Принято считать, что переменный ток течет по всему сечению проводника, если проводник меньше величины А = 5030 X X Vpl (р./), где А - глубина шроникнооения тока в металл; р и ц - соответственно удельное сопротивление и магнитная проницаемость проводника; / - частота тока.

Так, для меди при / = 50 Гц А = 1 см, поэтому применение в цепях 50 Гц медных шин толщиной более 1 см ведет к неоправданному расходу меди (см. прил. 1),

Ток может существовать, когда его путь замкнут. Поэтому у проводника с током в данном направлении всегда существует на любом от него расстоянии проводник с противоположным током. Если при этом сечение проводника с током больше величины А, ток течет только в слое величиной А, причем со стороны обратного токопровода (так называемый «кольцевой эффект» или «эффект близости»). Если между прямым и обратным т6-копроводом поместить тело из электропроводящего материала, в ием наводится ток обратного направления как со стороны прямого токопровода, так и со стороны обратного токопровода. Теперь уже прямой и обратной токопроводы вместе взятые называются индуктором и «эффект близости» проявляется между индуктирующим и индуктируемкм токами.

Ток в токоироводящем теле, помещенном в индуктор, замьгка ется в плоскости, проходящей через прямой и обратный токопроводы индуктора, причем по наружному периметру сечения на глубине от поверхности, соответствующей Дг для данного материала помещенного тела. Если сечение тела меньше двух глубин проникновения, нагрев индуктированым током будет слабый, так как току негде замыкаться. Нагрев тела будет эффективным (с высоким КПД), если глубина проникновегаия тока в него Д20,15Й2. где 2 - размер сечения тела (для круглого сечения-диаметр тела). По мере повышения частоты тока (или размера сечения тела) КПД нагрева плавно возрастает до условия Д2 0,1с?2 и дальше не меняется. Поэтому нагрев с более высокой частотой нерентабелен из-за снижения КПД источника питания.

Этот фактор имеет меньшее влияние при поверхностном нагреве под закалку или рекристаллизационный отжиг, так как глубина закаленного слоя лежит в пределах 3-5 мм. Нагрев под закалку составляет секунды. В отличие от него объемный (глубинный или «сквозной») нагрев, когда температура по всему сечению нагреваемого тела в конце нагрева требуется одинако-

вол (или с допустимым перепадом ДГ между температурой в ueipe и на поверхности Т„ - Т), составляет минуты, а при нагреве слитков даже часы (см. прил, 3). При этом удельные мощности Ро составляют сотни Вт/см нагреваемой поверхности [1] (чтобы не перегреть поверхность тела, пока глубинные слои тела прогреваются теплопроводностью), в то время как при по-иерхностном нагреве удельная мощность составляет тысячи Вт/см2.

Таким образом, отличительными особенностями объемного индукционного нагрева являются: относительно малые удельные мощности нагрева (50-500 Вт/см); высокие температуры нагрева и, следовательно, необходимость мер для снижения тепловых потерь (см. прил. 4); относительно низкие частоты тока (Д20,15о(2) для уменьшения объема металла, прогреваемого теплопроводностью (см. прил. 5).

В комплексе этих вопросов следует выделить нагрев на промышленной частоте. Кажущаяся целесообразность нагреиа стальных прутков диаметром более 150 мм (ом. прил. 5) на промышленной частоте не оправдывается не только сложностями загрузки трехфазной сети однофазной нагрузкой или несимметричной загрузки трех индукторов, между которыми всегда провал нагрева, но, главным образом, большими электродинамическими усилиями между витками индуктора, а также между индуктором и заготовкой, что приводит к разрушению изоляции витков и к необходимости усиления конструкции.

Кроме того, на промышленной частоте практически нет воз-.можноста регулирования напряжения, а для осуществления тер-мостатирования нет силовой коммутирующей аппаратуры для частых включений и выключений индуктора (или питающего трансформатора). Элементы установки громоздки (индукторы, конденсаторы, трансформаторы, токопроводы, ком;мутирующая аппаратура и т. д.). Наконец, время нагрева крупногабаритных прутков, слитков, слябов мало отличается от их нагрева на средней частоте, так как матеа металла, подлежащая прогреву теплопроводностью, велика. Нагрев крупногабаритных заготовок (слитков, слябов) в традиционном продольном поле, когда магнитный поток направлен вдоль оси заготовки, не дает необходимой равномерности нагрева из-за соизмеримостти торцевой поверхности с боковой, так как на торцевой поверхности нет индуктированных токов.

Изложенного достаточно для заключения о непригодности промышленной частоты для объемного иидукциоиного нагрева стальных или титановых слитков (слябов) под пластическую деформацию. И только при низкотемпературном нагреве с малыми удельными мощностящ, когда индуктор может быть выполнен в виде многослойной катушки с неводоохлаждаемыми витками, индукционный нагрев на промышленной частоте может оказать-

ся приемлемым. Это, например, нагрев коаксиальных стальных обечаек, между которыми продавливаются для термообработки полужидкие вещества (например, жиры), или низкотемпературный нагрев крупногабаритных инструментов. Не исключена возможность нагрева стальных резервуаров для сушки лакокрасочных покрытий или нагрев стальных вагонов с целью размораживания сыпучих материалов. Однако низкотемпературный ик дукционный нагрев относится к эпизодическим задачам,

РАСЧЕТЫ ИНДУКЦИОННЫХ УСТАНОВОК

1.1. Время нагрева заготовки, мощность и длина печи

Для нагрева под ковку и щтампов1ку стальных заготовок диаметром до 150 мм достаточным является теплоперепад между центром и поверхностью ДГ = 100 °С. Мивимальное время нагрева, tia , при этом может быть выбрано по прил. 3. При других конечных перепадах температур ti„ может быть определено по формуле:

Таблица I

Значения коэффициента перепада температур

где k„ - коэффициент перепада температур (табл. 1); А, ~ горячая глубина проникновеНИЯ тока в нагреваемый металл (т. е. при удельном сопротивлении нагреваемого металла, соответствующем конечной температуре Т„, см. прил. 6).

Время нагрева может быть сокращено при изотермическом (ускоренном) нагреве. Ускоренный нагрев отличается от обычного форсированием в три-четыре раза удельной мощности в первой четверти индуктора (печи) с ослаблением ее в последующих секциях индуктора, чтобы не перегревать поверхность. При обычном методическом нагреве немагнитных материалов удельная мощность постоянна по всей длине индуктора, при нагреве магнитных материалов в первой трети индуктора удельная

мощность в два раза больше, чем в середине и в конце печи.

При периодическом (садочном) нагреве магнитных материалов и постоянном напряжении на индука-торе мощность в «холодном» режиме Рш»х (в начале нагрева) в два раза больше, чем в «горячем» режиме Pmin (в конце нагрева), при этом средняя мощность Рср - = l,25Pn,i„.

При нагреве труб на оптимальной частоте тока (табл. 2) время нагрева зависит только от подводимой к индуктору мощности.

По заданной (Производительности П (кг/с) среднюю за весь цикл нагрева мощность Рз. кВт, которую необходимо сообщить в заготовку без учета тепловых потерь, определяют по формуле:

/Л - 4,18г(7,- rjn,

где с - теплоемкость металла, кал/(г-°С); Т - Т - разность конечной и начальной температуры нагрева, °С.

При методическом нагреве (дискретном толкании на длину одной заготовки или непрерывно-последовательном движении заготовок) по заданной производительности и рассчитанному минимальному времени нагрева определим длину индуктора или печи /м. см:

5,7, Ю- •

где S2 и Y2 - соответственно сечение нагреваемой заготовки в см2 и удельный вес ее материала в г/см.

Если /м>70 см, индуктор необходимо разбить на секции длиной 35 см.

При непрерывно-последовательном нагреве, позволяющем обеспечить ускоренный нагрев при любой длине заготовок, между секциями индуктора - необходимо предусмотреть зазоры для размещения опорных или ведущих роликов. Однако эти зазоры должны рассматриватьсякак активная часть печи, в которой идет вьвравнивэние температуры между центром и поверхностью заготовки. За счет этих зазоров мощность, которая должна быть сосредоточена по всей длине /м, теперь концентрируется на укороченной длине секции, т. е. на длине 35 см. Это обепечивает повторно-ускоренный нагрев [1], т. е. еще более ускоренное выравнивание температуры. ;

Если нагрев садочный (нагрев части или всего прутка сразу), длина индуктора определяется по формуле:

Оптимальная толщина стенки нагреваемой стальной трубы, соответствующая максимальному КПД