Что это? Индукционный нагреватель для металла – это оборудование, принцип работы которого состоит в бесконтактном нагреве металлических деталей токами высокой частоты. Используются средне-, высоко-, сверхвысокочастотные нагреватели.
Как выбрать? Выбор того или иного нагревателя зависит от задач, которые стоят перед автосервисом. Помимо мощности, необходимо обращать внимание на диапазон рабочей температуры, размер рабочей камеры и другие не менее важные параметры.
В этой статье:
Преимущества индукционного нагрева
Индукционным нагревом называют ряд технологий, позволяющих производить бесконтактный нагрев того или иного электропроводящего материала с помощью токов высокой частоты. Работа таких устройств основана на принципе создания электромагнитных полей в результате воздействия переменного тока на обмотку трансформатора.
Возникающее магнитное поле вызывает образование между магнитными и немагнитными элементами электрических токов, которые нагревают электропроводящий материал.
Преимущества индукционного нагрева
Далее расскажем, как работает индукционный нагреватель металла и в чем заключаются его главные преимущества:
- быстрое и равномерное нагревание заготовок позволяет свести к минимуму вероятность температурных деформаций;
- универсальность метода делает возможным его применение при различных видах термообработки металлических деталей без риска их повреждения, так как отсутствует механическое воздействие;
- индукционным нагревателям свойственны безопасность и равномерное качественное нагревание заготовок;
- такие устройства отличаются экологичностью – работают, не выделяя вредные вещества и не выбрасывая в атмосферу дым;
- метод выгодно отличается от других крайне высокой экономичностью, так как позволяет преобразовывать в тепловую до 90 % потребленной электрической энергии;
- процесс термообработки металлических заготовок с помощью индукционных нагревателей легко автоматизируется и не требует дополнительного обучения операторов.
Принцип работы индукционного нагревателя для металла
Индукционный нагреватель металла работает за счет разогрева электропроводящего материала заготовки индуцированными в нем вихревыми токами.
Электромагнитная индукция порождает в сплошном проводнике, помещенном в переменное электрическое поле, вихревые токи, а затраченная на создание этих токов энергия преобразуется в тепловую, что и вызывает нагревание.
Уменьшить потери энергии и устранить нагрев проводников позволяет применение вместо сплошных специальных слоистых материалов со слоями, разделенными изоляцией, которая служит препятствием для возникновения вихревых токов большой силы. С этой целью для изготовления сердечников трансформаторов, якорей генераторов и других подобных элементов используют тонкую листовую сталь, покрытую слоем специального изолирующего лака.
Воздействие переменного магнитного поля высокой частоты на электропроводящие материалы приводит к возникновению замкнутых токов высокой плотности и разогреву материала с дальнейшим расплавлением. Первое описание этого эффекта принадлежит Майклу Фарадею, который открыл электромагнитную индукцию в тридцатых годах XX века.
Переменная электродвижущая сила наводится изменяющимся во времени магнитным полем в проводниках, пересекающихся его силовыми линиями. Роль такого проводника может выполнять цельный кусок металла, обмотка или сердечник трансформаторов.
Наведение электродвижущей силы в обмотке приводит к формированию трансформатора или приемника. Аналогичный процесс, затрагивающий магнитопровод или накоротко замкнутую обмотку становится причиной их индукционного нагрева.
Принцип работы индукционного нагревателя для металла
Если неправильно спроектировать, к примеру, трансформатор, нагревание, которое вызывают токи Фуко, будет приносить вред, однако в случае с индукционными нагревателями схожие процессы выполняют полезную работу.
Если рассматривать характер нагрузки, индукционный нагреватель с помещенной в него для разогрева токопроводящей заготовкой представляет собой частный случай трансформатора с одним витком замкнутой вторичной обмотки. Крайне малое сопротивление материала позволяет даже при небольшом наведенном вихревом электрическом поле создавать ток такой плотности, которой достаточно для выраженного теплового действия, применяемого для термической обработки металла.
Первый действующий образец подобной канальной печи, питающейся током, частота которого колебалась в диапазоне от 50 до 60 герц, был создан шведскими инженерами в 1900 году. Нагреватель производил канальную плавку стальных сплавов в тигле, представлявшем собой закороченный виток вторичной обмотки трансформатора. Коэффициент полезного действия этого устройства составлял всего 50 %, а значит, его нельзя было назвать экономичным.
Современные индукционные нагреватели изготавливаются в виде трансформаторов, лишенных сердечников. В роли обмотки, делающей от одного до нескольких витков, выступает относительно толстая медная трубка, через которую насос системы активного охлаждения прокачивает хладагент. В зависимости от требуемого режима и величины нагрева заготовки частота переменного тока, подаваемого на катушку индуктивности (в данном случае электропроводящий металл, из которого выполнена трубка), может меняться и измеряться кило- и даже мегагерцами.
Это явление, выражающееся в том, что плотность токов достигает максимальных значений в тонком поверхностном слое разогреваемого материала, принято называть скин-эффектом. Чем ниже частота тока и выше удельное электрическое сопротивление металла, тем больше толщина скин-слоя.
К примеру, при нагревании медных заготовок переменным током частотой 2 МГц толщина скин-слоя составляет всего 0,25 мм. При этом разогрев внутренних слоев материала происходит не за счет вихревых токов, а благодаря тепловой энергии, поступающей от скин-слоя, которой достаточно для быстрого разогрева и даже плавления обрабатываемого металла.
Типы индукционных нагревателей
Классификация современных индукционных нагревателей основывается на диапазоне рабочих частот, определяющем области применения того или иного типа оборудования:
Среднечастотные индукционные нагреватели (СЧ)
Рабочие частоты таких индукционных нагревателей обычно колеблются в диапазоне от 0,5 до 20 кГц. С такой низкой частотой связано их назначение – СЧ-устройства применяются для плавки металлов как черных, так и цветных, глубокого нагрева заготовок перед горячей штамповкой, глубокой закалки изделий, к примеру, крановых колес. Максимально возможная глубина, на которую проникает индукционное поле, разогревая материал, составляет 1 см от поверхности заготовок.
Для среднечастотных высоковольтных (СЧВ) индукционных нагревателей на средних мощностях величина выходного напряжения колеблется от 100 до 550 В, а сила тока – от 100 до 200 А, благодаря чему становится возможным подключение на выход ТВЧ-генераторов индукционных катушек, имеющих большое количество витков и высокую индуктивность. Такие характеристики позволяют изготавливать широкие индукционные катушки, которые применяются в индукционных тигельных плавильных печах, и длинные – для установки в индукционных кузнечных нагревателях.
В случае необходимости применения среднечастотного индукционного нагревателя при глубокой закалке металла в роли нагрузки выступает катушка с небольшим количеством витков, последняя подключается к ТВЧ-установке через трансформатор, понижающий выходное напряжение и увеличивающий силу тока. При попытке подключения низкоиндуктивной катушки с малым количеством витков напрямую запустить процесс попросту не удастся.
Как правило, в закалочных трансформаторах предусматривается возможность применения перемычек для подключения заданного количества витков для максимального согласования с нагрузкой – закалочным индуктором. Важно помнить, что рабочие частоты у большей части закалочных трансформаторов не превышают 10 кГц.
Мощность современных транзисторных среднечастотных индукционных установок, собираемых на JGBT-модулях, колеблется от 5 кВт до 5 МВт. Обычно такие аппараты оснащаются на выходе водоохлаждаемым конденсатором или конденсаторной батареей.
Типы индукционных нагревателей
Необходимо также упомянуть о среднечастотных низковольтных (СЧН) индукционных нагревателях, входящих в эту же группу и работающих в диапазоне частот от 5 до 20 кГц. Их особенность заключается в том, что классическая схема сборки сочетается с подключением на выходе высокочастотного трансформатора, который входит в конструкцию самой установки. При выходном напряжении порядка 100 В такие нагреватели выдают токи 3 000–10 000 А, что делает возможным нагрев заготовок перед закалкой маловитковыми индукторами, не оснащенными закалочным трансформатором.
Такие нагреватели с мощностью на выходе от 40 до 500 кВт позволяют осуществлять кузнечные работы с ручной подачей поковок, нагрев и пайку больших элементов, сканирующую (непрерывно-последовательную) термическую обработку (закалку и отпуск) валов и зубчатых колес большого диаметра.
Высокочастотные индукционные нагреватели (ВЧ)
Такие установки обычно выпускаются с выходным частотным диапазоном от 20 до 40 или от 30 до 100 кГц и всегда оснащаются на выходе понижающими высокочастотными трансформаторами. Последние нагружаются на индукционные катушки, количество витков в которых колеблется от 1 до 4, а диаметр тем больше, чем большей мощностью обладает ТВЧ-генератор.
К примеру, четырехвитковая индукционная катушка с диаметром 40 мм или одновитковая с диаметром 120 мм позволяют нагрузить их индукционным нагревателем, мощность которого при выходном токе, равном 800 А, составляет 15 кВт.
А четырехвитковая индукционная катушка с диаметром 60 мм или двухвитковая с диаметром 500 мм могут быть нагружены установкой индукционного нагрева, мощность которой при выходном токе 3 300 А составит 80 кВт.
Этот частотный диапазон обеспечивает глубину горячего проникновения индукционного поля от 2 до 3 мм. Если требуется прогреть заготовку на большую глубину, необходимо увеличить время воздействия. Источником дальнейшего нагревания служит теплопередача.
Благодаря перечисленным характеристикам высокочастотными установками разогревают перед поверхностной закалкой валы, шестерни и крановые колеса. С помощью такого оборудования нагревают детали, которые необходимо согнуть, болты перед горячей штамповкой (высадкой), а также осуществляют напайку твердосплавных головок на резцы, фрезы и буровые коронки, сварку и наварку слоев металла высокой прочности для восстановления изделий. С помощью ТВЧ-нагревателей сваривают прямошовные стальные трубы.
Такое оборудование позволяет осуществлять плавку цветных металлов как в графитовых тиглях, так и без них (в первом случае плавку осуществляют с помощью параллельных индукционных катушек, разделенных на секции, что позволяет охватывать большую поверхность при относительно небольшой суммарной индуктивности).
В нашей стране индукционными нагревателями мощностью от 10 до 30 кВт широко пользуются, напаивая твердосплавные и алмазные наконечники на зубья дисковых пил. Если речь идет о полотнах малой толщины, обычно применяют ТВЧ-установки с частотами от 100 до 250 кГц и более при мощности от 5 до 10 кВт.
От прочих типов индукционных установок ТВЧ-устройства отличаются своей универсальностью.
Сверхвысокочастотные индукционные нагреватели (СВЧ)
Такие установки, обладая выходным диапазоном частот от 100 кГц до 1,5 МГц и обеспечивая горячее проникновение на глубину до 1 мм, применяются в основном для поверхностной закалки деталей из стальных сплавов и нагрева тонкой проволоки и металла в пластинах.
Благодаря малой глубине горячего проникновения сверхвысокочастотные установки позволяют осуществлять закалку металлических заготовок с минимальными температурными деформациями, к которым обычно приводят закалочные напряжения. Эта особенность важна при термической обработке деталей малого сечения или толщины при большой длине или площади.
Индукционные СВЧ-нагреватели применяются для закалки таких изделий из металла, как длинные оси и направляющие станков. Подобное оборудование позволяет производить быстрый нагрев движущейся тонкой проволоки, тонкостенных трубок и полос цветного металла. Также сверхвысокочастотные установки применяются для филигранной локальной пайки мелких деталей, к примеру, термодатчиков на газовых плитах. При мощности от 3,5 до 6 кВт и частоте от 500 до 1500 кГц такое оборудование отлично справляется с напайкой наконечников из твердых сплавов на зубья дисковых пил по дереву.
Изготовленные на JGBT-модулях и MOSFET-транзисторах СВЧ-установки обладают мощностью от 3,5 до 500 кВт. Прямошовные стальные трубы и трубы из цветного металла сваривают с помощью профессиональных станков большей мощности.
Сверхвысокочастотные индукционные нагреватели нагружают на индукционные катушки, количество витков в которых колеблется от 0,5 до 2. Установки средней мощности оснащаются функцией переключения количества входных витков СВЧ-трансформаторов, что позволяет согласовывать его с количеством витков индукционных катушек.
СВЧ-установки работают с небольшим выходным напряжением в сочетании с большими токами в индукционных катушках.
Критерии выбора индукционного нагревателя для автосервиса
Современный рынок предлагает широкий ассортимент различных индукционных нагревательных установок. Конкретная модификация предназначена для выполнения определенного набора функций и обработки заготовок различных размеров и конфигураций. При выборе оборудования учитываются три главных показателя:
- формат нагреваемых заготовок;
- мощность установки;
- габаритные размеры и конфигурация установки.
Правильное соотношение этих параметров позволяет подобрать оптимальные варианты для решения конкретных задач. Прочие вспомогательные показатели позволяют более точно определить специфику заготовок, которые можно подвергать термической обработке на том или ином оборудовании.
Для того чтобы правильно выбрать и купить индукционный нагреватель металла, в первую очередь необходимо определиться с характером операций, которые необходимо на нем выполнять. Важную роль здесь играют размеры и материал заготовок. Выбор установки зависит от:
- минимального внутреннего и максимального внешнего диаметров деталей;
- высоты;
- массы;
- материала обрабатываемых заготовок.
Таблица соответствия параметров:
| Материал | Алюминий | Магнитная сталь | Латунь | Медь | Немагнитная сталь | Частота источника питания, кГц | Мощность, кВт |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Температура нагрева, °С | 500 | 700 | 800 | 900 | 1250 | ||
| Коэффициент полезного действия, % | 0,4 | 0,8 | 0,5 | 0,4 | 0,65 | ||
| Диаметр изделия, мм | 50 | От 27 до 75 | 110 | 50 | От 150 до 500 | 0,05 | От 320 до 800 |
| От 22 до 800 | От 8 до 35 | От 35 до 440 | От 22 до 800 | От 60 до 250 | 0,5 | ||
| От 15 до 600 | От 6 до 25 | От 30 до 300 | От 15 до 600 | От 40 до 175 | 1 | ||
| От 9 до 350 | От 3,5 до 14 | От 15 до 180 | От 9 до 350 | От 30 до 100 | 2,4 | От 100 до 800 | |
| От 7 до 260 | От 2,5 до 10,5 | От 10 до 130 | От 7 до 260 | От 20 до 85 | 4 | От 100 до 320 | |
| От 5 до 180 | От 2 до 8,5 | От 8 до 100 | От 5 до 180 | От 14 до 60 | От 8 до 10 | От 10 до 320 | |
| От 3 до 125 | От 1,5 до 5,5 | От 6 до 75 | От 3 до 125 | От 10 до 40 | От 18 до 22 | От 10 до 160 | |
| От 2 до 75 | От 0,7 до 3 | от 3,5 до 40 | От 2 до 75 | От 4 до 22 | От 44 до 66 | ||
| От 1,75 до 6 | От 0,5 до 2 | От 2,5 до 30 | От 1,75 до 60 | От 3 до 17 | 100 | ||
| От 0,6 до 20 | От 0,2 до 1 | От 1,2 до 15 | От 0,6 до 20 | От 1,8 до 8 | 500 |
По приведенным в таблице данным можно правильно выбрать мощность приобретаемого оборудования.
Критерии выбора индукционного нагревателя для автосервиса
Каким должен быть оптимальный индукционный нагреватель?
Ответить на этот вопрос можно, только точно определив круг задач, которые будут решаться с помощью конкретной модели. Специалисты рекомендуют при выборе исходить из:
- диапазона рабочей температуры;
- размеров рабочей камеры;
- массы и размера установки;
- наличия таймера;
- наличия системы автоматического размагничивания;
- наличия системы защиты от перегрева;
- наличия блока дистанционного управления;
- наличия поворотных стержней.
Также важно учесть характеристики систем охлаждения и фильтрации воды, ремонтопригодность оборудования и длительность гарантии, которую предоставляет производитель.
С учетом приведенных выше рекомендаций можно подобрать модель индукционного нагревателя, оптимальную для выполнения конкретного перечня работ.
