В індукційних печах і пристроях тепло в електропровідному нагрівається тілі виділяється струмами, индуктироваться в ньому змінним електромагнітним полем. Таким чином, тут здійснюється прямий нагрів.
Індукційний нагрів металів заснований на двох фізичних законах: законі електромагнітної індукції Фарадея-Максвелла і законі Джоуля-Ленца. Металеві тіла (заготовки, деталі та ін.) Поміщають в змінне магнітне поле. яке збуджує в них вихровий електричне поле. ЕРС індукції визначається швидкістю зміни магнітного потоку. Під дією ЕРС індукції в тілах протікають вихрові (замкнуті усередині тел) струми, що виділяють теплоту за законом Джоуля-Ленца. Ця ЕРС створює в металі змінний струм. теплова енергія, що виділяється даними струмами, є причиною нагрівання металу. Індукційний нагрів є прямим і безконтактним. Він дозволяє досягати температури, достатньої для плавлення тугоплавких металів і сплавів.
Інтенсивний індукційний нагрів можливий лише в електромагнітних полях високої напруженості і частоти, які створюють спеціальними пристроями - індукторами. Індуктори живлять від мережі 50 Гц (установки промислової частоти) або від індивідуальних джерел живлення - генераторів і перетворювачів середньої і високої частоти.
Найпростіший індуктор пристроїв непрямого індукційного нагріву низької частоти - ізольований провідник (витягнутий або згорнутий в спіраль), поміщений всередину металевої труби або накладений на її поверхню. При протіканні по провіднику-індуктора струму в трубі наводяться гріють її вихрові струми. Теплота від труби (це може бути також тигель, ємність) передається нагрівається середовищі (воді, що протікає по трубі, повітрю і т. Д.).
Індукційний нагрів і гарт металів
Найбільш широко застосовується прямий індукційний нагрів металів на середніх і високих частотах. Для цього використовують індуктори спеціального виконання. Індуктор випускає електромагнітну хвилю. яка падає на нагрівається тіло і загасає в ньому. Енергія поглиненої хвилі перетворюється в тілі в теплоту. Ефективність нагрівання тим вище, чим ближче вид испускаемой електромагнітної хвилі (плоска, циліндрична і т. Д.) До форми тіла. Тому для нагріву плоских тіл застосовують плоскі індуктори, циліндричних заготовок - циліндричні (соленоїдні) індуктори. У загальному випадку вони можуть мати складну форму, обумовлену необхідністю концентрації електромагнітної енергії в потрібному напрямку.
Особливістю індукційного введення енергії є можливість регулювання просторового розташування зони протікання вихрових струмів. По-перше, вихрові струми протікають в межах площі, яка охоплюється індуктором. Нагрівається тільки та частина тіла, яка знаходиться в магнітної зв'язку з індуктором незалежно від загальних розмірів тіла. По-друге, глибина зони циркуляції вихрових струмів і, отже, зони виділення енергії залежить, крім інших факторів, від частоти струму індуктора (збільшується при низьких частотах і зменшується з підвищенням частоти). Ефективність передачі енергії від індуктора до нагрівається току залежить від величини зазору між ними і підвищується при його зменшенні.
Індукційний нагрів застосовують для поверхневого гарту сталевих виробів, наскрізного нагрівання під пластичну деформацію (кування, штампування, пресування і т. Д.), Плавлення металів, термічної обробки (отжиг, відпустка, нормалізація, гарт), зварювання, наплавлення, пайки металів.
Непрямий індукційний нагрів застосовують для обігріву технологічного обладнання (трубопроводи, ємності і т. Д.), Нагрівання рідких середовищ, сушки покриттів, матеріалів (наприклад, деревини). Найважливіший параметр установок індукційного нагріву - частота. Для кожного процесу (поверхнева гарт, наскрізний нагрів) існує оптимальний діапазон частот, що забезпечує найкращі технологічні та економічні показники. Для індукційного нагріву використовують частоти від 50 Гц до 5МГц.
Переваги індукційного нагріву
1) Передача електричної енергії безпосередньо в нагрівається тіло дозволяє здійснити прямий нагрів провідникових матеріалів. При цьому підвищується швидкість нагріву в порівнянні з установками побічної дії, в яких виріб нагрівається тільки з поверхні.
2) Передача електричної енергії безпосередньо в нагрівається тіло не вимагає контактних пристроїв. Це зручно в умовах автоматизованого потокового виробництва, при використанні вакуумних і захисних засобів.
3) Завдяки явищу поверхневого ефекту максимальна потужність, виділяється в поверхневому шарі нагрівається вироби. Тому індукційний нагрів при загартуванню забезпечує швидке нагрівання поверхневого шару виробу. Це дозволяє отримати високу твердість поверхні деталі при відносно вузький середині. Процес поверхневої індукційного загартування швидше і економічніше інших методів поверхневого зміцнення вироби.
4) Індукційний нагрів в більшості випадків дозволяє підвищити продуктивність і поліпшити умови праці.
Індукційні плавильні печі
Індукційну піч або пристрій можна розглядати як свого роду трансформатор, в якому первинна обмотка (індуктор) підключена до джерела змінного струму, а вторинною обмоткою служить саме нагрівається тіло.
Для робочого процесу індукційних плавильних печей характерно електродинамічне і тепловий рух рідкого металу в ванні або тиглі, що сприяє отриманню однорідного за складом металу і його рівномірної температури по всьому об'єму, а також малий чад металу (в кілька разів менше, ніж в дугових печах).
Індукційні плавильні печі застосовують при виробництві лиття, в тому числі фасонного, зі сталі, чавуну, кольорових металів і сплавів.
Індукційні плавильні печі можна розділити на канальні печі промислової частоти і тигельні печі промислової, середньої і високої частоти.
Індукційна канальна піч представляє собою трансформатор, зазвичай промислової частоти (50 Гц). Вторинною обмоткою трансформатора служить виток з розплавленого металу. Метал укладений в кільцевому каналі з огнеупора. Основний магнітний потік наводить у металі каналу ЕРС, ЕРС створює струм, струм нагріває метал, тому, індукційна канальна піч подібна трансформатору, що працює в режимі короткого замикання. Індуктори канальних печей виконують з поздовжньою мідної трубки, він має водяне охолодження, канальна частина подового каменю охолоджується від вентилятора або від централізованої повітряної системи.
Індукційні канальні печі призначені для безперервної роботи з рідкісними переходами з однієї марки металу на іншу. Індукційні канальні печі, в основному застосовують для плавки алюмінію і його сплавів, а також міді і деяких її сплавів. Інші серії печей спеціалізовані як міксери для витримки і перегріву рідкого чавуну, кольорових металів і сплавів перед розливанням у ливарні форми.
Робота індукційної тигельної печі заснована на поглинанні електромагнітної енергії проводить садки. Садка розміщена всередині циліндричної котушки - індуктора. З електричної точки зору, індукційна піч представляє собою короткозамкнений повітряний трансформатор, вторинною обмоткою якого є провідна садка.
Індукційні тигельні печі використовують переважно для плавки металів на фасонне лиття при періодичному режимі роботи, а також незалежно від режиму роботи - для плавки деяких сплавів, наприклад бронз, які згубно впливають на футеровку канальних печей.