Развитие индукционного нагрева относится в основном к XX веку, особенно к началу 30-х годов. Относительно позднее развитие индукционного нагрева, при наличии основных научных предпосылок, объясняется отсутствием источников тока достаточной мощности, а также сравнительно низким уровнем развития промышленности того времени, не нуждавшейся в высокопроизводительных методах нагрева и не предъявляющей столь высоких требований к материалам, технологиям и автоматизации процессов, как в наше время.

Первыми установками индукционного нагрева были индукционные плавильные печи, применявшиеся для переплавки стали.

Тигельные индукционные печи послужили прообразом многочисленных установок индукционного нагрева с целью осуществления различных технологических операций.

В 1935 году под руководством профессора В.А. Вологдина в ЛЭТИ, Ленинград был предложен новый метод поверхностной закалки при индукционном нагреве, быстро завоевавший всеобщее признание благодаря невиданной ранее производительности, малой энергоемкости и огромным возможностям автоматизации процессов.

Далее индукционный нагрев получил широкое применение в кузнечном и прокатном производствах, где мощность отдельных установок достигает сотен мегаватт: для сварки, пайки, отжига, отпуска, для получения материалов сверхвысокой чистоты, а также для высокочастотного нагрева диэлектриков. Например, сушка древесины и нагрева пластмасс и других материалов с целью прессования, сварки, склеивания и т. д.

Многообразие установок индукционного нагрева можно классифицировать по принципу действия и по основным конструктивным признакам:

I группа. Установки индукционного нагрева в переменном электромагнитном поле.

• плазменные для технологических целей;
• плавильные печи: канальные и тигельные;
• под пластическую деформацию в кузнечнопрессовом и прокатном производстве;
• для термообработки, пайки, наплавки и технологического обогрева;
• для сварки.

II группа. Установки индукционного нагрева диэлектриков.

Надо заметить, что в первую группу входят все установки индукционного нагрева электропроводящих материалов, где нагрев осуществляется за счет магнитной составляющей переменного электромагнитного поля индуктированными (круговыми замкнутыми, так называемыми “вихревыми”) токами в нагреваемых объектах. Эта группа является доминирующей.

Вторая группа объединяет установки для нагрева диэлектриков, где используется электрическая составляющая переменного электромагнитного поля.

Активное развитие индукционного нагрева идет по пути совершенствования его технологии и автоматизации, в том числе и на основе достижений вычислительной техники. В связи с ростом мощности установок и расширением их использования в промышленности, особое значение приобрело совершенствование основной аппаратуры и источников питания (статических преобразователей частоты).

Индукционный нагрев в кузнечно-прессовом производстве

При производстве заготовок методом штамповки применяются два основных метода: нагрев в газовых печах и индукционный нагрев.

Метод нагрева в газовых печах обладает большой степенью универсальности и пока незаменим в единичном и мелкосерийном производстве, а также при нагреве крупногабаритных заготовок и заготовок сложной геометрической формы. Применение метода нагрева в газовых печах в условиях серийного, крупносерийного и массового производства малоэффективно в силу следующих недостатков:

• Низкий КПД газовых печей на уровне 10…15%;
• Периодичность в работе при нагреве заготовок партиями;
• Повышенное образование окалины и обезуглероживание поверхности заготовок из-за длительного пребывания их в печи;
• Длительный процесс разогрева печи перед работой.

Индукционный нагрев наиболее эффективен в условиях серийного и массового производства. Преимущества этого метода составляют:

• Достаточно высокий КПД, примерно 60…70%;
• Минимальные затраты времени на подготовку к работе;
• Высокая производительность;
• Возможность достижения высокой степени автоматизации;
• Малый угар металла, который в 2-4 раза меньше чем в пламенных печах и печах сопротивления (если в них не применяется защитная среда), благодаря высокой скорости нагрева и наличию застойной газовой среды в малом воздушном промежутке между футеровкой и нагреваемым объектом;
• Увеличение сроков службы штампов на 20-30% вследствие уменьшения слоя окалины и повышения пластичности материала из-за быстрого нагрева, что составляет одну из существенных статей экономии;
• Коренное улучшение условий труда благодаря резкому уменьшению выделения тепла, газов и твердых частиц по сравнению с пламенными печами. Это приводит к уменьшению текучести персонала, характерной для цехов, оборудованных нефтяными и газовыми печами, а также к уменьшению обслуживающего персонала.

Нагреву подвергаются стали различных типов, от малоуглеродистых до легированных, а также сплавы титана, алюминия, меди и других металлов.

Целью нагрева является обычно получение заданной температуры с определенной допустимой неравномерностью по объему изделия. Для сталей средняя температура находится в диапазоне 1000…1250 C°.

В отдельных случаях используется градиентный нагрев с заданным законом изменения температуры по длине изделия. Иногда, особенно при нагреве заготовок из легированных сталей, вводится ограничение на перепад температур из-за опасности возникновения внутренних трещин от термических напряжений.

Эти преимущества индукционного нагрева делают его более предпочтительным, чем печной нагрев при серийном, крупносерийном и массовом производстве. В сравнении с печным нагревом он позволяет улучшить качество поковок и повысить производительность. В связи с этим, на предприятиях, производящих заготовки методом горячей штамповки сериями, протекает процесс замены печей на индукционные нагреватели.

Мне пришлось видеть результаты такого процесса в конце 90-х годов прошлого века в г. Люблине (Польша), куда наше предприятие ЗАО “Белтехнология и М” поставило прокатный стан SP-2000-1-IH (с индукционным нагревателем). Его установили на площадях кузнечного предприятия, где все кузнечное производство завязано исключительно на индукционный нагрев поковок перед штамповкой. 

Исключением была одна газовая печь для нагрева заготовок перед штамповкой переднего моста автомобиля, т.к. заготовка имела крупные габариты и вес. При этом все индукционные нагреватели комплектовались исключительно тиристорными преобразователями частоты в качестве силового генератора.

Процессы характерные для индукционного нагрева

В процессе нагрева ферромагнитных материалов и сплавов наряду с уменьшением удельной электропроводности уменьшается и их магнитная проницаемость. При достижении нагреваемым металлом определенной температуры значение магнитной проницаемости падает до величины магнитной проницаемости вакуума (m=1), что ведет к резкому увеличению глубины проникновения тока. Эта температура называется температурой магнитных превращений или критической точкой (или ее еще называют точкой Кюри), примерно соответствующей температуре 750…770 C°.

Поэтому различают глубину проникновения тока в сталь, нагретую ниже температуры магнитных превращений и глубину проникновения выше температуры магнитных превращений, т.н. "горячая" глубина проникновения тока.

В результате падения магнитной проницаемости и роста удельного сопротивления в процессе нагрева глубина проникновения тока возрастает в 8…10 раз, при этом прогрев идет постепенно, от слоя к слою, от поверхности вглубь. 

При этом наблюдаются три основные стадии индукционного нагрева:

1. Начало индукционного нагрева – холодный режим. Удельное сопротивление постоянно по всему сечению. Магнитная проницаемость возрастает от поверхности вглубь;
2. Промежуточный режим индукционного нагрева. Температура поверхности выше исходной, но ниже точки Кюри (750…770 C°). Эта стадия отличается от первой зависимостью удельного сопротивления от температуры, убывающей от поверхности вглубь. Непостоянство удельного сопротивления существенно лишь в пределах участка, равного глубине проникновения электромагнитной волны. Магнитная проницаемость при этом многократно возрастает от поверхности внутрь;
3. Горячий режим индукционного нагрева. Начало горячего режима соответствует слою, температура которого выше точки Кюри, в то время, как остальная часть сечения, имеющая более низкую температуру, постепенно спадающую по мере удаления от поверхности. На границе этого слоя магнитная проницаемость скачком меняется. В предельном случае горячего режима все сечение прогрето, удельное сопротивление и магнитная проницаемость становятся постоянными.

При этом мощность, потребляемая для нагрева в холодном режиме в 2 раза больше, чем в конце нагрева, а средняя мощность за весь цикл нагрева составляет 1.25 Р_мин. 

При объемном индукционном нагреве, когда нагреваемое тело может находиться в электромагнитном поле десятки минут, чтобы не перегреть поверхность тела, пока глубинные слои прогреваются теплопроводностью, удельная мощность составляет сотни Вт/см². В то время как при поверхностном нагреве, например, закалке, которая длится секунды, удельная мощность составляет тысячи Вт/см².

Немного о технических характеристиках индукционных нагревателей, их устройства, которые разрабатываются и изготавливаются на нашем предприятии ЗАО “Белтехнология и М”.

Производятся индукционные нагреватели в широком спектре для нагрева различных марок сталей, а также цветных металлов.

Диапазон нагреваемых заготовок лежит 10 мм от 150 мм диаметра и весом от 10г до 50 кг. При этом мощность может находиться от 50 кВт до 1600 кВт, а частотный диапазон – от 0,5 кГц до 50 кГц, что позволяет осуществлять такие технологические процессы, как объемный нагрев заготовок под штамповку, ковку и клиновую прокатку, объемную и поверхностную закалку стальных изделий, пайку твердых сплавов и закалку горных, дорожных и др. резцов.

При этом геометрия заготовок может быть как цилиндрическая, так и в виде пластин, конусов, пружин и др. Нагрев заготовок может осуществляться как по всему телу, так и их концов, а также определенных зон.

Темп выдачи нагретых заготовок может задаваться заказчиком в виде времени цикла в сек/шт или по производительности в тонн/час.

Затраты электроэнергии при объемном нагреве заготовок под пластическую деформацию до температуры 1200-1250 C° с допустимым перепадом температуры между поверхностью и центром 100 C° составляют 400…420 кВт*час/т.

Индукционный нагреватель состоит из таких основных узлов и устройств, как:

• Шкаф нагревателя, внутри которого находятся конденсаторная батарея, а также могут находиться некоторые средства по защите, согласованию линии подключения ВЧ, и согласующий трансформатор (при необходимости);
• Индуктор;
• Средства механизации и автоматизации загрузки-выгрузки заготовок;
• Система управления на базе контроллера с измерителем температуры;
• Система водяного охлаждения;
• Силового генератора на базе тиристорного или транзисторного преобразователя частоты (ТПЧ) с шинами подключения к нагрузке.

Индуктор совместно с конденсаторной батареей представляет собой параллельный колебательный LC-контур, который является нагрузкой силового генератора. В индукторе и происходит нагрев заготовок. 

Для получения более высокого термического и электрического КПД, катушки индукторов могут иметь круглую, овальную или другую форму, приближенную к профилю нагреваемой заготовки, что повышает использование эффекта близости. Ток, индуктированный в поверхностных слоях заготовки, вызывает ее нагрев, причем температура поверхности и глубина активного слоя нагрева зависит от подводимой к индуктору мощности, частоты и времени нагрева.

Разность температуры заготовки между поверхностью и сердцевиной, а также по длине заготовки, задается заказчиком и может находиться от 30°С до 150°С по сечению и ±35 C° по длине. Температура поверхности заготовки также задается заказчиком.

С целью сокращения производственных площадей, индукторы могут располагаться:

• горизонтально;
• под углом к горизонтальной плоскости;
• или вертикально.

В зависимости от требуемой производительности нагревателя, температуры нагреваемых заготовок, могут применяться системы нагрева как в продольном, так и поперечном электромагнитном поле.

Специалистами ЗАО “Белтехнология и М” разработаны и успешно внедрены в производство установки с двухрядными и двухручьевыми системами нагрева, что позволяет значительно уменьшить длину индуктора.

Длина индуктора на наших нагревателях может находиться в пределах от 0,4 до 2,5 метров. Для термоизоляции индуктора применяются современные керамические материалы и специальные бетоны.

В зависимости от конструкции индуктора, термоизоляционный материал может быть в виде отдельных втулок, которые вставляются внутрь спирали, или монолитной, когда спираль заливается жаропрочным бетоном. Термостойкость таких материалов составляет как правило 1400 - 1600 °С.

Разработанные нашими специалистами конструкции индукторов обладают:

• высокой ремонтопригодностью;
• простотой обслуживания;
• длительным сроком эксплуатации.

Так как индукционный нагрев осуществляется токами высокой и средней частоты, то в состав индукционного нагревателя обязательно должен входить генератор, который поставляет энергию нагревательному контуру (нагрузке). 

Для этого используются несколько типов генераторов:

• Электромашинные преобразователи частоты ЭПЧ;
• Ламповые преобразователи;
• Статические преобразователи частоты – тиристорные и транзисторные генераторы, появившееся в 70-х годах прошлого века, которые в настоящее время нашли широкое применение.

Основное преимущество генераторов серии ТПЧ состоит в том, что за счет высокого КПД и отсутствия потерь холостого хода, на 10-15% снижается потребляемая мощность от питающей сети электроэнергия по сравнению с электромашинными преобразователями, а также снижаются эксплуатационные расходы. 

Эксплуатация одного тиристорного преобразователя мощностью 500 кВт по сравнению с таким же по мощности электромашинным, при двухсменной работе и суммарном (по мощности и времени) коэффициенте использования 0.6, приводит к годовой экономии более 100 тыс.кВт/час электроэнергии.

Большие преимущества генераторов заключены в их регулировочных свойствах: 

• диапазон изменения выходного напряжения 20-100% от номинального;
• диапазон мощности нагрузки 3-100% от номинальной. 

Регулирование выходных параметров электро-технологических установок осуществляется без переключений в силовых цепях, что позволяет обходиться без громоздких коммутирующих устройств.

Нагрузкой ТПЧ является, как правило, параллельный колебательный контур, оборудованный индуктором и компенсирующим конденсатором. При необходимости, нагрузка может быть подключена через согласующий трансформатор или включение осуществлено по разгонной конденсаторной схеме, позволяющей повысить напряжение на индукторе. Необходимое условие – обеспечение заданной индуктивности линии подключения, достигнутое выбором кабелей или применением специального дросселя.

Применение IGBT модулей в качестве силовых элементов инвертора позволило упростить силовую схему генератора:

• Исключить реактор;
• Исключить блок пуска.

Это позволило снизить габариты и вес генератора. Одновременно выходная частота повысилась до 16 кГц при номинальной мощности 250 кВт. Применение микропроцессорной системы управления значительно позволило решить потребительские свойства генератора. 

Преобразователи частоты состоят из полупроводникового выпрямителя (диодного или тиристорного) и тиристорного или транзисторного инвертора, к выходу которого подключается нагреватель и конденсаторная батарея. Коммутирующая, управляющая и защитная аппаратура входит в состав преобразователя. Типаж преобразователей постоянно расширяется, в основном в сторону увеличения частоты и мощности.

Выпускаются серийные преобразователи широкого назначения и специализированные, входящие в состав установок для варки стекла, плавки, пайки и других процессов.

Достоинствами преобразователей является:

• высокий КПД (90…95%), маломеняющийся при неполной загрузке;
• возможность изменения частоты;
• хорошая ремонтопригодность;
• малая инерционность; 
• постоянная готовность к работе;
• высокая надежность в работе и степень электронных защит;
• а также малый побочный шум. 

Они также обладают плавностью запуска, способностью поддерживать все установленные основные установки и параметры работы, т.к. имеют микропроцессорную систему управления высокого уровня, а также снабжены двойным контуров водяного охлаждения.

В преобразователях используются две основные схемы инверторов тока:

1. Мостовая последовательная или последовательно-параллельная схема, где в диагональ моста включена нагрузка с компенсирующими и коммутирующими конденсаторами;
2. Мостовая схема с удвоением частоты и обратными диодами, нагрузочный контур, образованный компенсирующим и разделительным конденсаторами и индуктором, который подключен параллельно инверторному мосту.

Мощность тиристорных генераторов варьируется:

• от 100-800 кВт на питающем силовом фидере 3х380В (400В), 50Гц;
• до 1600 кВт на двойном питающем фидере 2х(3х550В), 50 Гц.

Частотный диапазон их работы 0,5 – 10,0 кГц. Мощность транзисторных генераторов, выполненных на базе IGBT модулей, варьируется от 40 до 250 кВт, а частотный диапазон: 6 – 50 кГц.

В своих индукционных нагревателях мы применяем преобразователи таких фирм как “ROBOTHERM”, Чехия; “ESTEL”, Эстония; “РЭЛТЕК”, Россия; “ЭЛСИТ”, Россия; “Термолит”, Украина и др. Выбор генератора также может оговаривать заказчик.

Примером эффективного применения современных индукционных нагревателей, разработанных и изготовленных на ЗАО “Белтехнология и М”, взамен газовых печей, а также внедрению технологии клиновой прокатки с индукционным нагревом, существует на Чебоксарском агрегатном заводе (Россия), где удачно реализованы преимущества индукционного нагрева.

В рамках программы, принятой заводом по замене газовых печей на индукционные нагреватели, там уже установлены и работают 7 нагревателей с мощностью от 100 до 1200 кВт. Кроме этого наши нагреватели работают на предприятиях Литвы, России, Украины, Белоруссии и т.д.

Можно с уверенностью сказать, что в наше время невозможно представить себе предприятие, не использующее широко индукционный нагрев при решении различных технологических задач, а также его модернизации.