Индукциялық қыздырудың физикалық негізгі, индукциялық қондырғылардың жіктелуі

Индукциялық қ ыздырудың физика-техникалық негізі. Ө ткізгіш дененің индукциялық қ ыздыруы - бірінші жә не екінші текті ө ткізгіштерде Джоуль-Ленц заң ы бойынша денені қ ыздыратын токтардан электр магниттік энергия жұ тылуына негізделген. Айнымалы магнит ө рісі қ ыздырылатын денеге қ атысты трансформатордың бірінші орамасындағ ы пайда болғ ан индукция қ ұ былысымен туындалады. Қ ыздырылатын дене трансформатордың екінші орамасындағ ы қ ысқ а тұ йық талу режиміне сә йкес келеді.

Айнымалы магнит ө рісі бірінші орамадан туындайтын магнит индукциясын туындатады, ол магнит қ озғ аушы кү шіне тура пропорционал жә не магнит тізбек кедергісіне кері пропорционал. Қ ыздырылатын денеде туындалатын ЭҚ К В, онда қ алыпты емес токтың туындауымен сә йкес қ уат бө лінеді:

 

. (3.58)

 

Сонымен индукциялық қ ыздыру тікелей қ ыздырудың кедергісі болып табылады, қ ыздырылатын дененің тізбекке қ осылуы магниттік байланыс есебінен жү реді. Индукциялық қ ыздыру тікелей қ ыздыру кедергісінің жетістіктеріне ие: қ ыздырудың жоғ арғ ы жылдамдығ ы, енгізілетін қ уат пропорционалдығ ы, температураның шектеусіз дең гейі, металл қ ыздыруғ а, қ айта балқ ытуғ а, материал буландыру мен плазма алуғ а жеткілікті температура.

Ашық атмосферада, қ орғ ағ ыш газ бен ваккумда ө тетін технологиялық ү рдістердің талабы бойынша автоматизациялауғ а оң ай беріледі жә не ү лкен ә сер етуге индукциялық қ ыздыру кезінде қ уатты шығ ын етеді.

Индукциялық энергия енгізудің ерекшелігі. Бір қ алыпты емес токтар ө ту аймақ тың кең істіктікте орналасуын реттеу мү мкіндігі болып табылады. Біріншіден, бір тегіс емес токтар индукциялаудың шектелген аудандарында жү реді. Дененің ө лшеміне тә уелсіз дененің индукциялануымен магниттік байланыста болатын бө лігі қ ыздырылады. Екіншіден тегіс емес ток циркуляция зонасының терең дігі, сә йкесінше индуктор ток жиілігіне тә уелді энергияны индуктордан қ ыздыру тогына беру тиімділігі олардың арасындағ ы саң ылау кө леміне тә уелді жә не ол азайғ ан сайын артады. Кедергілер қ ыздыру, индукциялық қ ыздыру сияқ ты жоғ ары ө німділік пен жақ сы санитарлы-гигиеналық ең бек жағ дайымен қ амтамасыз етіледі, қ орек кө зінің қ иын тү рімен технологиялық ү рдістерге электр энергияның меншікті шығ ыны кө п.

Индукциялық қ ыздыру индуктор саң ылауды жә не қ ыздырылатын денені қ ұ райды. Бұ л элементтер электр кө зінен алынғ ан электр энергиясын жылулық қ а ауыстырудың тиімділігін анық тайды. Индуктор қ ыздырылатын денеге тү сетін электр магниттік токқ а ауысатын магниттік ө рісті уақ ыт бойынша тудырады. Индуктордың ө зі электр магниттік ө рісті тудыра отырып, энергияны жұ тады, ол жұ тумен ө рнектеледі.

Қ ыздыру операциясын индуктор орындағ анда дененің не ішінде, не сыртында орналасуы мү мкін, соң ғ ы жағ дайда трансформатор болатын жапырақ ө зекшесі индуктор ішіне орналасады

Индуктордан айнымалы ток ө ткенде жазық тық тағ ы магнит ө рісінің барлық нү ктелерінде кернеу бірдей. Индуктор ішіндегі жазық тық тың бір бірлік ұ зындық тағ ы энергия лебі:

 

(3.59)

 

мұ нда (Iw)² - индуктордың ампер-тармақ ты квадраты, f - ток жиілігі, π D²_в/4 -индуктор қ имасының ауданы.

 

Индукторда толық қ уат реактивті жә не айнымалы магнит ө рісін жасауғ а кетеді.

Кө п тармақ ты индуктордың 1 м ұ зындық та электр магнит энергиясының жұ тылуы кезінде туындайтын шығ ындар:

 

P =6.2*10 (I ) D F /k , (3.60)

 

P =6.2*10 (I ) D /k , (3.61)

 

мұ ндағ ы D_a - индуктордың активті диаметрі (сыртынан қ ыздыралатын дененің индукторы ү шін D_a=D_b=2R_a, ал цилиндрлі жазық тық тағ ы индуктор ү шін D_a=D_H=2R_H), - индуктор материалының меншікті кедергісі.

 

Пайдаланылатын бө лшектің ө зара ө лшемдеріне тә уелді қ ыздырылатын дене мен индуктор арасындағ ы саң ылаудан жоғ алғ ан қ уат шығ ыны жатады. Егер де индукторда қ ыздырғ ыш металл цилиндірлі болса, саң ылаудағ ы шығ ын:

 

P =6.2*10 (I ) fd [(D /d ) -1]. (3.62)

 

Индуктор қ ыздырғ ыш цилиндірінің сыртында болғ анда саң ылаудағ ы энергия шығ ыны:

 

P =6.2*10 (I ) fd. (3.63)

 

Қ ыздырылатын денеге қ ажетті энергия 1 м ұ зындық та қ уат мә ндері арқ ылы инженерлік есеппен анық талады. Активті қ уат ү шін:

 

P =6, 2*10 (I ) d F. (3.64)

 

Реактивті қ уат ү шін:

 

P = 6.2*10 (I ) d G , (3.65)

 

мұ ндағ ы - қ ыздырылатын материалдың меншікті кедергісі; - магниттік ө тімділік; f - ө ріс тазалығ ы; (Iw₁₀) - магнит қ озғ аушы кү ші; G - кесте мен график бойынша анық талатын Бессел функциясының тү зілуі.

 

Металл плитаны қ ыздыру кезіндегі активті жә не реактивті қ ұ раушы қ уаттылығ ы:

 

, (3.66)

 

. (3.67)

 

Индуктор жү йесіндегі электрлік ПӘ К-і - металдлан бө лінетін активті қ уаттың Р_{1, 0} индуктордағ ы Р_и1.0 активті шығ ынының қ атынасымен анық талады:

 

 

. (3.68)

 

ПӘ К-тің максималды мә ні 0, 70-0, 881 қ ұ райды. Жоғ ары ПӘ К цилиндр диаметрі азайғ анда жиілік белгілі бір шекке дейін артады, одан кейін ПӘ К ө згеріссіз қ алады.

Саң ылаудан энергияның шығ ыны жү йенің ПӘ К-ін шамамен 10% дейін тө мендетеді. Қ ыздыру тиімділігінің қ атынасы азайғ ан сайын артады, сондық тан жақ сы ө ткізгіш материал мыс немесе алюминийден толық металл цилиндрден жасалғ ан индукциялық қ ыздыру тиімсіз.

 

. (3.69)

 

Саң ылау арасында индукцияланатын реактивті қ уат та артады. Магнит ө рісі дене бетінде бірден жылу энергиясының бө лінуіне ә серін тигізеді:

 

. (3.70)

Мұ нан дененің қ атты (терең ірек) қ ызуы оның меншікті кедергісінің артуын ұ лғ айтады жә не ток жиіліктің жоғ арылауымен тө мендейді.

Сонымен бірге бұ л формула денені қ ыздыру ү шін қ ажетті ток жиілігін анық тайды. Ферромагнитті материал ү шін температура артуымен ө седі. Кюри нү ктесіне жеткенде мә ні 50-100 ден 1-ге дейін тө мендейді, ток ө тудің терең дігі кү рт ө сіп, жұ тылатын қ уат азаяды.

Жү йеде индуктор қ ыздырғ ыш дене болуы екі лектік магниттік энергия жә не келтірілген ток пен қ ыздырылатын дененің ә р элементіне ә сер ететін механикалық кү ш тудырады, ол электр динамикалық кү ш деп аталады:

 

, (3.71)

 

мұ ндағ ы z - координата М1 болғ анда магнитсіз немесе кез келген қ айта балқ ығ ан металл ү шін:

 

. (3.72)

 

Соғ атын кү штер ену терең дігіне кері пропорционал, магниттік ө ткізгішке тура пропорционал. Кү штердің максималды мә ні индуктордан қ ашық нү ктелерде орналасқ ан жиілік азаюымен р_сж ө седі.

Шашырау легі негізгі лекке қ атысты 25-30% қ ұ райды, сондық тан _тр болады, мұ ндағ ы К_тр - трансформациялық коэффициенті, ; каналды пештер ү шін )

Индукциялы каналды пештің жұ мыс істеу орынбасу сұ лбасы мен векторлық диаграммасы қ ысқ а тұ йық талу режиміндегі трансформатор режиміне сай келеді (3.13-сурет).

Векторлық диаграммағ а сә йкес:

 

, (3.73)

 

мұ ндағ ы - екінші ораманың ЭҚ К, В; - пеш каналындағ ы ток; R₂, х₂ - сә йкесінше активті жә не реактивті кедергі каналы, Ом: - толық кедергі, Ом.

Синусоидалы кернеу периодындағ ы пештің қ уат коэффиценті:

 

. (3.74)

 

Формуладан кө рініп тұ рғ андай металлдың активті кедергісінің азаюынан мен шашырау легінің артуынан азаяды. Футеровка қ ажет ететін пеш каналы мен индуктор арасында санылаудың ү лкеюінен пештің реактивті қ уаты оның активті қ уатынан бірнеше есе артық болады, ал шынайы . Аз мә нді қ уат коэффициентін меншікті электр кедергісі бар металдарды балқ ыту ү шін пайданылады.

 

3.13-сурет. Индукциялы каналды пеш

 

Ток каналын магнит ө ріспен каналдық екі бө лігінде ә серлесуін сараптасақ І - тұ рақ ты кө лденең канал қ имасының ауданына U коаксиалды индуктор, ІІ - тұ рақ ты емес ұ зындық тың ауданы (3.14-сурет).

 

 

3.14-сурет. Канал тогымен магнит ө рісінің ә серлесу сұ лбасы

 

I аймақ та (3.14-сурет) вектор жү йесінің симметриялылығ ынан токтың тығ ыздығ ы бір аксиалды компонентке ие, ал магниттік индукция – бір тангенциалды компонентке ие. Бұ л жағ дайда электр магниттік кү ш радиалды компонент бетінің канал осімен бағ ытталады. Бұ л кү ш металл сығ ылуын (пинт–эффект) туғ ызады.

Ауданның барлық ұ зындығ ында бұ л кү штер тұ рақ ты, сондық тан олар металлдың каналдағ ы қ озғ алысын туғ ызбайды, тек канал радиусы бойынша оны сығ ып, металлғ а статистикалық ә сер етеді. (3.14-сурет) IІ аймақ та индукция бір қ ұ раушыдан тұ рады, бірақ ток тығ ыздығ ының векторы екі компоненттен қ ұ ралғ ан – осьтік жә не радиалды. Ә серлесу сығ ылу кү шін береді, ал ә серлесудің ө зі электр магниттік кү штің аксиалды компонентін қ ұ райды.

Индукциялық канал пештерінің басты жетістігіне жоғ ары энергиялық ПӘ К-і, қ айта балқ ытылатын металл тү ріне сә йкес, 60–90 % дейін жететіндігі жатады. Индукциялы канал пештерінде металлдың аздап кү юі байқ алады, себебі мұ нда металлдың қ атты кү юі мен пеш ваннасының бетінде кү шті тотығ уыболмайды, каналды пеш типін тандау олардың бірқ атар ерекшеліктерімен анық талады, олардың ішіндегі негізгілері:

1) ү здіксіз жұ мыс режимі қ ажет;

2) металлдың соң ғ ы тү бін қ алдыру қ ажет –“тұ нба ” (жалпы кө лемінің 25-30%);

3) басқ а металлдарды балқ ытудың қ иындығ ы.

Қ ұ рылысы бойынша қ азіргі ИКП типтері жабын каналымен орындалады (3.15-сурет). Олардың сипаттық ерекшелігі – екі аймақ тың болуы – энергия болу (“индукциялық бірлік”) аймағ ы мен балқ у аймағ ы (пеш ваннасы) қ ұ рылысы бойынша индукциялық бірліктер бір жә не екі каналды индукторғ а сә йкес біреулік жә не екеуілік болады. Канал арнайы шаблон кө мегімен дайындалады. Канал футеровкасы толтырылғ ан ә р тү рлі қ ұ рамағ а байланысты балқ итын металл немесе балқ ымайтын металл тү рінде орындалады.

 

 

a - біреулік; в - екеулік; 1 - футеровка; 2 - су суытқ ыш қ абық ша; 3 -магнит сым; 4 - индуктор

 

3.15-сурет. Каналды пештердің индукциялы бірлік қ ұ рылысы

Индукциялық бірлік футеровкасы ванна футеровкасына қ арағ анда термиялық қ ызудың ә серінен қ ызмет ету мерзімі аз болады. Сондық тан қ азіргі ИКП (индукциялы каналды пеш) типті индукциялық бірлік қ олданылады, себебі ванна футеровкасынсыз ауыстыруғ а болмайды, ә рі пеш толығ ымен істен шығ арылмайды. Каналдарды тікбұ рышты аймақ ты қ ұ дық тү рінде жә не жартылай қ ұ дық немесе тек тікбұ рышты аймақ (олар ластанғ анда каналды тазартуғ а онай болу ү шін) тү рінде жасайды, каналдар қ иылысы дө нгелек, тікбұ рышты немесе доғ алы формалы болып келеді.

Трансформатордың магнитө ткізгіші болат таспа ө зекшеден жасалып, катушка индукторды жө ндеуге қ олайлы орнатылады. ИКП қ ұ рылғ ысы мен параметрлері ерітілетін тү рі мен қ олдануына тә уелді болады. Негізгі қ ұ рамалы каналды пештердің келесі тү рлері кең інен таралғ ан: шахталық, барабандық жә не екі камералы (3.16-сурет).

Шахта тү ріндегі ИКП балқ ыту камерасы вертикалды цилиндр секілді болады, тү пкі бө лігіне балқ ыту бірлігі (3.16-сурет) қ осылғ ан. Металл қ ұ йылғ анда пеш гидравликалық қ ондырғ ы кө мегімен қ исайтылады. Мұ ндай тү рде пеш қ ұ рылысының ерекшелігіне – орналастыру, жө ндеу кезінде жә не пеш ваннасын футеровкағ а ауыстыру кезінде қ арапайымдылық жатады.

Барабан тү рінде ИКП-нің балқ у камерасы горизонталды орналасқ ан цилиндр тү рінде орындалады. Ол ә р тү рлі қ исаю механизмдерімен орындалғ ан. Пеш бірнеше индукция бірлігіне ие (3.16-сурет.)

 

 

а - шахталы; б - барабанды; в - екі камерлы

 

3.16-сурет. ИКП типті индукциялы каналды пештің тү рлері

 

Екі камералы каналды пештер қ исайтылғ ан немесе кө лденең орналасқ ан екі ваннаны ө зара қ осатын каналдардан қ ұ ралғ ан. Каналдардың біреуі балқ ытқ ыш, екіншісі таратқ ыш болады.