RU2759171C1

RU2759171C1 - Induction heating apparatus

Info

Publication number: RU2759171C1
Application number: RU2020122464A
Authority: RU
Inventors: Павел Геннадьевич Бабенко
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ИнтерСЭЛТ"
Priority date: 2020-07-07
Filing date: 2020-07-07
Publication date: 2021-11-09

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: invention relates to electrothermics, in particular, to induction heating, and is intended for volumetric heating of bodies, including bodies with complex configuration, and induction crucible melting. The induction heating apparatus includes an inductor and a heat emission source. The inductor is located inside of a heat-insulating circuit, wherein the heat emission source is an inductor made in the form of a spiral made of heat-resistant (scale-resistant) and heat-proof steel. The length of the conductor of the inductor and the cross-sectional area of the conductor used to make the inductor are selected for reasons of the required rigidity of the inductor and the configuration of the part subject to processing in such way. The coils of the inductor spiral envelop the part subject to processing so that the part subject to processing installed in the working position is located fully inside the inductor, and a gap is formed between the outer surface of said part installed in the working position and the inner surface of the inductor spiral, ensuring the absence of contact between the processed part and the inductor during operation of the apparatus.

EFFECT: invention provides a reduction in the heat losses due to the execution of an inductor with air cooling and selection of the lining material, ensuring the safety of operation of the furnace and increasing the cost efficiency of operation thereof.

1 cl, 3 dwg

Description

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.The invention relates to electrothermia, in particular to induction heating, and is intended for volumetric heating of bodies, including bodies of complex configuration, variable thickness, thin sheet blanks, blanks made of materials with low resistivity, as well as for induction crucible melting of non-ferrous, ferrous metals and non-conductive materials, slags, glass.

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.Induction heating is widely used both for heat treatment of parts before plastic processing, and for melting non-ferrous and ferrous metals and non-conductive materials, slags, glass.

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.A known method of heating metal products from sheet material of variable thickness (and.with. USSR No. 892746, published on 23.12.1981) using an induction heating device, in accordance with which the product is simultaneously exposed to an electromagnetic field and thermal radiation of a given intensity. An example of the implementation of the method is described, according to which a stainless steel plate of variable thickness is subjected to heating. The minimum plate thickness is 10 mm, the maximum is 15 mm. The induction heating device includes a multi-turn oval inductor and a heat source. A heat-resistant steel screen is used as a source of thermal radiation.

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.The device works as follows. The body to be heated is placed inside the inductor. During operation, the inductor generates an electromagnetic field, the source of thermal radiation (screen) is heated to 1400 ° C, thereby providing the required heat flux. Thus, in the processing area of the product, there is simultaneously a heat flux and an electromagnetic field, the intensity of which ensures the transfer into the body of a specific power of the order of 10 - ¹⁰⁷ W / m ² and the frequency of which is selected from the condition that the depth of its penetration into the body material is more than 2 , 5-3.0 times less than the minimum thickness of the workpiece. In the described example of the implementation of the method, the total heating time of the plate to 1250 ° C is 32 s, and the initial heating period is 6 s (20%) and is carried out at a frequency of 10,000 Hz. The final heating period is carried out at a frequency of 1000 Hz, at which the penetration depth of the electromagnetic field is greater than or equal to the maximum thickness of the product. The intensity of the flow of thermal radiation is maintained equal to 2.4 * 10 ⁵ -4.6 * 10 ⁵ W / m ² .

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.The proposed heating method using the described induction heating device allows high-speed heating compared to furnace heating of blanks of arbitrary complex configuration (thin, variable thickness (1-15 mm), made from dia- and ferromagnetic sheet materials, as well as from materials with low resistivity for heat treatment and plastic deformation, which increases labor productivity, reduces warpage of parts, and also eliminates the formation of a decarburized layer on the surface of the workpieces and reduces scale formation.

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.The disadvantages include the use of a heat-resistant steel screen as a source of thermal radiation, the installation of which, in addition to complicating the design, also leads to an increase in the gap between the inductor and the part, which negatively affects the electrical efficiency of the inductor. As a rule, the total heat losses of the inductor can be 20-60% of the total power supplied to the inductor and they are removed using air or water cooling, which makes the induction heater under consideration less efficient in comparison with the furnace heater in terms of energy consumption.

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.Known muffle furnace (USSR AS SU 133137, published 01/01/1960), in which the muffles are made of an electrically conductive material and are arranged one in the other sequentially in the direction of the propagation of electrical energy with gaps between the muffles, in which the heated products are placed. The disadvantages of the device include a relatively low efficiency.

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.Known flexible inductor for heating products, containing a multicore cable made of heat-resistant metal, such as steel, covered with electrically insulating ceramic bushings (USSR AS SU 1081810, published 03.23.1984). In order to increase the reliability of the inductor in operation, between each two bushings, on the outer side surface of which metal clips are attached, barrel-shaped metal spirals are installed, the ends of which rest on the indicated clips, and the direction of winding the spirals alternates along the length of the cable.

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.There is a known method of heating a metal wall of the shell, including the location on the heated shell of an insulated current conductor, closed from the outside by a screen or sequentially arranged screens of ferromagnetic material, passing through an alternating current conductor and creating eddy currents around the conductor (Russian patent RU 2663366, published 03.08.2018). In the method, screens or a screen in the form of a profile tapering outward from the wall of the shell are used, the screen is positioned so that it forms a closed loop with the shell, located on a part of the outer surface of the shell and on the inner surface of the screen, eddy currents of the screen are directed along this contour and at the same time simultaneously the screen is heated and the part of the wall of the heated sheath located under the screen, the direction of winding the spirals alternates along the length of the cable.

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.The closest to the claimed device is an induction crucible furnace (RF patent No. 2213311, published on September 27, 2003), containing a crucible, a cylinder enclosing a crucible made of an electrically conductive material, an inductor, a lining, a hearth, a lid in which the lining, hearth and lid are made of heat-resistant material with low thermal conductivity, ensuring long-term maintenance of the required temperature, and the inductor is made with air cooling and is located behind the lining without touching it.

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).The technical result achieved by the invention consists in reducing heat losses due to the design of the inductor with air cooling and selection of the lining material, which ensures the safety of the furnace and increases the efficiency of its operation. Inductor located behind the lining and not in contact with it and having air cooling (natural or forced).

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. Indeed, the additional gap between the inductor and the lining increases the thermal efficiency of the induction system, but leads to a decrease in the electrical efficiency of the inductor due to an increase in the gap between the inductor and the heated object, which leads to a decrease in the efficiency of the device as a whole.

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. In practice, you always have to find a balance between the two values of the efficiency of the inductor - thermal and electrical. Air cooling is less energy intensive and safer than the commonly used water cooling of the inductor, but it can still be attributed to an overhead, since the heat from the inductor is simply discharged into the air.

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.Another disadvantage of this technical solution is the fact that the material in the crucible heats up only due to thermal radiation from the cylinder heated by the electromagnetic field, which negatively affects the furnace performance due to the limited heat transfer due to thermal radiation and, if you try to compensate for this disadvantage, it will be necessary to heat the cylinder to higher temperatures than is required to heat the processed materials in the crucible. This leads to a decrease in the thermal efficiency of the furnace, as well as to the need for a special selection of materials for the lining and cylinder, complicating the development of the device.

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.Despite the obvious advantages of induction heating, primarily the heating rate and, accordingly, productivity, difficulties arise in the processing of some parts. In particular, certain problems arise when heating parts of variable thickness, when the volume density of the energy transferred to the body during heating, averaged over the thickness of the body, is inversely proportional to the thickness of the body at the point under consideration.

Задачей настоящего изобретения является повышение КПД индукционных нагревательных устройств путем снижения тепловых потерь. The object of the present invention is to increase the efficiency of induction heating devices by reducing heat losses.

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. The problem is solved in that the induction heating device, including the inductor and the source of thermal radiation, in accordance with the invention contains a heat-insulating circuit, and the inductor is located inside the specified heat-insulating circuit. The source of thermal radiation is the inductor itself, made in the form of a spiral made of heat-resistant and heat-resistant steel. The geometrical parameters of the inductor (length of the conductor of the inductor, shape and cross-section of the conductor of the inductor) are selected from considerations of the required stiffness of the inductor and the configuration of the part to be heated in such a way that the turns of the inductor cover this part installed in the working position.

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. In addition, when designing the inductor, the requirement to limit the specific surface power of the inductor was fulfilled

caused by ohmic losses, permissible values of βperm, determined in accordance with standard calculation methods for electric furnace heaters. If the surface power of the heater is exceeded, its service life will be reduced, and the heater may melt due to the fact that its temperature may rise above the melting point of the heater material.

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.Between the outer surface of the part installed in the working position and the inner surface of the coil of the inductor, a minimum gap is formed, ensuring that there is no contact between the heated part and the inductor during the operation of the device.

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.Due to the fact that the workpiece is located inside the inductor, and there are no shielding elements between its outer surface and the inner surface of the inductor, there is only the minimum required gap, the electrical efficiency of the inductor, depending on the size of this gap, has a maximum value. In addition, the inductor is a source of not only electromagnetic, but also thermal radiation, which is used for additional heating of the object, in this regard, the losses of the inductor are useful and they do not need to be removed, which means that cooling of the inductor is not required. Also, in this design of the induction heating device, there is no need for additional elements that would create thermal radiation, for example, in a screen, as is the case in RF patent No. 892746, or in a removable cylinder, as in RF patent No. 2213311. Also, since the inductor is located inside the heat-insulating circuit, the thermal insulation can have an unlimited thickness, which simplifies the selection of materials and allows you to obtain minimal heat losses to the environment, which will make the heating device as efficient as possible. These features of the device significantly increase the efficiency of the device.

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).For furnaces with a heating temperature of 1100-1300 ° C, a wide range of heat-insulating materials can be used as thermal insulation, such as lightweight porous chamotte, kaolin, basalt and silica wool. For furnaces with heating temperatures up to 2500 ° C, super high-temperature ceramics (periclase ceramics, zirconium dioxide ceramics, corundum, cermets) can be used as thermal insulation.

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. The main requirements for the choice of the material of the conductor of the inductor are: heat resistance (mechanical strength at high temperatures), heat resistance (resistance of metals and alloys to gas corrosion at high temperatures) and electrical resistivity. At the same time, heat resistance and heat resistance are universal requirements, and the requirements for specific resistance depend on technological applications and the required ratio of the intensity of electromagnetic and thermal radiation fluxes.

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.To build atmospheric furnaces with a heating temperature of up to 1100-1200 ° C, it is advisable to choose a material from the series: precision alloys based on chromium and nickel; chromium-nickel alloys (for example, nichrome), iron, chromium and aluminum (iron-chromium-aluminum), for example, Fechral and other heat-resistant alloys on iron-nickel basis.

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.In the case of designing high-temperature furnaces with a protective atmosphere, refractory materials can be used as the inductor material: tungsten, molybdenum. Molybdenum heaters can operate up to 1700 ° C in vacuum and up to 2200 ° C in a protective atmosphere. Tungsten heaters can operate in a protective environment up to 3000 ° C.

Целесообразно, чтобы диаметр проводника (проволоки), из которой изготовлена спираль индуктора, составлял от 8 до 14 мм.It is advisable that the diameter of the conductor (wire) from which the coil of the inductor is made is from 8 to 14 mm.

Целесообразно, чтобы индукционном нагревательном устройстве зазор между наружной поверхностью установленного в рабочее положение нагреваемого объекта и внутренней поверхностью спирали индуктора составлял 5÷20 мм.It is advisable that the induction heating device the gap between the outer surface of the heated object installed in the working position and the inner surface of the coil of the inductor was 5 ÷ 20 mm.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которыхThe invention is illustrated by drawings, in which

фиг. 1 изображает индукционное нагревательное устройство, выполненное в соответствии с изобретением, в случае использования в качестве нагреваемого объекта тигля, в разрезе;fig. 1 shows an induction heating device according to the invention, in the case of using a crucible as a heated object, in section;

фиг. 2 изображает индукционное нагревательное устройство, выполненное в соответствии с изобретением, в случае использования в качестве нагреваемого объекта тонколистовую стальную заготовку, в поперечном разрезе;fig. 2 is a cross-sectional view of an induction heating device according to the invention in the case of using a sheet steel blank as the object to be heated;

фиг. 3 изображает индукционное нагревательное устройство, выполненное в соответствии с изобретением, в случае использования в качестве нагреваемого объекта тонколистовую стальную заготовку, в продольном разрезе;fig. 3 is a longitudinal sectional view of an induction heating device according to the invention in the case of using a sheet steel blank as the object to be heated;

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.As shown in FIG. 1, an induction heating device (hereinafter ICU) includes an inductor 1 made in the form of a spiral of wire, the material of which is selected in accordance with the requirements for the technological process.

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. The diameter of the wire from which the inductor is made, in most cases, is from 8 to 14 mm It has been experimentally established that with a diameter of more than 8 mm, it is possible to manufacture an inductor with sufficient rigidity, without sagging spiral turns during temperature deformations and, therefore, ensuring the required minimum the gap between the part and the inductor. For thinner conductors, it is more difficult to make holders, turn insulators, which should be miniature, as well. accordingly, they will be more fragile and unreliable in operation, especially at high temperatures. With a wire diameter of more than 14 mm, the material consumption unjustifiably increases due to the fact that in the range of common induction frequencies of 4-30 kHz, the current flows over the surface of the conductor. So, for nichrome, the depth of current flow is 8 ÷ 3 mm for the indicated frequencies.

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:One of the main criteria in the design and calculation of an inductor, which is at the same time a heat emitter, becomes the need to provide a condition under which the specific surface power of the inductor

caused by ohmic losses would not exceed the permissible values of βperm, determined in accordance with standard calculation methods for electric furnace heaters. So, for high-temperature furnaces (at temperatures above 700 ° C), the permissible surface power, W / m ² , is equal to:

, где

, where

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

- surface power of heaters depending on the temperature of the heat-absorbing medium [W / m ² ] (reference value)

α - коэффициент эффективности излучения (справочное значение).α is the radiation efficiency factor (reference value).

Фактическое значение удельной поверхностной мощности

, спирали индуктора рассчитывают по формуле:Actual value of specific surface power

, the coil of the inductor is calculated by the formula:

,

U - выходное напряжение генератора, В; U - generator output voltage, V;

L - длина проводника индуктора, м;L is the length of the inductor conductor, m;

D - диаметр проводника индуктора, м;D is the diameter of the inductor conductor, m;

ρ - удельное сопротивление материала проводника индуктора, Ом*м;ρ is the specific resistance of the material of the conductor of the inductor, Ohm * m;

π - число «Пи»π - number "Pi"

- индуцированное сопротивление нагреваемого объекта, Ом.

- the induced resistance of the heated object, Ohm.

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.The inductor 1 is connected to a current generator (not shown in the figure). Inside the inductor 1 is placed the part to be heated, in this case crucible 2, while the turns of the coil of the inductor cover the crucible 2, and the latter is completely inside the inductor 1. The crucible 2 can be made of any suitable material - ceramics, metal, chamotte, etc. Between the outer surface of the crucible 2 and the inner surface of the inductor 1 formed a gap 3. The size of the gap 3 can be determined only by the geometric characteristics of the inductor and the crucible. With a gap of less than 5 mm, there is a likelihood of touching inductor 1 and crucible 2 during operation of the device due to natural temperature deformations, and with a gap of more than 20 mm, the intensity of the electromagnetic flux decreases due to a decrease in the induction coupling of inductor 1 with crucible 2, ohmic losses in the inductor increase to undesirable values, and also decreases the efficiency of the transfer of thermal radiation from the inductor 1 to the part 2 to be processed, and, consequently, the efficiency of the device decreases.

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.The inductor 1 is placed inside the heat-insulating loop 3, including the heat-insulating bottom 4, on which the crucible 2 rests, the side heat insulation 5, and the upper heat insulation 6. The bottom 4, the side heat insulation 5 and the top heat insulation 6 are made of a heat-resistant material with low thermal conductivity, which ensures long-term maintenance of the required temperature, and are located on the outside of the inductor 1. Thus, the inductor 1, together with the crucible 2 installed inside it, turns out to be inside the heat-insulating loop 4,5,6, which ensures reliable thermal insulation of the entire internal volume of the heating chamber of the device, minimizes energy losses and increases the efficiency of the induction the heating device as a whole.

Работа ИНУ осуществляется следующим образом.The work of the INU is carried out as follows.

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.The crucible 2 is filled with a material, for example, the metal to be melted, an alternating voltage is applied to the inductor 1, in the created electromagnetic field of the inductor 1 in the metal located in the crucible 2 or in the crucible 2 itself, if it is made of an electrically conductive material, an electric eddy current that heats them is induced ... In addition, the current flowing through the inductor 1 heats up the inductor 1 itself, as a result of which it begins to emit thermal energy, which is also absorbed by the crucible 2 with metal.

Таким образом, на подлежащий нагреву объект воздействует одновременно электромагнитное и тепловое излучение от индуктора, что увеличивает энергоэффективность ИНУ.Thus, the object to be heated is simultaneously affected by electromagnetic and thermal radiation from the inductor, which increases the energy efficiency of the INU.

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.As mentioned above, the specific surface power of the inductor

caused by ohmic losses should not exceed the permissible values for electric furnace heaters, in particular, taking into account the volume of the heated chamber, the permissible temperature of the coil of the inductor and the temperature of the heat-absorbing medium, in this case, the operating temperature of the crucible with the metal. Compliance with this condition guarantees reliable and long-term operation of the furnace.

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.FIG. 2, 3 illustrate the implementation of the invention in the case of using a thin-sheet steel billet as the part to be processed, namely, for heating the blank of a shovel blade to a stamping and hardening temperature of 950 ° C using medium or high frequency, when the depth of current penetration is higher than the thickness of the billet.

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).As shown in FIG. 2, the inductor 7 is made in the form of a rectangular spiral made of heat-resistant metal wire located around the workpiece 8 to be processed. To install the part 8 in the inductor 7, insulators 9 are provided, on which the part 8 rests during heating. Ceramic can be used as a material for insulators 9. On the outside of the inductor 7 there is a heat-insulating loop (refractory lining) 10, which provides reliable thermal insulation of the entire volume of the heating chamber of the INU for long-term maintenance of the required temperature. The inductor is connected to a medium or high frequency generator (not shown in the drawing).

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.The heating unit operates as follows. An alternating voltage is supplied to the inductor 7 and, due to the flow of electric current through it, it heats up to an operating temperature of 950-1000 ° C. Part 8 is inserted into inductor 7 and installed on insulators 9. At the first stage of heating, when part 8 has ferromagnetic properties (temperature up to 730 ° C), the penetration depth of induction currents does not exceed the thickness of part 8 and it begins to heat up effectively mainly due to eddy currents, induced by an electromagnetic field. At the second stage, upon reaching the temperature of magnetic transformations (Curie point, 730 ° C), the depth of penetration of the eddy current sharply increases and begins to exceed the thickness of the part, as a result of which the losses caused by eddy currents are significantly reduced and further heating of part 8 is carried out mainly due to thermal radiation from inductor 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.The number of turns of the inductor, the cross-section of the conductor of the inductor, its material, the heating temperature of the inductor are selected in such a way that the specific surface power of the inductor

caused by ohmic losses did not exceed the permissible values for electric furnaces.

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.In addition, in this heating scheme, there is a very flexible tool for empirical selection of the operating current of the inductor during operation at the second stage of heating in such a way as to maintain the temperature of the inductor coil not higher than a predetermined level, which will ensure guaranteed reliable and long-term operation of the heating device.

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.The high energy efficiency of the proposed INU for heating thin-sheet blanks is due to the increased efficiency of the inductor due to the minimum gap between the inductor and the blank and the location of the uncooled inductor inside a reliable heat-insulating circuit. In addition, due to the use of not only electromagnetic, but also thermal radiation for heating the workpiece, the device provides the fundamental possibility of heating thin workpieces under conditions when the penetration depth of induction currents exceeds the thickness of the workpiece. Also, due to the possibility of electromagnetic transmission of high specific powers at the stage when the workpiece has ferromagnetic properties, a high speed is achieved, and, accordingly, the productivity of the device, in comparison with resistance furnaces. In turn, a shorter heating time reduces the scale formation of the workpieces.

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.The high energy efficiency of the proposed INU for crucible induction furnaces is due to the increased efficiency of the inductor due to the minimum gap between the inductor and the crucible, the inductor located inside a reliable heat-insulating circuit, being a source of not only electromagnetic, but also thermal radiation, does not require any cooling, unlike traditional induction ovens. The use of one of the main advantages of induction heating, which provides high specific power transmission of thermal energy, makes the declared INU much more efficient in comparison with crucible resistance furnaces.

Ниже приведены примеры реализации изобретения при разработке опытного образца тигельной печи и индукционного нагревательного устройства для нагрева тонколистовых металлических заготовок перед штамповкой и закалкой.Below are examples of the implementation of the invention when developing a prototype crucible furnace and an induction heating device for heating thin sheet metal blanks before stamping and quenching.

Фирмой ООО «ИнтерСЭЛТ» был создан опытный образец индукционной тигельной печи для плавки алюминия. Были созданы следующие условия и характеристики работы печи:InterSELT LLC has created a prototype of an induction crucible furnace for aluminum melting. The following conditions and characteristics of the furnace were created:

- объем плавки по алюминию 80 кг (шамотнографитовый тигель размером ∅ 440*550 мм);- the volume of melting for aluminum is 80 kg (chamotte-graphite crucible with a size of ∅ 440 * 550 mm);

- максимальная температура перегрева алюминия 750°С;- the maximum temperature of overheating of aluminum is 750 ° С;

- максимальная температура спирали индуктора 880°С;- the maximum temperature of the coil of the inductor is 880 ° С;

- эффективная удельная поверхностная мощность нагревателя 2,65 Вт/

- effective specific surface power of the heater 2.65 W /

- коэффициент эффективности излучения спирали индуктора 0,6;- coefficient of radiation efficiency of the coil of the inductor 0.6;

- напряжение индуктора 136 В, - inductor voltage 136 V,

- удельное сопротивление нихрома

- resistivity of nichrome

- индуцированное сопротивление нагреваемого тигля - 1,25 Ом.- the induced resistance of the heated crucible is 1.25 Ohm.

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:The coil of the inductor is made of nichrome wire ∅ 12 mm, with a spiral diameter ∅ 460 mm, a height of 500 mm and the number of turns of 17 turns. The length of the conductor of the inductor was 25.2 m. Fireclay bricks were used as the hearth, and 150 mm thick silica wool was used as the side and top thermal insulation. A transistor converter was chosen as the power source. The power consumption of the converter is 18.5 kW, the current frequency is 18 kHz. The permissible value of the specific surface power for a given inductor used as a heater is:

, спирали индуктора данной печи не превышает допустимого значение и составляет:Actual value of specific surface power

, the coil of the inductor of this furnace does not exceed the permissible value and is:

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.The process of melting metal with a volume of 80 kg was carried out from the hot state of the furnace and took 83 minutes. Electricity consumption was 24.3 kW * h, which corresponds to the specific indicator of electricity consumption per unit of molten aluminum mass of 303 kW * h / t. According to this indicator, the declared furnace significantly surpasses its counterparts. So, when melting aluminum in classical induction furnaces with a water-cooled inductor, the specific power consumption is up to 650 kW * h / t, and in crucible resistance furnaces - up to 500 kW * h / t. In terms of melting time, the declared furnace surpasses a similar crucible resistance furnace, the melting time of which is 120 minutes.

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:InterSELT LLC has created a prototype of an induction heating device for heating thin sheet blanks of shovel blades before stamping and hardening. The following conditions and characteristics of the device were created:

• размер нагреваемой стальной заготовки - 220*340*1,8 мм; • the size of the heated steel billet - 220 * 340 * 1.8 mm;

• требуемая температура нагрева заготовки - 900°С;• required heating temperature of the workpiece - 900 ° С;

• требуемое время нагрева заготовки - 60 с;• required heating time of the workpiece - 60 s;

• частота работы индукционного нагревателя - 22 кГц;• operating frequency of the induction heater - 22 kHz;

• глубина проникновения тока в холодном режиме (до 730°С) - 0,32 мм;• depth of current penetration in cold mode (up to 730 ° С) - 0.32 mm;

• глубина проникновения тока в горячем режиме (выше 730°С) - 3,87 мм.• depth of current penetration in hot mode (above 730 ° С) - 3.87 mm.

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.The rectangular coil of the inductor is made of nichrome wire ∅ 12 mm, with the internal size of the inductor volume: 250 * 400 * 50 mm, with the number of turns of 18 turns. Ceramic bushings were used as insulators and guides for installing the workpiece inside the inductor. Silica wool 150 mm thick was used as thermal insulation for the inductor. A transistor converter was chosen as the power source. For the initial heating of the inductor to an operating temperature of 950 ° C, a power of 12 kW was supplied to the inductor for 10 minutes. To maintain the operating temperature of the inductor, it is sufficient to have 1.5 ÷ 2 kW of heating power. After placing the workpiece in the inductor, 70 kW of power was applied to the inductor for 8 s, while the workpiece was heated to a temperature of 730 ° C. Then the power of the inductor was reduced to 10 kW and held for 30 s, after which the workpiece was taken out, its temperature was 900 ° C.

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.Electricity consumption for heating the billet without taking into account the preliminary stage of heating the coil of the inductor was 212 W * h / billet, which corresponds to the specific indicator of energy consumption per unit of heated metal mass - 198 W * h / kg. According to this indicator, the declared induction heating device is significantly superior to its counterparts. So, when heated using classical inductors with water cooling and internal thermal insulation of the inductor, the specific power consumption for heating steel parts for hardening is up to 340 W * h / kg, and in resistance furnaces - up to 400 W * h / kg. In addition, during the heating time of 38 s, almost no scale is formed on the surface of the workpiece.

Claims

Induction heating device, including a crucible, a cylinder covering a crucible made of an electrically conductive material, an inductor, a lining, a hearth, a lid, in which the lining, hearth and lid are made of heat-resistant material with low thermal conductivity, which ensures long-term maintenance of the required temperature, and the inductor is air-cooled and is located behind the lining, not in contact with it, characterized in that the details of the device are selected in such a way that the specific surface power of the inductor, determined by the formula:

,

where U is the output voltage of the generator, L is the length of the conductor of the inductor, D is the diameter of the conductor of the inductor, ρ is the resistivity of the material of the conductor of the inductor, π is the number of Pi, R _ind is the induced resistance of the heated object, was maximum.