Индуктор установки индукционного нагрева

 

Изобретение относится к области электротермии и может использоваться в установках индукционного нагрева в различных отраслях народного хозяйства, а именно в индукционных тигельных плавильных печах вертикального, горизонтального типа, в канальных печах, а также в нагревательных устройствах для поверхностного нагрева, закалки, сквозного нагрева заготовок для последующей их обработки давлением (прокатки, ковки, штамповки, гибки, сварки). Технический результат, заключающийся в сигнализации расхода электроэнергии и потребляемой мощности, достигается тем, что в индукторе установки индукционного нагрева, содержащем полый индуктирующий провод, охлаждаемый изнутри хладагентом, поперечное сечение которого выполнено составным, при этом по меньшей мере одна часть выполнена из материала с удельной электрической проводимостью, равной (20-55)•10⁶•1/Ом•м, и относительной магнитной проницаемостью, равной 1-3, например из меди, а также токоподводящие к проводу шины и башмаки, согласно изобретению индуктирующий провод выполнен биметаллическим по всей длине его активной части, при этом часть провода, обращенная к нагреваемой поверхности нагреваемого тела, выполнена из меди, а другая часть провода - из материала с относительной магнитной проницаемостью, равной или большей 150, например из низкоуглеродистой конструкционной стали. 13 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области электротермии и может использоваться в установках индукционного нагрева в различных отраслях народного хозяйства, а именно в индукционных тигельных плавильных печах вертикального, горизонтального типа, в канальных печах, а также в нагревательных устройствах для поверхностной закалки, сквозного нагрева заготовок для последующей их обработки давлением /прокатки, ковки, штамповки, гибки, сварки/.

Изобретение может использоваться для нагрева химических реакторов.

Известен индуктор, используемый в операциях листовой штамповки путем магнитно-импульсного формирования плоских деталей /см. патент России 2130352, М. Кл. 6: В 21 Д 26/14, опубл. 20.05.99г., "Индуктор для магнитоимпульсной обработки"/.

Индуктор содержит плоскую токоведущую спираль с зазором между витками и отверстием, образованным центральным витком. В индукторе имеются дополнительно два короткозамкнутых витка из электропроводного материала, крышка из немагнитного материала и закрепленный на крышке между индуктором и формируемой деталью третий короткозамкнутый виток из электропроводного материала с высокой проводимостью.

Недостатками известного индуктора являются невысокий КПД и невозможность термообработки цилиндрических поверхностей изделий. Низкий КПД обусловлен конструктивными параметрами зазора между индуктором и наружной поверхностью нагреваемого изделия.

Установки индукционного нагрева нашли широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. Они постоянно совершенствуются, расширяется сфера их применения, растет коэффициент их полезного действия. Однако увеличение КПД установок происходит, в основном, за счет совершенствования источников электропитания индукторов, вспомогательных устройств и совершенствования технологии производства. Сами индукторы имеют довольно низкий КПД передачи энергии системы "индуктор-нагреваемое тело" благодаря высоким потерям энергии электромагнитного поля в окружающее пространство, а повышение их КПД достигают, в основном, за счет установки вблизи индуктирующих проводов индукторов магнитопроводов различных конструкций.

Известен индуктор, состоящий из индуктирующего провода, создающего электромагнитное поле, необходимое для индуктирования тока в нагреваемом теле /активная часть индуктора/, токоподводящих к нему шин и колодок, служащих для электрического соединения индуктора с источником питания, системы подачи к индуктору хладагента, а также других вспомогательных устройств /см. книгу "Индукторы", А.Е.Слухоцкий, Л., Машиностроение, 1989г., стр.4-5/.

Основной частью известного индуктора является индуктирующий провод, конструкция которого в значительной мере определяет эффективность работы индуктора. Индуктирующий провод выполняется из меди или сплавов на ее основе, имеющих высокую удельную электрическую проводимость, равную (20-55)•10⁶/Ом•м, высокую теплопроводность и низкую относительную магнитную проницаемость, равную 1-3. Такая конструкция позволяет снизить электрические потери, величину индуктивности провода и эффективно отводить от него тепло хладагентом.

Недостатком данного индуктора является низкий КПД и невысокие технологические возможности. Эти недостатки объясняются влиянием на величину КПД радиального зазора между индуктором и наружной поверхностью нагреваемого тела, определяемого исходя из конструктивного выполнения индуктора, и конструкцией индуктирующего провода, не позволяющей вести термообработку изделий с различной конфигурацией поверхностей.

Все индукторы по конструкции индуктирующего провода условно можно разделить на четыре группы: - индукторы для нагрева внешних цилиндрических поверхностей: закалочные, для нагрева балок и рельсов при гибке, для тигельных плавильных печей, для печей сквозного нагрева; - индукторы для нагрева внутренних цилиндрических поверхностей; - индукторы для нагрева плоских поверхностей; - индукторы для нагрева поверхностей сложной формы.

В индукторах для нагрева внешних цилиндрических поверхностей /см. книгу "Установки индукционного нагрева", под ред. А.Е.Слухоцкого, Л., Энергоиздат, 1981г., стр.53-54/ существенно проявляет себя так называемый "кольцевой эффект", заключающийся в том, что величина плотности тока, протекающего по внутренней поверхности кольца индуктирующего провода и вблизи этой поверхности, выше протекающего по наружной поверхности кольца и вблизи нее. При этом он проявляет себя тем сильнее, чем выше частота тока и меньше радиус кривизны кольца.

В индукторах этого типа проявляет себя также "эффект близости", выражающийся в усилении неравномерности плотности тока при внесении внутрь кольца индуктора нагреваемого тела, поскольку индуктируемый в нагреваемом теле ток находится приблизительно в противофазе с током индуктора.

Указанные эффекты увеличивают КПД системы "индуктор-нагреваемое тело", поскольку вектор результирующего тока в индукторе приближается к нагреваемому телу, увеличивая напряженность магнитного поля вблизи последнего.

В названных индукторах существенное влияние на величину КПД оказывает величина радиального зазора между индуктором и наружной поверхностью нагреваемого тела. С уменьшением зазора КПД увеличивается и наоборот /см. книгу "Пути повышения КПД установок индукционного нагрева", В.А.Иванова, Ф.Я.Изакова, М.Л., Госэнергоиздат, 1961, стр.115-118/.

Особенно это явление проявляется в закалочных установках, где величина этого зазора колеблется от нескольких миллиметров до нескольких десятков миллиметров.

В плавильных печах и некоторых установках сквозного нагрева, где между индуктором и нагреваемым телом располагается диэлектрический слой теплоизоляции и огнеупоров, на КПД существенно влияет толщина этого слоя. Толщину теплоизоляции стремятся снизить до приемлемых пределов.

Существенное влияние на величину КПД оказывает высота сечения полого индуктирующего провода индуктора в радиальном к индуктору направлении. Величина этой высоты регламентируется прочностью и жесткостью провода, величиной и частотой протекающего по нему тока и пропускной способностью канала для протекания хладагента. Для установок средней и высокой мощности высота сечения измеряется десятками миллиметров. Несмотря на вышеупомянутый "кольцевой эффект", "эффект близости" и неравномерную вследствие этого плотность протекающего по и вблизи поверхности провода тока, ток в проводе протекает практически вблизи и по всей боковой поверхности /всему поперечному сечению/, а вектор результирующего тока располагается вблизи геометрической оси провода с незначительным смещением в сторону нагреваемого тела.

Поэтому с ростом высоты сечения провода результирующий ток удаляется от нагреваемого тела, тем самым уменьшая величину КПД.

Известен индуктор для нагрева внутренних цилиндрических поверхностей /см. книгу "Индукторы", А.Е.Слухоцкий, Л., Машиностроение, 1969г., стр.25-30/, представляющий собой одно или многовитковый соленоид, помещенный внутри отверстия нагреваемого тела. В этом случае "кольцевой эффект" не оказывает положительного действия на КПД системы "индуктор-нагреваемое тело", поскольку плотность тока, протекающего по и вблизи боковой поверхности индуктирующего провода, обращенной к нагреваемым стенкам, наименьшая по сравнению с плотностью тока, протекающего по и вблизи внутренней поверхности кольца провода. Поэтому величина КПД данного индуктора существенно ниже, чем у индуктора для нагрева внешних цилиндрических поверхностей.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому техническому решению является выбранный в качестве прототипа индуктор установки индукционного нагрева, содержащий полый индуктирующий многовитковый многослойный провод, охлаждаемый изнутри хладагентом, поперечное сечение части длины внутренних слоев которого выполнено составным, при этом по меньшей мере одна часть выполнена из материала с удельной электрической проводимостью, равной /20-55/•10⁶•1/Ом•м, и относительной магнитной проницаемостью, равной 1-3 /см. книгу "Установки индукционного нагрева", А. Е.Слухоцкий, Л., Энергоиздат, 1961г., стр.203-205, рис. 12-12.г/.

Составное сечение части длины внутренних слоев индуктирующего провода данного индуктора представляет собой совокупность медной шины прямоугольного сечения, к которой припаяна трубка прямоугольного сечения, внутри которой протекает хладагент.

Трубка выполнена из материала с большим удельным сопротивлением. Поскольку при частоте тока 50 Гц и выше индуктивное сопротивление провода многократно выше его активного сопротивления, выполнение трубки из материала с большим удельным сопротивлением практически не влияет на токораспределение в проводе.

Недостатками известного индуктора являются невысокий КПД системы "индуктор-нагреваемое тело" и невозможность термообработки изделий различной конфигурации, в том числе внешних и внутренних цилиндрических поверхностей.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение КПД системы "индуктор-нагреваемое тело" при одновременном расширении функциональных возможностей, связанных с нагревом изделий различной конфигурации, в том числе внешних, внутренних цилиндрических и плоских поверхностей.

Техническим результатом изобретения является снижение удельного расхода электроэнергии, потребляемой мощности преобразователя и общей стоимости установки индукционного нагрева.

Поставленная задача решается тем, что в индукторе установки индукционного нагрева, содержащем полый индуктирующий провод, охлаждаемый изнутри хладагентом, поперечное сечение которого выполнено составным, при этом по меньшей мере одна часть выполнена из материала с удельной электрической проводимостью, равной /20-55/•10⁶ 1/Ом•м, и относительной магнитной проницаемостью, равной 1-3, например из меди, а также токоподводящие к проводу шины и башмаки, согласно изобретению индуктирующий провод выполнен биметаллическим по всей длине его активной части, при этом часть провода, обращенная к нагреваемой поверхности нагреваемого тела, выполнена по меди, а другая часть провода - из материала с относительной магнитной проницаемостью, равной или большей 150, например из низкоуглеродистой конструкционной стали.

Поставленная задача также решается тем, что выполненная из меди часть провода припаяна к части, выполненной на низкоуглеродистой конструкционной стали.

Кроме того, часть поперечного сечения провода, выполненная из низкоуглеродистой стали, представляет собой квадратную конфигурацию.

Кроме того, часть поперечного сечения провода, выполненная из низкоуглеродистой стали, представляет собой кольцеобразное тело.

Глубина проникновения тока в индуктирующий провод зависит от частоты тока, удельной электрической проводимости и магнитной проницаемости материала провода. Для медной части провода глубина проникновения тока в индуктирующий провод будет меньше, чем глубина проникновения в часть провода, выполненную из низкоуглеродистой конструкционной стали. В случае выполнения индуктирующего провода целиком из меди индуктор будет работать в соответствии с традиционным решением, эпюра распределения плотности тока i, протекающего по проводу, по высоте сечения провода в радиальном направлении кольца будет иметь вид, близкий по форме к трапеции. В этом случае распределение плотности тока объясняется действием "кольцевого эффекта" и "эффекта близости". Причем с увеличением частоты тока и уменьшением радиуса кривизны провода и зазора этот угол будет расти и наоборот.

Вектор результирующего тока I_и в этом случае будет проходить через центр тяжести площади этой трапеции и будет располагаться вблизи геометрической оси провода с незначительным смещением в сторону нагреваемого тела.

В заявляемом индукторе, поскольку индуктирующий провод выполнен биметаллическим по всей длине его активной части, боковая сторона провода, обращенная к нагреваемой поверхности нагреваемого тела, выполнена из меди, а другая сторона провода - из материала с относительной магнитной проницаемостью, равной или большей 150, например из низкоуглеродистой конструкционной стали, то эпюра распределения плотности тока i примет вид, изображенный на фиг.4.

Вектор результирующего тока I_и существенно сместится в сторону нагреваемого тела.

Это явление объясняется следующим образом. Из общего курса электротехники известно, что полное электрическое сопротивление Z проводника, по которому протекает переменный ток, выражается следующей зависимостью: где R - активное сопротивление проводника; L - индуктивность проводника; x = ω•L - реактивное сопротивление проводника; ω - угловая частота тока.

Угловая частота тока определяется следующей зависимостью:
ω = 2π•f;
где f - частота тока.

Поскольку длина индуктирующего провода имеет конечные размеры, а f≥50 Гц, величина R-->О по сравнению с величиной x, то для практических расчетов индукторов можно считать, что
Z ~ X, (2)
и Z пропорциональна L, т.е.

Z~L, (3)
Индуктирующий провод выполнен биметаллическим по всей длине его рабочей части /активной/, а именно боковая сторона провода, обращенная к нагреваемой поверхности нагреваемого тела, выполнена из меди, а другая сторона - из низкоуглеродистой конструкционной стали, поэтому его можно приравнять к двум параллельно соединенным проводникам с собственными индуктивностями L_M и L_C, активными сопротивлениями R_M и R_C, а также - токами J_M и J_C соответственно медного и стального проводников.

Поскольку эти части индуктирующего провода близко расположены друг к другу, то величина взаимной индуктивности между ними значительна. В расчете для простоты не учитываются кольцевой эффект и влияние на индуктирующий провод нагреваемого тела.

Действующая индуктивность медной детали - части индуктора определяется зависимостью:

Действующая индуктивность стальной детали-части индуктора определяется зависимостью:

Поскольку токи, протекающие по этим частям индуктирующего провода, совпадают по фазе /см. "Короткие сети и электрические параметры дуговых электропечей", справочник, ред. Я.Б.Данцис, М., Металлургия, 1987г., стр. 165/, то полный ток I_и, протекающий по индуктору, распределится между проводниками - деталями обратно пропорционально их полным сопротивлениям или действующим индуктивностям согласно формуле /3/ в соответствие с первым законом Кирхгофа по следующим зависимостям:

Собственная индуктивность стальной стороны провода индуктора при условии выполнения части поперечного сечения кольцеобразной конфигурации определяется следующей зависимостью:

где μ₀- магнитная постоянная;
R - радиус кольца;
r - наружный радиус поперечного сечения;
L_iC - внутренняя собственная индуктивность стальной части провода.

Данная зависимость описана в книге "Расчет индуктивностей", П.Л.Калантаров, Л.А.Цейтлин, Л., Энергоиздат, 1966г., стр.209, формула 5-10.

Внутренняя собственная индуктивность стальной стороны провода может быть выражена следующей зависимостью согласно предыдущему источнику информации, стр.97, формула 2-19:

где μ - абсолютная магнитная проницаемость материала проводника;
t - толщина стенки детали;
sh, ch - гиперболические функции;
γ - удельная электрическая проводимость материала проводника.

Параметр m определяется зависимостью:

Абсолютная магнитная проницаемость материала проводника определяется исходя из
μ = μ₂•μ₀,
где μ_r- относительная магнитная проницаемость материала проводника.

Собственная индуктивность детали-части индуктора, выполненной из меди, для прямоугольного поперечного сечения провода определяется зависимостью, описанной в том же источнике на стр.110:

где g - среднегеометрическое расстояние периметра поперечного сечения проводника;
L_iM - внутренняя собственная индуктивность медного проводника прямоугольного сечения.

Поскольку для меди μ_r≈1, величина L_iM незначительна и составляет доли процента от L_M, то при расчете ее можно не учитывать.

Величину M_MC можно определить исходя из зависимости:

где ϕ - величина, значения которой могут быть найдены по кривым, представленным на рис. 5-7, 5-8, 5-9 в книге "Расчет индуктивностей", П.Л.Калантаров, Л.А.Цейтлин, Л., Энергоиздат, 1986г., стр.216-218;
R₁ и R₂ - радиусы кольцеобразного провода.

Подставив в систему уравнений /6/ данные, полученные расчетным путем для величин L и М, получим величины токов I_M и I_C, протекающих в частях провода, одна из которых выполнена из меди, а другая из низкоуглеродистой конструкционной стали, в долях I_и.

Благодаря тому, что часть провода выполнена из материала с высокой относительной магнитной проницаемостью, например из низкоуглеродистой конструкционной стали, величина L_C всегда существенно больше L_M из-за большой величины внутренней индуктивности L_iC. Поэтому величина I_M всегда больше I_C, плотность тока в этой части провода существенно ниже, чем в боковой части провода, обращенной к нагреваемой поверхности тела и выполненной из меди.

Экспериментальное опробование предлагаемого индуктора установки индукционного нагрева показало, что возможно снижение потребляемой мощности преобразователя на 30-40% при тех же скоростях продольной подачи нагреваемых изделий, что и при использовании индукторов традиционной конструкции, а при использовании полной мощности преобразователя достигается увеличение скорости продольной подачи изделий на 30-40%.

Заявляемый индуктор установки индукционного нагрева обладает новизной и изобретательским уровнем, так как при проведении поиска по источникам патентной и научно-технической документации заявителем не выявлены известные технические решения, в которых бы индуктирующий провод был выполнен биметаллическим по всей длине его активной части, часть провода, обращенная к нагреваемой поверхности нагреваемого тела, была бы выполнена из меди, а другая часть провода - из материала с относительной магнитной проницаемостью, равной или большей 150, например из низкоуглеродистой конструкционной стали.

Заявляемый индуктор установки индукционного нагрева широко применим в области электротермии, возможно серийное изготовление индукторов подобного типа. Следовательно, данный индуктор соответствует критерию "промышленная применимость".

Заявляемый индуктор позволяет повысить КПД системы "индуктор-нагреваемое тело" и расширить функциональные возможности нагрева изделий различной конфигурации, в том числе внешних, внутренних цилиндрических поверхностей, а также плоских поверхностей изделий.

Предлагаемый индуктор установки индукционного нагрева поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен заявляемый одновитковый индуктор для нагрева внешних цилиндрических поверхностей.

На фиг. 2 показан его разрез А-А, вариант исполнения его индуктирующего провода с использованием трубы квадратного сечения. На фиг.3 показана эпюра распределения плотности тока i по высоте сечения провода в радиальном направлении кольцевого провода при использовании для изготовления составных деталей индуктирующего провода одинаковых по физическим свойствам материалов.

На фиг. 4 показана эпюра распределения плотности тока по высоте сечения провода в радиальном направлении кольцевого провода при использовании для изготовления части провода, обращенной к нагреваемой поверхности нагреваемого тела, например, меди или ее сплавов, а для изготовления другой части провода - материала с относительной магнитной проницаемостью, равной или большей 150, например низкоуглеродистой конструкционной стали.

На фиг. 5 показана эквивалентная электрическая схема индуктирующего провода индуктора по фиг.1.

На фиг. 6 показан разрез А-А, вариант исполнения провода, выполненного биметаллическим по всей длине его активной части с использованием трубы круглого сечения, в которой прорезана канавка для улучшения теплоотвода от боковой стороны провода, обращенной к нагреваемой поверхности нагреваемого тела.

На фиг.7 показан разрез А-А, вариант исполнения биметаллического провода с использованием цельной трубы круглого сечения.

На фиг.8 показан разрез А-А, вариант исполнения биметаллического провода, в котором выполненная из меди часть провода наплавлена или нанесена на поверхность трубы гальваническим способом.

На фиг. 9 показан заявляемый многовитковый индуктор для нагрева внешних цилиндрических поверхностей.

На фиг.10 показан заявляемый многовитковый индуктор для нагрева внутренних цилиндрических поверхностей.

На фиг.11 показан заявляемый индуктор для нагрева плоских поверхностей.

На фиг.12 показан вид Б заявляемого индуктора для нагрева плоских поверхностей.

На фиг.13 показана фотография опытных конструкций индукторов для нагрева труб диаметрами 133 мм и 426 мм в процессе гибки на трубогибочных станках.

Заявляемый одновитковый индуктор для нагрева внешних цилиндрических поверхностей /фиг.1/ содержит полый кольцевой индуктирующий провод 1 с внутренним каналом, по которому протекает хладагент, полые токопроводящие шины 2, полые токоподводящие башмаки 3 и изоляторы 4. При работе индуктора в него помещают нагреваемое тело 5 с наружным диаметром Д и радиальным зазором между индуктором и телом δ.
Индуктирующий провод 1 выполнен /фиг.2/ из двух элементов: из пластины 6 из меди и трубы 7, например, квадратного сечения, из низкоуглеродистой конструкционной стали. Платина 6 и труба 7 соединены между собой сваркой или пайкой, обеспечивающий герметичность деталей-частей провода, жесткость и прочность. Сварной или паяный шов показан позицией 8. В трубе 7 выполнена кольцевая канавка 9, обеспечивающая улучшение теплоотвода от пластины 6 при помощи хладагента. Труба 7 выполнена из материала с высокой относительной магнитной проницаемостью, равной или большей 150, например из малоуглеродистой конструкционной стали марки 10 с содержанием углерода около 0,1%.

Глубина Δ проникновения тока в индуктирующий провод 1 зависит от частоты тока, удельной электрической проводимости и магнитной проницаемости материала провода и для медной детали 6 величина Δ_м будет меньше, чем Δ_c для стальной детали 7. Пунктирная линия 10 показывает границу проникновения тока в индуктирующий провод 1. В случае выполнения пластины 6 из меди и трубы 7 из меди или ее сплавов индуктор будет работать как индуктор традиционной конструкции. Эпюра распределения плотности тока i будет иметь вид, показанный на фиг.3.

Автором проведены расчеты параметров двух одновитковых индукторов, предназначенных для нагрева труб диаметром 133 мм и 1220 мм при их гибке на трубогибочных станках с ТВЧ-нагревом при частоте, соответственно равной f= 2,5•10³ и f= 1,0•10³ Гц, индуктирующие провода которых выполнены из медных шин и стальных труб из стали 10 круглого сечения, соединенных электросваркой. Приведен также расчет двух индукторов, индуктирующие провода которых выполнены целиком из меди. Величина μ_r для стали 10 принята в данном расчете равной: Величина μ_r нелинейно изменяется в зависимости от величины напряженности магнитного поля Н /А/м периметра поперечного сечения/, возникающего вокруг провода, и изменяющейся пропорционально I_и /см. "Справочник по электротехническим материалам", М., Л., Госэнергоиздат, 1960, стр.39, фиг.3-1/. Результаты расчетов сведены в таблицу.

Из анализа данных таблицы можно сделать следующие выводы:
- величины I_M и I_C изменяются незначительно при изменении μ_r;
- величина M_зи-нт изменяется незначительно;
- величина М_зи-нт увеличивается примерно в 1,5 раза по сравнению с М_ти-нт за счет приближения вектора I и заявленного индуктора к нагреваемому телу по сравнению с индуктором традиционной конструкции.

В качестве материала для изготовления детали 7, кроме малоуглеродистой стали, могут использоваться, например, электротехническая сталь, μ_r= (3÷5)•10³; кремнистые стали, μ_r= (5-30)•10³; железоникелевые сплавы, и другие /см. М. Н.Витенберг, "Расчет электромагнитных реле", М.Л., Госэнергоиздат, 1961, стр.98-100/.

Действующая индуктивность биметаллического индуктирующего провода индуктора, представленного на фиг. 1, будет всегда меньше L_м ^д согласно зависимостям /12/ и /13/:

Для параллельного соединения проводников следует:

На фиг. 6 представлен вариант выполнения биметаллического провода с изготовлением детали 7 из круглой трубы с кольцевой канавкой 9, служащей для улучшения теплоотвода от детали 6. На фиг.7 изображен вариант выполнения биметаллического провода с изготовлением детали 7 из цельной круглой трубы и теплоотводом к хладагенту от детали 6 через сварные швы 8 и стенку трубы 7. На фиг. 8 изображен вариант выполнения биметаллического провода с изготовлением детали 7 из круглой цельной трубы и детали 6 путем наплавки слоя меди на поверхность трубы или нанесения этого слоя на трубу гальваническим способом и теплоотводом к хладагенту от детали 6 через стенку трубы.

Варианты, показанные на фиг.7 и 8, возможны в том случае, если по условиям эксплуатации индуктора такой теплоотвод достаточен.

Для нагрева тела, форма внешней поверхности которого отлична от боковой поверхности кругового цилиндра, биметаллический индуктирующий кольцевой провод индуктора, изображенный на фиг.1, должен быть выполнен по форме, подобной внешнему очертанию нагреваемого тела, например, квадрата, двутавра, с необходимым зазором δ между проводом и телом. При этом медное внутреннее кольцо своей рабочей поверхностью должно быть обращено к поверхности нагреваемого тела.

Заявляемый одновитковый индуктор, представленный на фиг.1, может быть использован для поверхностной закалки и сквозного нагрева различных деталей. КПД заявляемого одновиткового индуктора существенно выше КПД однокольцевых индукторов традиционной конструкции даже без применения внешних магнитопроводов.

Заявляемый многовитковый индуктор для нагрева внешних цилиндрических поверхностей, показанный на фиг.9, содержит полый биметаллический индуктирующий провод 11, выполненный в виде цилиндрической винтовой спирали. Токоподводящие к проводу шины и башмаки на чертеже не показаны. Внутри провода помещено нагреваемое тело 12 диаметром Д с радиальным зазором δ между телом и проводом. Провод выполнен биметаллическим, составным, содержащим медную пластину 13 и трубу 14, выполненную из материала с высокой магнитной проницаемостью. Пластина 13 обращена своей поверхностью к нагреваемой поверхности нагреваемого тела.

При протекании тока по проводу его плотность распределится по сечению подобно фигуре 4, а вектор результирующего тока _и сместится к нагреваемому телу, увеличивая КПД системы "индуктор-нагреваемое тело".

Между индуктором и нагреваемым телом может быть помещен диэлектрический слой теплоизоляции или огнеупоров, в этом случае увеличение КПД будет не столь значительным ввиду того, что относительное уменьшение расстояния между вектором результирующего тока индуктора и поверхностью нагреваемого тела будет меньшим, чем в случаях, когда изоляционный слой не применяется.

Внешнее очертание поперечного сечения нагреваемого тела может быть не только окружностью, но и овалом, а винтовая спираль выполнена с радиальным зазором δ по форме, соответствующей поверхности нагреваемого тела.

Многовитковый заявляемый индуктор может найти применение в установках сквозного нагрева и плавильных печах различных типов.

Заявляемый многовитковый индуктор для нагрева внутренних цилиндрических поверхностей, показанный на фиг.10, содержит полый индуктирующий провод 15, выполненный в виде цилиндрической винтовой спирали. Токоподводящие к проводу шины и башмаки на чертеже не показаны. Провод помещен внутрь отверстия диаметром Д нагреваемого тела 16 с радиальным зазором δ, внутреннюю поверхность стенок отверстия которого 17 подвергают нагреву.

Провод выполнен биметаллическим, содержащим медную пластину 18 и трубу 19, выполненную из материала с высокой магнитной проницаемостью. Пластина 18 обращена своей поверхностью к нагреваемой поверхности 17 стенок нагреваемого тела.

При протекании тока по проводу его плотность распределится по сечению провода подобно фигуре 4, а вектор результирующего тока I_и сместится к нагреваемой поверхности 17, увеличив КПД системы "индуктор-нагреваемое тело" с той лишь разницей, что кольцевой эффект для индуктора, представленного на фиг.10, снижает КПД, но незначительно.

В индукторах петлевого типа для нагрева внутренних цилиндрических поверхностей также возможно применение биметаллических индуктирующих проводов с расположением медных пластин на наружной поверхности петли. В случаях, когда поперечное сечение отверстия, стенки которого подвергают нагреву, отлично от круга, то соответствующей формы должен быть выполнен и индуктирующий провод.

Заявляемый индуктор для нагрева плоских поверхностей изображен на фиг. 11. Полый индуктирующий провод 20 индуктора выполнен, например, в виде плоской спирали Архимеда и помещен над плоской нагреваемой поверхностью 22.

Провод выполнен биметаллическим, содержащим медную пластину 24 и трубу 25, выполненную из материала с высокой магнитной проницаемостью. Пластина 24 обращена своей поверхностью к нагреваемой плоскости 22.

При протекании тока по проводу его плотность распределится по сечению провода подобно фигуре 4, а вектор результирующего тока I_и сместится к нагреваемой плоскости 22, тем самым увеличив КПД системы "индуктор-нагреваемая плоскость", при этом "кольцевой эффект" для индуктора, представленного на фиг.11 и 12, влияет на величину КПД незначительно, увеличивая только напряженность магнитного поля между витками провода.

Индуктирующий биметаллический провод индуктора для нагрева плоских поверхностей может быть выполнен одиночным, зигзагообразным и т.д.

Заявляемый индуктор экспериментально опробован на трубогибочных станках с ТВЧ-нагревом, в ЗАО "Востокметаллургмонтаж-1" г. Челябинска. Указанные станки со встроенным экспериментальным индуктором оснащены:
- большая модель - тиристорным преобразователем мощностью 200 кВт, частотой 2,5•10³ Гц;
- малая модель - тиристорным преобразователем мощностью 50 кВт, частотой 2,5•10³ Гц;
Большая модель предназначена для гибки труб диаметром 170-426 мм, а малая - для гибки труб диаметром 70-159 мм.

Опытные индукторы заявляемой конструкции с биметаллическими индуктирующими проводами выполнены составными из медных шин и труб из малоуглеродистой стали. Составные части соединены медными сварными швами (см. фотографию на фиг.13).

Промышленно-экспериментальные испытания индукторов для гибки труб диаметром 133 мм и 426 мм в сравнении с имеющимися индукторами традиционной конструкции показали следующие результаты:
- на трубах диаметром 133 мм с толщинами стенок 5 мм и 8 мм из низкоуглеродистых и высоколегированных /немагнитных/ сталей достигнуто снижение потребляемой мощности преобразователя в процессе гибки на 25-40% на тех же скоростях продольной подачи трубы, что и при использовании индукторов традиционной конструкции;
- на трубах диаметром 426 мм с толщиной стенок 12 мм и 14 мм из низкоуглеродистых сталей достигнуто снижение потребляемой мощности преобразователя на 30-40% при тех же скоростях продольной подачи трубы, что и при использовании индукторов традиционной конструкции, а при использовании полной мощности 200 кВт преобразователя - увеличение скорости продольной подачи трубы на 30-40%.

При изготовлении биметаллических индуктирующих проводов заявляемых индукторов но возникает особых технологических трудностей, так как крепление медной пластины можно произвести к прямой трубе, а затем ее изогнуть любым известным способом вхолодную или с нагревом без существенного искажения формы поперечного сечения провода.

Исходя из результатов опытного опробования заявляемых индукторов при гибке труб, можно сделать вывод о том, что их применение в случаях, когда между нагреваемыми телами и индукторами нет теплоизоляционного слоя, их КПД повышается весьма существенно. Значительно снижается расход электроэнергии, а во многих случаях появляется возможность обойтись без применения магнитопроводов, удорожающих стоимость установок индукционного нагрева и их эксплуатацию.

При использовании заявляемых индукторов в установках индукционного нагрева, в которых между индукторами и нагреваемыми телами располагают теплоизоляционный или огнеупорный слой, рост КПД будет меньшим, чем в предыдущем случае, одновременно снизится расход электроэнергии и появится возможность в ряде случаев снизить массу магнитопроводов или вообще отказаться от них.

Формула изобретения

Индуктор установки индукционного нагрева, содержащий полый индуктирующий провод, выполненный биметаллическим по всей длине его активной части, охлаждаемый изнутри хладагентом, поперечное сечение которого выполнено составным, при этом, по меньшей мере, одна часть выполнена из меди с удельной электрической проводимостью, равной (20÷55)•10⁶•1/Ом•м, и относительной магнитной проницаемостью, равной 1÷3, а также токоподводящие к индуктирующему проводу шины и башмаки, отличающийся тем, что другая часть сечения индуктирующего провода выполнена из материала с относительной магнитной проницаемостью, равной или большей 150 из малоуглеродистой конструкционной стали, электротехнической стали, кремнистой стали или железоникелевого сплава, а упомянутая медная часть сечения провода обращена в сторону нагреваемой поверхности нагреваемого тела.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13