольшие заготовки из цветных металлов. Кроме того, посредством СВЧ нагревателей можно осуществить прецизионную пайку очень малых деталей, в частности, различных термодатчиков или наконечников из твердосплавных материалов на дисковые пилы для работы по дереву.
Применение индукционных установок позволяет значительно повысить качественные показатели сложных технологических операций, существенно поднять производительность труда и обеспечить условия для перевода производства на новый уровень, предполагающий широкую механизацию и максимальную автоматизацию процессов.
Ключевым достоинством индукционных нагревателей является возможность равномерного, контролируемого и точного нагрева поверхностных слоев металлических объектов произвольной формы посредством передачи энергии изделию без его прямого контакта с нагревателем. При этом, такие устройства экономичны, не загрязняют окружающую среду, не требуют предварительного разогрева и не причиняют механических повреждений обрабатываемым деталям. К тому же имеют исключительно малое потребление электроэнергии холостого хода и мгновенную отдачу необходимой мощности в индуктор.
Автор статьи директор компании «Мосиндуктор»
© 2025 Кучеров Вячеслав Васильевич
Авторские права защищены.
Гарантируется судебное преследование
за размещение статьи или ее части
на любом сайте кроме www.mosinductor.ru
Примечание: Допускается использование студентами для дипломных и курсовых работ.
