Кіріспе

Электромагниттік индукция арқылы электр өткізгіш затты қыздыру процесі. Индукциялық қыздыру – электр өткізгіш материалдарды, атап айтқанда металдарды немесе жартылай өткізгіштерді электромагниттік индукция арқылы қыздыру процесі. Бұл процесте индуктор электромагниттік өріс тудырады, ол болат, мыс, латунь, графит, алтын, күміс, алюминий немесе карбидті қыздырып, тіпті балқытуға да мүмкіндік береді. Индукциялық қыздырудың маңызды ерекшелігі – жылу сыртқы көзден жылу өткізгіш арқылы емес, нысанның ішінде пайда болады. Осының арқасында нысандарды өте жылдам қыздыруға болады. Сонымен қатар, сыртқы контактіге қажеттілік болмайды, бұл ластану қаупі бар жағдайларда маңызды. Индукциялық қыздыру металлургиядағы термикалық өңдеу, жартылай өткізгіштер өнеркәсібінде қолданылатын Чохральски кристал өсіру және аймақтық тазарту сияқты көптеген өнеркәсіптік процестерде, сондай-ақ өте жоғары температура талап ететін отқа төзімді металдарды балқытуда қолданылады. Бұған қоса, индукциялық плиталарда да қолданылады. Индукциялық жылытқыш электромагниттен және электрондық осциллятордан тұрады, ол электромагнит арқылы жоғары жиілікті айнымалы ток (AC) өткізеді. Жылдам ауыспалы магнит өрісі нысанға еніп, өткізгіште шеңберлі токтарды (электр ағымдарын) тудырады. Шеңберлі токтар материалдың кедергісі арқылы өтіп, Джоуль қыздыруы арқылы оны қыздырады. Ферромагниттік және ферримагниттік материалдарда, мысалы, темірде, жылу магниттік гистерезис шығындары арқылы да пайда болады. Индукциялық қыздыру үшін қолданылатын электр тогының жиілігі нысанның мөлшеріне, материалдың түріне, байланысқа (жұмыс орамасы мен қыздырылатын нысан арасында) және ену тереңдігіне байланысты.

Қолданбалар

Индукциялық қыздыру қолданылатын затты беттік қатаю, балқыту, қатты тілеу және дәнекерлеу сияқты мақсаттар үшін, сондай-ақ өлшемге келтіру үшін бағытталған қыздыруға мүмкіндік береді. Темір және оның қорытпалары ферромагниттік қасиеттеріне байланысты индукциялық қыздыруға ең жақсы жауап береді. Дегенмен, кез келген тоқ өткізгіште еңсел тоқтары туындауы мүмкін, ал кез келген магниттік материалда магниттік гистерезис пайда болуы мүмкін. Индукциялық қыздыру сұйық тоқ өткізгіштерді (мысалы, балқыған металдарды) және газ тәрізді тоқ өткізгіштерді (мысалы, газ плазмасын – Индукциялық плазма технологиясы қараңыз) қыздыру үшін қолданылады. Индукциялық қыздыру көбінесе графит тигельдерді (басқа материалдарды қамтитын) қыздыру үшін қолданылады және жартылай өткізгіштер өнеркәсібінде кремнийді және басқа жартылай өткізгіштерді қыздыру үшін кеңінен пайдаланылады. Желілік жиілікті (50/60 Гц) индукциялық қыздыру инвертерлердің қажеті болмағандықтан, көптеген төмен құнға түсетін өнеркәсіптік қолдануларда қолданылады.

Пеш

Индукциялық пеш металды балқу нүктесіне дейін қыздыру үшін индукцияны пайдаланады. Балқығаннан кейін жоғары жиілікті магниттік өріс ыстық металды араластыру үшін де қолданылуы мүмкін, бұл қорытпа қоспаларының балқымаға толық араласуын қамтамасыз етуге көмектеседі. Көптеген индукциялық пештер сумен салқындатылған мыс сақиналардан тұратын құбырдан құралған, ол өртке төзімді материалдан жасалған ыдысты қоршап тұрады. Индукциялық пештер қазіргі заманғы құю заводтарында металдарды балқытудың реверберациялық пештерге немесе куполға қарағанда таза әдісі ретінде қолданылады. Олардың көлемі бір килограмнан жүз тоннаға дейін жетеді. Индукциялық пештер жұмыс істегенде, олардың жұмыс жиілігіне байланысты жоғары дыбыстың қысқасынан немесе гуылдаған дыбыс шығаруы мүмкін. Темір, болат, мыс, алюминий және құнды металдар балқытылады. Бұл таза және тікелей жанаспайтын процесс болғандықтан, оны вакуумда немесе инертті атмосферада қолдануға болады. Вакуумдық пештер арнайы болаттар мен басқа қоспаларды өндіру үшін индукциялық қыздыруды пайдаланады, олар ауада қыздырылғанда тотығады.

Дәнекерлеу

Индукциялық дәнекерлеуде ұқсас, кіші масштабтағы процесс қолданылады. Пластмассаны да индукция арқылы дәнекерлеуге болады, егер олар ферромагниттік керамикамен (мұндағы бөлшектердің магниттік гистерезисі қажетті жылуды қамтамасыз етеді) немесе металл бөлшектерімен қосылған болса. Құбырлардың тігістерін осылай дәнекерлеуге болады. Құбыр ішіндегі ток ашық тігіс бойымен өтеді және жиектерін қыздырады, нәтижесінде дәнекерлеуге жеткілікті температура туады. Осы сәтте тігіс жиектері біріктіріліп, тігіс дәнекерленеді. Радиожиілік ток құбырға щеткалар арқылы да жеткізілуі мүмкін, бірақ нәтижесі бірдей – ток ашық тігіс бойымен өтіп, оны қыздырады.

Өңдеу

Тез индукциялық баспа металл қоспасын дайындау процесінде, тоқ өткізгіш сым және қорғау газы оралған сопло арқылы беріледі, сым индукциялық қыздыруға түсіп, сұйық күйде соплодан шығарылады, содан кейін қорғау газы астында үш өлшемді металл құрылымдар қалыптасады. Осы процесте индукциялық қыздыруды қолданудың басты артықшылығы – энергия мен материалды тиімді пайдаланудың жоғары деңгейі, сондай-ақ селективті лазерлік қыздыру сияқты басқа қоспалы өндіріс әдістерімен салыстырғанда қауіпсіздіктің артуы, себебі олар материалды қыздыру үшін күшті лазер немесе электрондық сәуле қолданады.

Дастархан дайындау

Индукциялық пісіруде плита ішіндегі индукциялық катушка магниттік индукция арқылы ыдыс-аяқтың темір негізін қыздырады. Индукциялық плиталарды қолдану қауіпсіздік, тиімділік (индукциялық плитаның өзі қызбайды) және жылдамдық береді. Мыс түбі немесе алюминийден жасалған ыдыс-аяқтар көбінесе қолдануға жарамсыз. Жылу базада туындап, термиялық өткізгіштік арқылы ішіндегі тағамға беріледі.

Жарықтау

Индукциялық қосыстыру көбінесе үлкен партиялы өндірісте қолданылады. Ол біркелкі нәтижелер береді және өте қайталамалы. Индукциялық қосыстыруды қолданатын көптеген өнеркәсіптік жабдықтар бар. Мысалы, индукциялық әдіс карбидті білікке қосыстыру үшін қолданылады.

Бектеу

Индукциялық қыздыру тамақ және фармацевтикалық өнеркәсіптерде контейнерлердің қақпақтарын жабу үшін қолданылады. Бөтелке немесе банканың аузына алюминий фольгасының қабаты салынады және оны контейнерге біріктіру үшін индукциялық әдіспен қыздырылады. Бұл қақпақтың қол тигізбегенін анықтайтын пломбаны қамтамасыз етеді, себебі ішкі мазмұнды өзгерту үшін фольганы бұзу қажет.

Ыдысқа сәйкес қыздыру

Индукциялық қыздыру көбінесе бірдеңені, орнату немесе құрастыру алдында оны кеңейту үшін қыздыруға қолданылады. Подшипниктер осы әдіспен, желілік жиілікте (50/60 Гц) және подшипник ортасынан өтетін ламинатталған болаттан жасалған трансформаторлық өзек арқылы жиі қыздырылады.

Жылумен өңдеу

Индукциялық қыздыру металл бұйымдарын жылумен өңдеуде жиі қолданылады. Ең көп таралған қолданыстары – болат детальдерін индукциялық қатайту, металл компоненттерін қосу құралы ретінде индукциялық дәнекерлеу/жұптау және болат детальдің белгілі бір бөлігін таңдап жұмсақ ету үшін индукциялық оттықтап алу. Индукциялық қыздыру қажетті температураға жеткізу үшін қысқа уақыт ішінде әрекеттесуге мүмкіндік беретін жоғары қуат тығыздықтарын тудыра алады. Бұл қыздыру үлгісін қатаң бақылауға мүмкіндік береді, үлгі қолданылатын магнит өрісіне өте жақын түрде ілеседі және жылу деформациясы мен зақымдануды азайтуға көмектеседі. Бұл мүмкіндік әртүрлі қасиеттері бар детальдерді жасау үшін қатайту кезінде пайдаланылуы мүмкін. Ең көп таралған қатайту процесі – тозуға төзімділік қажет болатын аймақтың жергілікті бетін қатайту, сонымен бірге қажет болған жағдайда бастапқы құрылымның беріктігін сақтап қалу. Индукциялық қатайтылған үлгілердің тереңдігін индукциялық жиілікті, қуат тығыздығын және әрекеттесу уақытын таңдау арқылы реттеуге болады. Процестің икемділігіне шектеулер көптеген қолданулар үшін арнайы индукторларды жасау қажеттілігінен туындайды. Бұл өте қымбатқа соғады және кішкентай мыс индукторларға жоғары ток тығыздықтарын орналастыруды талап етеді, бұл арнайы инженерлік есептеулерді және "мыс құрастыруды" қажет етуі мүмкін.

Пластмасса өңдеу

Индукциялық қыздыру пластикалық құю машиналарында қолданылады. Индукциялық қыздыру құю және экструзия процестерінде энергия тиімділігін жақсартады. Жылу машина барабанында тікелей пайда болады, бұл қызып кету уақытын және энергия тұтынуды азайтады. Индукциялық катушканы жылу оқшаулағыштың сыртында орналастыруға болады, сондықтан ол төмен температурада жұмыс істейді және ұзақ қызмет етеді. Қолданылатын жиілік 30 кГц-ден 5 кГц-ге дейін төмендейді, барабан қалың болған сайын жиілік азаяды. Инверторлық жабдықтардың бағасының төмендеуі индукциялық қыздыруды одан әрі танымал етті. Индукциялық қыздыруды қалыптарға да қолдануға болады, бұл қалыптың температурасын теңестіріп, өнімнің сапасын жақсартады.

Пиролиз

Индукциялық қыздыру биомассаның пиролизінде биокөмір алу үшін қолданылады. Жылу тікелей шайқау реакторының қабырғаларында пайда болады, бұл биомассаның жақсы араласуымен және температураны бақылаумен пиролизін мүмкіндік етеді.

Егжей-тегжейлер

Негізгі құрылғысы – төмен кернеумен, бірақ өте жоғары ток пен жоғары жиілікті электр энергиясын беретін АЖ қуат көзі. Жұмыс бөлігін жылумен қамтамасыз ету үшін ауа катушкасының ішіне орналастырады, әдетте реактивті қуатты арттыру үшін резонанстық резервуар конденсаторымен бірге. Көздерден шығатын алмалы магнит өрісі жұмыс бөлігінде айналмалы токтарды тудырады. Индукциялық ток жиілігі индукцияланған айналмалы токтардың жұмыс бөлігіне ену тереңдігін анықтайды. Қатты дөңгелек таяқшаның ең қарапайым жағдайында индукцияланған ток беттен экспоненциалды түрде азаяды. Қуаттың 86% шоғырланған ену тереңдігін былай есептеуге болады: , мұнда – тереңдік (метрмен), – жұмыс бөлігінің кедергісі (ом·метрмен), – жұмыс бөлігінің өлшемсіз салыстырмалы магниттік өткізгіштігі, ал – АЖ өрісінің жиілігі (Гц). АЖ өрісін жұмыс бөлігінің эквивалентті кедергісі формуласымен есептеуге болады, сондықтан тиімділік жұмыс бөлігінің диаметріне байланысты функция болып табылады. Ену тереңдігін азайту үшін жиілікті арттыру қажет. Индукциялық қуат көздерінің құны жиілікпен бірге өседі, сондықтан оларды белгілі бір жиілікте жұмыс істеуге бейімдейді. Критикалық жиіліктен төмен жұмыс істегенде, жылу тиімділігі төмендейді, себебі жұмыс бөлігінің екі жағындағы айналмалы токтар бір-бірімен келіспейді және өшіріледі. Жиілікті критикалық жиіліктен жоғары арттыру жылу тиімділігін одан әрі жақсартпайды, бірақ ол тек жұмыс бөлігінің бетін қыздыруға бағытталған қолдануларда қолданылады. Салыстырмалы тереңдік температураға байланысты өзгереді, себебі кедергілік пен өткізгіштік температураға байланысты өзгереді. Болат үшін салыстырмалы өткізгіштік Кюри температурасынан жоғары 1-ге дейін төмендейді. Сондықтан, эталондық тереңдік температураға байланысты магниттік емес өткізгіштер үшін 2–3 есеге, ал магниттік болаттар үшін 20 есеге дейін өзгеруі мүмкін. + Жиілік диапазондарының қолданылуы Жиілік (кГц) Жұмыс бөлігінің түрі 5–30 Қалың материалдар (мысалы, 50 мм немесе одан үлкен диаметрі бар 815 °C температурадағы болат). 100–400 Кішкентай жұмыс бөліктері немесе беткейлік қыздыру (мысалы, 815 °C температурасында 5–10 мм диаметрі бар болат немесе 25 °C температурасында 0,1 мм шамасындағы диаметрі бар болат). 480 Микроскопиялық бөлшектер Магниттік материалдар гистерезис салдарынан индукциялық қыздыру процесін жақсартады. Жоғары өткізгіштігі бар материалдарды (100–500) индукциялық қыздыру арқылы қыздыру оңайырақ. Гистерезистік қыздыру Кюри температурасынан төмен жүреді, онда материалдар өздерінің магниттік қасиеттерін сақтайды. Жұмыс бөлігінде Кюри температурасынан төмен жоғары өткізгіштік пайдалы. Температураның айырмашылығы, масса және қатысты жылу жұмыс бөлігінің қызуына әсер етеді. Индукциялық қыздырудың энергия беруіне катушка мен жұмыс бөлігі арасындағы қашықтық әсер етеді. Энергия жоғалуы жұмыс бөлігінен тіреуге жылу өткізу, табиғи конвекция және жылу сәулелену арқылы жүреді. Индукциялық катушка әдетте мыс түтіктерден және сұйық салқындатқыштан жасалады. Диаметрі, пішіні және бұрылыстар саны тиімділікке және өріс үлгісіне әсер етеді.

Негізгі типтегі пеш

Пеш дөңгелек оттықтан тұрады, ол қыздырылатын зарядты сақина түрінде қамтиды. Металл сақинасы үлкен диаметрлі және айнымалы ток көзімен қуаттандырылатын электр ораумен магниттік байланыста болады. Бұл, по сути, трансформатор, онда қыздырылатын заряд бір айналымды қысқа тұйықталған екінші контур құрайды және темір өзек арқылы бірінші контурмен магниттік байланысқа түседі.