Индукционный нагрев – это электрический нагрев с применением электромагнитной индукции. Если поместить предмет из электропроводного материала внутрь катушки, по обмотке которой проходит переменный ток, во вложенном в полость катушки предмете переменным магнитным полем индуцируются вихревые токи. В сущности, речь идет о трансформаторе, в котором вторичной обмоткой является заготовка (обмотка, замкнутая накоротко), а первичной обмоткой является катушка, которая в индукционных нагревателях называется индуктором. Вихревые токи нагревают вложенный предмет (заготовку). Тепло к заготовке подводится переменным магнитным полем, а не градиентом температуры, как при непрямых нагревах, и возникает прямо в заготовке. Все остальное вокруг может быть холодным. Это значительное преимущество индукционного нагрева.
Тепло в заготовке не образуется равномерно по всему сечению. Напр.: при нагреве заготовки цилиндрической формы наибольшая плотность тока будет на поверхности, а к середине снижается приблизительно экспоненциально. Это явление называется скин-эффект.
jx = Jo e-kx
Глубина, в которой плотность тока снижается до значения Jo/e, т.е., на 0,368 плотности на поверхности, называется глубиной проникновения δ
где:
На практике целесообразно это отношение откорректировать:
В поверхностном слое толщины одной глубины проникновения образуется 86,5% всего тепла, в слое двух глубин проникновения δ 98%, в слое 3δ 99,8 % (относится к цилиндру с диаметром более 8 δ).
Очевидно, что глубина проникновения зависит от частоты тока индуктора и от удельного сопротивления и относительной проницаемости материала заготовки при рабочей температуре заготовки.
Для наглядности приведем глубину проникновения меди и углеродной стали (мм):
| частота [Hz] | 50 | 500 | 1000 | 2000 | 4000 | 8000 | 10000 | 20000 | 50000 |
| медь 40°C | 10 | 3,2 | 2,3 | 1,6 | 1,1 | 0,8 | 0,7 | 0,5 | 0,3 |
| сталь 1200°C | 78 | 25 | 17,5 | 12,3 | 8,6 | 6,2 | 5,5 | 3,9 | 2,5 |
С точки зрения эксплуатационных затрат представляет интерес эффективность нагрева. Приблизительно эффективность η можно оценить с помощью отношения
где:
Эффективность снижается с увеличением отношения D/d, потому что уменьшается связь магнитного поля индуктора с заготовкой. Поэтому не выгодно использовать один индуктор для большого диапазона диаметров заготовки. Эффективность снижается и при увеличении отношения δ/d. Низкое значение δ/d используется, например, для поверхностной закалки, при которой происходит быстрый процесс нагрева, а потом охлаждение тонкого поверхностного слоя.
Для формовки (ковки) необходимо, чтобы материал был прогрет по возможности равномерно. Поэтому выбирается более медленный нагрев, чтобы тепло могло разойтись к середине заготовки. Ровномерности нагрева способствует и увеличение глубины проникновения. Выбирается компромисс частоты для достижения необходимого прогрева при хорошей эффективности переноса энергии от индуктора к заготовке.
Практика показала, что для нагрева углеродной стали до 1200°C экономичным является следующий диапазон размеров заготовки:
| частота [Hz] |
диаметр заготовки [мм] |
сторона прямоугольного сечения [мм] |
| 50 | 200-600 | 180-550 |
| 250 | 90-250 | 80-225 |
| 500 | 65-180 | 60-160 |
| 1000 | 50-140 | 45-125 |
| 2000 | 35-100 | 30-80 |
| 4000 | 22-65 | 20-60 |
| 8000 | 16-50 | 15-45 |
| 10000 | 15-40 | 14-35 |
| 20000 | 10-30 | 9-25 |
У заготовки плоской формы толщина шины должна более чем в 2,5 раза превышать глубину проникновения. При малой толщине возникает так называемая проницаемость и эффект нагрева снижается, что необходимо учитывать при выборе оборудования.
Для питания индуктора более высокой, чем в распределительной сети (50 Hz), частотой применяются статические преобразователи частоты - тиристорные или транзисторные.
ROBOTERM spol. s r.o. , г. Хотеборж производит преобразователи частоты с тиристорами от 25 до 1200 kW с частотой до 8 kHz и с транзисторами до 200 kW с частотой до 25 kHz .
Индукционный нагрев позволяет хорошо стабилизировать температуру нагреваемых предметов. Для управления процессом восновном применяются свободно программируемые автоматы. Температура в большинстве случаев измеряется бесконтактным способом – пирометрами. При нагреве алюминия и его сплавов используются так же термопары.
Одним из преимуществ индукционного нагрева является возможность его механизации, а в некоторых случаях и автоматизации. Последняя уменьшает необходимость человеческого труда и для очень мощного оборудования просто необходима.
На практике индукционный нагрев используется в следующих областях: