Индукционное нагревательное устройство

Изобретение относится к электротермии, в частности к индукционному нагреву, и предназначено для объемного нагрева тел, в том числе тел сложной конфигурации, и индукционной тигельной плавки. Индукционное нагревательное устройство включает индуктор и источник теплового излучения. Индуктор расположен внутри теплоизолирующего контура, причем источником теплового излучения является индуктор, выполненный в виде спирали из жаростойкой (окалиностойкой) и жаропрочной стали. Длина проводника индуктора и площадь поперечного сечения проводника, из которого выполнен индуктор, выбраны из соображений необходимой жесткости индуктора и конфигурации подлежащей обработке детали таким образом. Витки спирали индуктора охватывают подлежащую обработке деталь так, что установленная в рабочее положение подлежащая обработке деталь оказывается полностью внутри индуктора, а между наружной поверхностью указанной установленной в рабочее положение детали и внутренней поверхностью спирали индуктора образован зазор, обеспечивающий отсутствие контакта обрабатываемой детали и индуктора в процессе работы устройства. Изобретение обеспечивает снижение тепловых потерь за счет выполнения индуктора с воздушным охлаждением и подбора материала футеровки, что обеспечивает безопасность работы печи и повышает экономичность ее работы. 3 ил.

 

Изобретение относится к электротермии, в частности к индукционному нагреву, и предназначено для объемного нагрева тел, в том числе тел сложной конфигурации, переменной толщины, тонких листовых заготовок, заготовок из материалов с низким удельным сопротивлением, а также для индукционной тигельной плавки цветных, черных металлов и неэлектропроводных материалов, шлаков, стекла.

Индукционный нагрев широко используется как для термической обработки деталей перед пластической обработкой, так и для плавки цветных и черных металлов и неэлектропроводных материалов, шлаков, стекла.

Известен способ нагрева металлических изделий из листового материала переменной толщины (а.с. № СССР 892746, опубликовано 23.12.1981) с помощью индукционного нагревательного устройства, в соответствии с которым на изделие одновременно воздействуют электромагнитным полем и тепловым излучением заданной интенсивности. Описан пример реализации способа, в соответствии с которым нагреву подвергают пластину из нержавеющей стали переменной толщины. Минимальная толщина пластины составляет 10 мм, максимальная - 15 мм. Индукционное нагревательное устройство включает многовитковый овальный индуктор и источник теплового излучения. В качестве источника теплового излучения используют экран из жаропрочной стали.

Устройство работает следующим образом. Подлежащее нагреву тело помещают внутрь индуктора. В процессе работы индуктор генерирует электромагнитное поле, источник теплового излучения (экран) нагревают до 1400°С, обеспечивая тем самым необходимый тепловой поток. Таким образом, в зоне обработки изделия одновременно присутствуют тепловой поток и электромагнитное поле, напряженность которого обеспечивает передачу в тело удельной мощности порядка 10 - 10⁷ Вт/м² и частота которого выбрана из условия, что глубина его проникновения в материал тела более чем в 2,5-3,0 раза меньше минимальной толщины обрабатываемой детали. В описанном примере реализации способа общее время нагрева пластины до 1250°С составляет 32 с, а начальный период нагрева равен 6 с (20%) и осуществляется на частоте 10000 Гц. Заключительный период нагрева осуществляется на частоте 1000 Гц, при которой глубина проникновения электромагнитного поля больше или равна максимальной толщине изделия. Интенсивность потока теплового радиационного излучения поддерживают равной 2,4*10⁵ -4,6*10⁵ Вт/м².

Предлагаемый способ нагрева с помощью описанного индукционного нагревательного устройства позволяет осуществить скоростной по сравнению с печным нагрев заготовок произвольной сложной конфигурации (тонких, переменной толщины (1-15 мм), изготовленных из диа- и ферромагнитных листовых материалов, а также из материалов с низким удельным сопротивлением под термообработку и пластическую деформацию, что позволяет повысить производительность труда, снижает коробление деталей, а также исключает образование обезуглероженного слоя на поверхности заготовок и снижается окалинообразование.

К недостаткам следует отнести использование в качестве источника теплового излучения экрана из жаропрочной стали, установка которого помимо усложнения конструкции еще ведет и к увеличению зазора между индуктором и деталью, что негативно сказывается на электрическом КПД индуктора. Как правило,суммарные тепловые потери индуктора могут составлять 20-60% от всей подводимой мощности к индуктору и отводятся они с помощью воздушного или водяного охлаждения, что делает рассматриваемый индукционный нагреватель менее эффективным в сравнении с печным нагревателем по показателю энергозатрат.

Известна муфельная печь (а.с. СССР SU 133137, опубликовано 01.01.1960), в которой муфели выполнены из проводящего электрический ток материала и расположены один в другом последовательно в направлении распространения электрической энергии с промежутками между муфелями, в которые помещены нагреваемые изделия. К недостаткам устройства можно отнести сравнительно низкий КПД.

Известен гибкий индуктор для нагрева изделий, содержащий многожильный кабель из жаростойкого металла, например стали, охваченный электроизолирующими керамическими втулками (а.с. СССР SU 1081810, опубликовано 23.03.1984). С целью повышения надёжности индуктора в работе, между каждыми двумя втулками, на наружной боковой поверхности которых прикреплены металлические обоймы, установлены металлические спирали бочкообразной формы, концы которых опираются на указанные обоймы, причём направление навивки спиралей чередуется по длине кабеля.

Известен способ обогрева металлической стенки оболочки, включающий расположение на обогреваемой оболочке изолированного токового проводника, закрытого снаружи экраном или последовательно расположенными экранами из ферромагнитного материала, пропускание по проводнику переменного тока и создание вихревых токов вокруг проводника (патент России RU 2663366, опубликован 03.08.2018). В способе используют экраны или экран в виде сужающегося наружу от стенки оболочки профиля, располагают экран таким образом, чтобы он с оболочкой образовал замкнутый контур, расположенный на части наружной поверхности оболочки и на внутренней поверхности экрана, направляют по этому контуру вихревые токи экрана и при этом одновременно нагревают экран и находящуюся под экраном часть стенки обогреваемой оболочки направление навивки спиралей чередуется по длине кабеля.

Наиболее близким к заявляемому устройству является индукционная тигельная печь (патент РФ № 2213311,опубликован 27.09.2003), содержащая тигель, цилиндр охватывающий тигель из электропроводного материала, индуктор, футеровку, подину, крышку, в которой футеровка, подина и крышка выполнены из термостойкого материала с низкой теплопроводностью, обеспечивающего длительное поддержание необходимой температуры, а индуктор выполнен с воздушным охлаждением и расположен за футеровкой, не соприкасаясь с ней.

Технический результат, достигаемый изобретением, состоит в снижении тепловых потерь за счет выполнения индуктора с воздушным охлаждением и подбора материала футеровки, что обеспечивает безопасность работы печи и повышает экономичность ее работы. Индуктор, расположен за футеровкой и не соприкасающийся с ней и имеющий воздушное охлаждение (естественное или принудительное).

Действительно, дополнительный зазор между индуктором и футеровкой увеличивает термический КПД индукционной системы, но приводит к уменьшению электрического КПД индуктора из-за увеличения зазора между индуктором и нагреваемым объектом, что ведет к снижению эффективности работы устройства в целом.

На практике всегда приходится искать баланс между двумя значениями КПД индуктора - термического и электрического. Воздушное охлаждение по сравнению с часто используемым водяным охлаждением индуктора менее энергозатратно и более безопасно, но все же его можно отнести к непроизводительным расходам, поскольку при этом тепло от индуктора просто сбрасывается в воздух.

Еще одним недостатком данного технического решения является тот факт, что материал в тигле нагревается только за счет теплового излучения от нагреваемого электромагнитным полем цилиндра, что негативно сказывается на производительности печи из-за ограниченности в теплопередаче за счет теплового излучения и, если пытаться компенсировать этот недостаток, потребуется производить нагрев цилиндра до более высоких температур, чем требуется для нагрева обрабатываемых материалов в тигле. Это ведет к снижению теплового КПД печи, а также к необходимости специального подбора материалов футеровки и цилиндра, усложняя разработку устройства.

Несмотря на очевидные преимущества индукционного нагрева, в первую очередь скорость нагрева и, соответственно, производительность, при обработке некоторых деталей возникают трудности. В частности, определенные проблемы возникают при нагреве деталей переменной толщины, когда усредненная по толщине тела объемная плотность энергии, передаваемой в тело в процессе нагрева, обратно пропорциональна толщине тела в рассматриваемой точке.

Задачей настоящего изобретения является повышение КПД индукционных нагревательных устройств путем снижения тепловых потерь.

Поставленная задача решается тем, что индукционное нагревательное устройство, включающее индуктор и источник теплового излучения, в соответствии с изобретением содержит теплоизолирующий контур, а индуктор расположен внутри указанного теплоизолирующего контура. Источником теплового излучения является сам индуктор, выполненный в виде спирали из жаростойкой и жаропрочной стали. Геометрические параметры индуктора (длина проводника индуктора, форма и поперечное сечение проводника индуктора)выбраны из соображений необходимой жесткости индуктора и конфигурации, подлежащей нагреву детали таким образом, что витки индуктора охватывают эту деталь, установленную в рабочее положение.

Кроме того, при конструировании индуктора выполнено требование ограничения удельной поверхностной мощности индуктора , вызванной омическими потерями, допустимыми значениями βдоп, определяемыми в соответствии с типовыми методиками расчета нагревателей электрических печей. В случае превышения нормы поверхностной мощности нагревателя сокращается его срок службы, а также может произойти расплавление нагревателя вследствие того, что его температура может стать выше температуры плавления материала нагревателя.

Между наружной поверхностью установленной в рабочее положение детали, и внутренней поверхностью спирали индуктора, образован минимальный зазор, обеспечивающий отсутствие контакта нагреваемой детали и индуктора в процессе работы устройства.

Благодаря тому, что обрабатываемая деталь расположена внутри индуктора, а между ее наружной поверхностью и внутренней поверхностью индуктора отсутствуют экранирующие элементы, есть только минимально необходимый зазор, электрический КПД индуктора, зависящий от величины этого зазора, имеет максимальное значение. Кроме того, индуктор, является источником не только электромагнитного, но и теплового излучения, которое используется для дополнительного нагрева объекта, в связи с этим потери индуктора являются полезными и не требуется их отвода, а значит и не требуется охлаждения индуктора. Также в данной конструкции индукционного нагревательного устройства нет необходимости в дополнительных элементах, которые создавали бы тепловое излучение, например, в экране, как это имеет место в патенте РФ № 892746, или в съемном цилиндре, как в патенте РФ№ 2213311. Также, поскольку индуктор находится внутри теплоизолирующего контура, теплоизоляция может иметь неограниченную толщину, что упрощает подбор материалов и позволяет получить минимальные тепловые потери в окружающую среду, что сделает нагревательное устройство максимально эффективным. Эти особенности устройства существенно повышают КПД устройства.

Для печей с температурой нагрева 1100-1300°С в качестве теплоизоляции можно применить широкий ряд теплоизоляционных материалов, такие как облегченный пористый шамот, каолиновую, базальтовую и кремнеземную вату. Для печей с температурой нагрева до 2500°С в качестве теплоизоляции можно применить сверх высокотемпературную керамику(периклазовая керамика, керамика из диоксида циркония, корунд, керметы).

Основными требованиями к выбору материала проводника индуктора являются: жаропрочность (механическая прочность при высоких температурах), жаростойкостью (сопротивление металлов и сплавов газовой коррозии при высоких температурах) и удельное электрическое сопротивление. При этом жаропрочность и жаростойкость является универсальными требованиями, а требования к удельному сопротивлению зависят от технологических применений и требуемого соотношения интенсивности электромагнитного и теплового радиационного потоков.

Для построения атмосферных печей с температурой нагрева до 1100-1200°С целесообразно выбирать материал из ряда: прецизионные сплавы на основе хрома и никеля хромоникелевые сплавы (например нихром), железа, хрома и алюминия (железохромоалюминиевые), например фехраль и другие жаропрочные сплавы на железоникелевой основе.

В случае конструирования высокотемпературных печей с защитной атмосферой в качестве материала индуктора можно применять тугоплавкие материалы: вольфрам, молибден. Молибденовые нагреватели могут работать до температуры 1700°С в вакууме и до 2200°С - в защитной атмосфере. Вольфрамовые нагреватели могут работать в защитной среде до 3000°С.

Целесообразно, чтобы диаметр проводника (проволоки), из которой изготовлена спираль индуктора, составлял от 8 до 14 мм.

Целесообразно, чтобы индукционном нагревательном устройстве зазор между наружной поверхностью установленного в рабочее положение нагреваемого объекта и внутренней поверхностью спирали индуктора составлял 5÷20 мм.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых

фиг. 1 изображает индукционное нагревательное устройство, выполненное в соответствии с изобретением, в случае использования в качестве нагреваемого объекта тигля, в разрезе;

фиг. 2 изображает индукционное нагревательное устройство, выполненное в соответствии с изобретением, в случае использования в качестве нагреваемого объекта тонколистовую стальную заготовку, в поперечном разрезе;

фиг. 3 изображает индукционное нагревательное устройство, выполненное в соответствии с изобретением, в случае использования в качестве нагреваемого объекта тонколистовую стальную заготовку, в продольном разрезе;

Как показано на фиг. 1, индукционное нагревательное устройство (далее ИНУ) включает индуктор 1, выполненный в виде спирали из проволоки, материал которой выбран в соответствии с требованиями к технологическому процессу.

Для построения атмосферных печей с температурой нагрева до 1100-1200°С целесообразно выбирать материал из ряда: прецизионные сплавы на основе хрома и никеля хромоникелевые сплавы (например нихром), железа, хрома и алюминия (железохромоалюминиевые), например фехраль и другие жаропрочные сплавы на железоникелевой основе.

В случае конструирования высокотемпературных печей с защитной атмосферой в качестве материала индуктора можно применять тугоплавкие материалы: вольфрам, молибден. Молибденовые нагреватели могут работать до температуры 1700°С в вакууме и до 2200°С - в защитной атмосфере. Вольфрамовые нагреватели могут работать в защитной среде до 3000°С.

Диаметр проволоки, из которой изготовлен индуктор, в большинстве случаев составляет от 8 до 14 мм Опытным путем установлено, что при диаметре более 8 мм обеспечивается возможность изготовления индуктора с достаточной жесткостью, не провисающими в процессе температурных деформаций витками спирали и, следовательно, обеспечением необходимого минимального зазора между деталью и индуктором. Для более тонких проводников сложнее изготовить держатели, изоляторы витков, которые должны быть миниатюрными, а. соответственно, будут более хрупкими и ненадежными в работе, особенно при высоких температурах. При диаметре проволоки более 14 мм неоправданно увеличивается расход материала вследствие того, что в диапазоне распространенных индукционных частот 4÷30 кГц ток протекает по поверхности проводника. Так, для нихрома глубина протекания тока составляет 8÷3 мм для указанных частот.

Одним из основных критериев при проектировании и расчете индуктора, являющегося одновременно тепловым излучателем, становится необходимость обеспечить условие, при котором удельная поверхностная мощность индуктора , вызванная омическими потерями, не превышала бы допустимых значений βдоп, определяемых в соответствии с типовыми методиками расчета нагревателей электрических печей. Так, для высокотемпературных печей (при температуре более 700°С) допустимая поверхностная мощность, Вт/м², равна:

, где

- поверхностная мощность нагревателей в зависимости от температуры тепловоспринимающей среды [Вт/м²] (справочное значение)

α - коэффициент эффективности излучения (справочное значение).

Фактическое значение удельной поверхностной мощности , спирали индуктора рассчитывают по формуле:

,

U - выходное напряжение генератора, В;

L - длина проводника индуктора, м;

D - диаметр проводника индуктора, м;

ρ - удельное сопротивление материала проводника индуктора, Ом*м;

π - число «Пи»

- индуцированное сопротивление нагреваемого объекта, Ом.

Индуктор 1 подключен к генератору тока (на фиг. не показан). Внутри индуктора 1 размещена подлежащая нагреву деталь, в данном случае тигель 2, при этом витки спирали индуктора охватывают тигель 2, и последний оказывается полностью внутри индуктора 1. Тигель 2 может быть изготовлен из любого подходящего материала - керамики, металла, шамота и пр. Между наружной поверхностью тигля 2 и внутренней поверхностью индуктора 1 образован зазор 3. Величина зазора 3 может определяться только геометрическими характеристиками индуктора и тигля. При зазоре менее 5 мм возникает вероятность касания индуктора 1 и тигля 2 при работе устройства вследствие естественных температурных деформаций, а при зазоре более 20 мм уменьшается интенсивность электромагнитного потока из-за уменьшения индукционной связи индуктора 1 с тиглем 2, увеличиваются омические потери в индукторе до нежелательных значений, а также уменьшается эффективность передачи теплового излучения от индуктора 1 к подлежащей обработке детали 2, и, следовательно, снижается КПД устройства.

Индуктор 1 размещен внутри теплоизолирующего контура 3, включающего теплоизолирующую подину 4, на которую опирается тигель 2, боковую теплоизоляцию 5, и верхнюю теплоизоляцию 6. Подина 4, боковая теплоизоляция 5 и верхняя теплоизоляция 6 изготовлены из термостойкого материала с низкой теплопроводностью, обеспечивающего длительное поддержание необходимой температуры, и размещены с внешней стороны индуктора 1. Таким образом, индуктор 1 вместе с установленным внутри него тиглем 2, оказывается внутри теплоизолирующего контура 4,5,6, что обеспечивает надежную теплоизоляцию всего внутреннего объема нагревательной камеры устройства, минимизацию энергопотерь и повышение КПД индукционного нагревательного устройства в целом.

Работа ИНУ осуществляется следующим образом.

Тигель 2 заполняют материалом, например металлом, подлежащим плавке, на индуктор 1 подают переменное напряжение, в созданном электромагнитном поле индуктора 1 в металле, находящемся в тигле 2 или в самом тигле 2, если он выполнен из электропроводного материала, индуцируется нагревающий их электрический вихревой ток. Кроме того, протекающий по индуктору 1 ток нагревает сам индуктор 1, вследствие чего он начинает излучать тепловую энергию, которая также поглощается тиглем 2 с металлом.

Таким образом, на подлежащий нагреву объект воздействует одновременно электромагнитное и тепловое излучение от индуктора, что увеличивает энергоэффективность ИНУ.

Как указывалось выше, удельная поверхностная мощность индуктора , вызванная омическими потерями, не должна превышать допустимых значений для электрических нагревателей печей, в частности учитывающих объем нагреваемой камеры, допустимую температуру спирали индуктора и температуру тепловоспринимающей среды, в данном случае рабочую температуру тигля с металлом. Соблюдение данного условия гарантирует надежную и длительную эксплуатацию печи.

Фиг. 2, 3 иллюстрируют реализацию изобретения в случае использования в качестве подлежащей обработке детали тонколистовую стальную заготовку, а именно для нагрева заготовки лезвия лопаты до температуры штамповки и закалки 950°С при использовании средней или высокой частоты, когда глубина проникновения тока выше толщины заготовки.

Как показано на фиг. 2, индуктор7 выполнен в виде прямоугольной спирали из жаропрочной металлической проволоки, расположенной вокруг подлежащей обработке детали8. Для установки детали 8 в индуктор 7 предусмотрены изоляторы 9, на которые ложится деталь 8 во время нагрева. В качестве материала для изоляторов 9 может использоваться керамика. С внешней стороны индуктора 7 располагается теплоизолирующий контур (огнеупорная футеровка)10, обеспечивающий надежную теплоизоляцию всего объема нагревательной камеры ИНУ для длительного поддержания необходимой температуры. Индуктор подключен к генератору средней или высокой частоты (на чертеже не показан).

Работа нагревательной установки осуществляется следующим образом. На индуктор 7 подают переменное напряжение и вследствие протекания по нему электрического тока он разогревается до рабочей температуры 950-1000°С. В индуктор 7 вводится деталь 8 и устанавливается на изоляторы 9. На первом этапе нагрева, когда деталь 8 имеет ферромагнитные свойства (температура до 730°С) глубина проникновения индукционных токов не превышает толщину детали 8 и она начинает эффективно нагреваться преимущественно за счет вихревых токов, индуцированных электромагнитным полем. На втором этапе при достижении температуры магнитных превращений (точка Кюри, 730°С) глубина проникновения вихревого тока резко увеличивается и начинает превышать толщину детали, вследствие чего потери, вызванные вихревыми токами, значительно уменьшаются и дальнейший нагрев детали 8 осуществляется преимущественно за счет теплового излучения от индуктора 7.

Количество витков индуктора, сечение проводника индуктора, его материал, температура нагрева индуктора подобраны таким образом, чтобы удельная поверхностная мощность индуктора , вызванная омическими потерями, не превышала допустимых значений для электрических печей.

Кроме того, в данной схеме нагрева имеется очень гибкий инструмент эмпирического подбора величины рабочего тока индуктора при работе на втором этапе нагрева таким образом, чтобы поддерживать температуру спирали индуктора не выше заданного уровня, что обеспечит гарантированную надежную и длительную эксплуатацию нагревательного устройства.

Высокая энергоэффективность предлагаемого ИНУ для нагрева тонколистовых заготовок обусловлена повышенным КПД индуктора из-за минимального зазора между индуктором и заготовкой и расположением неохлаждаемого индуктора внутри надежного теплоизолирующего контура. Кроме того, благодаря использованию для нагрева заготовки не только электромагнитного, но и теплового излучения устройство обеспечивает принципиальную возможность нагрева тонких заготовок в условиях, когда глубина проникновения индукционных токов превышает толщину детали. Также, за счет возможности электромагнитной передачи высоких удельных мощностей на этапе, когда заготовка имеет ферромагнитные свойства, достигается высокая скорость, а, соответственно, и производительность устройства, в сравнении с печами сопротивления. В свою очередь, меньшее время нагрева снижает процессы окалинообразования обрабатываемых деталей.

Высокая энергоэффективность предлагаемого ИНУ для тигельных индукционных печей обусловлена повышенным КПД индуктора из-за минимального зазора между индуктором и тиглем, индуктор, расположенный внутри надежного теплоизолирующего контура, являясь источником не только электромагнитного, но и теплового излучения, не требует никакого охлаждении в отличие от традиционных индукционных печей. Использование одного из главных преимуществ индукционного нагрева, обеспечивающего высокие удельные мощности передачи тепловой энергии, делает заявленное ИНУ значительно производительнее в сравнении с тигельными печами сопротивления.

Ниже приведены примеры реализации изобретения при разработке опытного образца тигельной печи и индукционного нагревательного устройства для нагрева тонколистовых металлических заготовок перед штамповкой и закалкой.

Фирмой ООО «ИнтерСЭЛТ» был создан опытный образец индукционной тигельной печи для плавки алюминия. Были созданы следующие условия и характеристики работы печи:

- объем плавки по алюминию 80 кг (шамотнографитовый тигель размером ∅ 440*550 мм);

- максимальная температура перегрева алюминия 750°С;

- максимальная температура спирали индуктора 880°С;

- эффективная удельная поверхностная мощность нагревателя 2,65 Вт/

- коэффициент эффективности излучения спирали индуктора 0,6;

- напряжение индуктора 136 В,

- удельное сопротивление нихрома

- индуцированное сопротивление нагреваемого тигля - 1,25 Ом.

Спираль индуктора изготовлена из нихромовой проволоки ∅ 12 мм, с диаметром спирали ∅ 460 мм, высотой 500 мм и количеством витков 17 витков. Длина проводника индуктора составила 25,2 м. В качестве подины были использованы шамотные кирпичи, в качестве боковой и верхней теплоизоляции была использована кремнеземная вата толщиной 150 мм. Источником питания был выбран транзисторный преобразователь. Потребляемая мощность преобразователя 18,5 кВт, частота тока 18 кГц. Допустимое значение удельной поверхностной мощности для данного индуктора, используемого в качестве нагревателя, составляет:

Фактическое значение удельной поверхностной мощности , спирали индуктора данной печи не превышает допустимого значение и составляет:

Процесс плавки метала объемом 80 кг был осуществлен с горячего состояния печи и составил 83 мин. Расход электроэнергии составил 24,3 кВт*ч, что соответствует удельному показателю расхода электроэнергии на единицу расплавляемой массы алюминия 303 кВт*ч/т. По данному показателю заявленная печь значительно превосходит свои аналоги. Так, при плавке алюминия в классических индукционных печах с водоохлаждаемым индуктором удельный расход электроэнергии составляет до 650 кВт*ч/т, а в тигельных печах сопротивления - до 500 кВт*ч/т. По времени плавки заявленная печь превосходит аналогичную тигельную печь сопротивления, время плавки которой составляет 120 мин.

Фирмой ООО «ИнтерСЭЛТ» был создан опытный образец индукционного нагревательного устройства для нагрева тонколистовых заготовок полотен лопат перед штамповкой и закалкой. Были созданы следующие условия и характеристики работы устройства:

• размер нагреваемой стальной заготовки - 220*340*1,8 мм;

• требуемая температура нагрева заготовки - 900°С;

• требуемое время нагрева заготовки - 60 с;

• частота работы индукционного нагревателя - 22 кГц;

• глубина проникновения тока в холодном режиме (до 730°С) - 0,32 мм;

• глубина проникновения тока в горячем режиме (выше 730°С) - 3,87 мм.

Прямоугольная спираль индуктора изготовлена из нихромовой проволоки ∅ 12 мм, с внутренним размером объема индуктора: 250*400*50 мм, с количеством витков 18 витков. В качестве изоляторов и направляющих для установки заготовки внутри индуктора использовались керамические втулки. В качестве теплоизоляции индуктора была использована кремнеземная вата толщиной 150 мм. Источником питания был выбран транзисторный преобразователь. Для первоначального разогрева индуктора до рабочей температуры 950°С на индуктор подавалась мощность 12 кВт в течении 10 мин. Для поддержания рабочей температуры индуктора достаточно иметь 1,5÷2 кВт нагревательной мощности. После помещения заготовки в индуктор на индуктор подали 70 кВт мощности в течении 8 с, при этом заготовка разогрелась до температуры 730°С. Затем мощность индуктора снижали до 10 кВт и выдержали 30 с после чего вынимали заготовку, ее температура составила 900°С.

Расход электроэнергии для нагрева заготовки без учета предварительного этапа разогрева спирали индуктора составил212 Вт*ч/заготовка, что соответствует удельному показателю расхода электроэнергии на единицу нагреваемой массы металла198 Вт*ч/кг. По данному показателю заявленное индукционное нагревательное устройство значительно превосходит свои аналоги. Так, при нагреве с помощью классических индукторов с водоохлаждением и внутренней теплоизоляцией индуктора удельный расход электроэнергии для нагрева стальных деталей под закалку составляет до 340 Вт*ч/кг, а в печах сопротивления - до 400 Вт*ч/кг. Кроме того, за время нагрева 38 с, на поверхности заготовки практически не образуется окалина.

Индукционное нагревательное устройство, включающее тигель, цилиндр, охватывающий тигель из электропроводного материала, индуктор, футеровку, подину, крышку, в которой футеровка, подина и крышка выполнены из термостойкого материала с низкой теплопроводностью, обеспечивающего длительное поддержание необходимой температуры, а индуктор выполнен с воздушным охлаждением и расположен за футеровкой, не соприкасаясь с ней, отличающееся тем, что детали устройства подбираются таким образом, чтобы удельная поверхностная мощность индуктора, определяемая по формуле:

,

где U - выходное напряжение генератора, L - длина проводника индуктора, D - диаметр проводника индуктора, ρ - удельное сопротивление материала проводника индуктора, π - число Пи, R_инд - индуцированное сопротивление нагреваемого объекта, была максимальной.