УСТРОЙСТВО КОСВЕННОГО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА ПОРОШКОВЫХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 1998 года по МПК B22F3/10 

Изобретение относится к области электротермии и может быть использовано в индукционных установках, питающихся от тиристорного преобразователя частоты с ограниченным уровнем выходного напряжения 250 - 300 В.

Известен тиристорный преобразователь частоты, включающий выпрямитель, автономный инвертор с управляемой частотой, блок управления и защиты инвертора, устройство согласования инвертора с нагрузкой, микропроцессорную систему управления или управляющие ЭВМ (включая IBM PC AT 486) с периферией. Микропроцессорные системы работают в реальном времени и реализуют оптимальные последовательности управления, отображения, защиты и документирования информации. Тиристорный инвертор имеет электрический КПД, примерно равный 0,94 - 0,96, высокую надежность, обеспечивает высокое быстродействие ( ≅ 0,01 с) [1].

В настоящее время применяется частотный способ управления мощностью тиристорного преобразователя частоты, согласно которому частота инвертирования при нагреве подстраивается по сигналу датчика до ее совпадения с резонансной частотой нагрузочного контура, что обеспечивает выделение максимальной мощности. При рассогласовании частот выделяется малая мощность на уровне тепловых потерь нагреваемого тела [2, 3].

Известен индукционный нагреватель металлических тел [2, с. 10, рис. 1.1] , содержащий многовитковый секционированный индуктор с различными длинами секций, из которых короткая секция индуктора подключена параллельно тиристорному преобразователю частоты, а обе последовательно соединенные секции индуктора подключены параллельно батарее компенсирующих конденсаторов.

Достоинством нагревателя является большой выигрыш по габаритам и емкости дорогостоящих компенсирующих конденсаторов. Объясняется это тем, что при относительно низком выходном напряжении тиристорного преобразователя частоты (ТПЧ) (≈250 - 300 В), типичном для ТПЧ [2] по условиям класса применяемых тиристоров и времени, предоставляемом тиристорам на восстановление управляющих свойств, напряжение на батарее компенсирующих конденсаторов может быть обеспечено в несколько раз больше (обычно (800 - 1000) В). При этом реактивная энергия конденсаторов возрастает как квадрат напряжения, т.е. примерно в 16 раз.

Недостатком этого нагревателя является неудовлетворительное качество нагрева, которое состоит в том, что наблюдается заметно выраженный "провал" температуры нагреваемого изделия в зоне соединения двух секций индуктора, что подтверждают расчеты по математической модели, описанной в [6] и расчетные результаты на фиг. 3.

Физически суть "провала" в профилях температуры и источников тепла заключается в следующем. Токи, протекающие по короткой ("индуктивной") и длинной ("емкостной") секциям индуктора, сдвинуты по временной фазе относительно друг друга примерно на 180 электрических градусов, т.е. находятся в противофазе. В результате этого магнитное поле в зоне соединения короткой и длинной секций индукторов резко ослаблено. На фиг. 3 видно, что в указанной зоне соединения обеих секций индуктора (точка "a") наблюдается "провал" удельной мощности от 6,5 Вт/см³ до 1 Вт/см³, т.е. в 6 раз.

Наиболее близким по технической сущности является индукционная установка для спекания изделий из металлических порошков по а. с. N 1129814, кл. B 22 B 3/10, 1992, содержащая многовитковый индуктор, охватывающий полый цилиндр из тугоплавкого металла (излучатель), длина которого не равна длине индуктора, причем абсолютный размер выступающих (или заглубленных) частей индуктора по отношению к торцам нагреваемого излучателя одинаков с обоих концов индуктора. Указанные выступы (или заглубления) индуктора по отношению к длине нагреваемого излучателя служат средством управления равномерностью нагрева в торцевых зонах: изменяя знак указанного абсолютного размера выступающих (или заглубленных) частей индуктора, можно усиливать или ослаблять внутренние источники тепла в широких пределах в торцевых зонах излучателя. Это средство управления широко известно [4, 6] и [7, стр.79].

Достоинством прототипа является косвенный способ нагрева порошковых изделий, т.е. введение в конструкцию полого цилиндра из тугоплавкого металла (излучателя) внутрь индуктора. При этом нагреваемые порошковые изделия получают тепло от излучателя в виде лучистого потока, и качество нагрева не зависит от плотности спрессованных изделий.

Недостатком прототипа при секционном подключении [2, рис. 1.16], оговоренном выше для аналога, является "провал" температурного поля в зоне соединения двух секций индуктора, о котором говорилось выше, а также другой специфический недостаток - неравномерность температур обоих торцев излучателя, находящихся на разных расстояниях от зоны соединения секций индуктора (точка "a" на фиг. 3).

Из фиг. 3 видно, что имеется неравномерность нагрева торцев излучателя ≈20%: торец со стороны короткой секции индуктора нагрет до 1030^oC, а торец со стороны длинной секции - всего до 880^oC. Такая неравномерность объясняется перетечкой тепла к зоне "провала" (точка "a" на фиг. 3) от более нагретых торцевых зон излучателя. Поскольку эти торцы удалены от зоны "провала" на существенно различные расстояния, то и утечка тепла из торцевых зон излучателя разная: на ближайшем к зоне "провала" торце утечка тепла больше, и температура этого торца ниже.

Этот факт является недостатком прототипа при нулевом или одинаковом заглублении (или выступе) индуктора с обоих торцев излучателя. В итоге излучатель имеет неодинаковую рабочую температуру рабочей внутренней поверхности. Различие в лучистом потоке будет сказываться в четвертой степени по отношению к температуре.

Задачей изобретения является повышение качества изделий за счет достижения равномерности теплового поля вдоль оси электромагнитного экрана.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом устройстве косвенного индукционного нагрева порошковых изделий секция индуктора большей длины имеет меньшую выступающую по отношению к торцу излучателя часть, чем выступающая часть короткой секции индуктора по отношению к противоположному торцу излучателя.

На фиг. 1 показана схема реализации устройства; на фиг. 2 - экспериментальные кривые нагрева; на фиг. 3 - расчетные кривые, полученные на математической модели [6] с помощью ЭВМ.

Устройство индукционного нагрева содержит секционированный индуктор 1, теплоизоляцию 2 (слои стекловаты и асбеста), размещенную между излучателем 3 и индуктором. С торцев устройства расположены торцевые тепловые экраны 4. Внутри электромагнитного излучателя находятся спекаемые порошковые изделия 5. Для перемещения порошковых изделий применяют толкатель 6. Выступающая часть индуктора 1 по отношению к торцу излучателя 3 называется заглублением электромагнитного излучателя 3 в индуктор 1 и обозначена позициями 7 и 8. Секции индуктора различной длины соединены так, что короткая секция индуктора подключена параллельно тиристорному преобразователю частоты 9, а обе последовательно соединенные секции индуктора подключены параллельно батарее компенсирующих конденсаторов 10.

Устройство работает следующим образом.

При подаче напряжения с инвертора по "индуктивной" секции от точки "b" к "а" протекает ток I₁, а по "емкостной" секции от точки "c" к "a" протекает ток I₂. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея протекающий по секциям индуктора электрический переменный ток индуктирует в нагреваемом теле (излучателе) электродвижущую силу.

Согласно закону Ома и принципу Ленца в теле возникают вихревые токи (токи Фуко). По закону Джоуля - Ленца при протекании вихревых токов проходит выделение тепловой энергии (джоулевого тепла) в излучателе 3, который одновременно выполняет функции теплоаккумулирующего тела, т.е. электромагнитного экрана, поглощающего энергию падающей на его наружную поверхность электромагнитной волны.

При протекании переменного тока по "индуктивной" и "емкостной" секциям индуктора магнитные поля, ими созданные, в зоны соединения секций индуктора компенсируются и образуется "провал" удельной мощности. За счет того, что при предлагаемом отношении заглублений увеличивается максимальная удельная энергия в промежутке от зоны соединения секций индуктора до ближайшего торца, соответственно и температура ближайшего торца будет выше, чем при равных заглублениях. В результате перетечки тепла от более нагретых точек излучателя к менее нагретым происходит охлаждение торца примерно от 1200 до 1090^oC, а в зоне соединения секций индуктора происходит наибольшее увеличение температуры. В результате неравномерность будет от 1200 до 1090^oC, что составляет примерно 9%. Этот факт скажется на качестве изделий.

Технико-экономический эффект предлагаемого устройства заключается в лучшем, более полном использовании излучательной поверхности электромагнитного экрана, так как степень неравномерности нагрева снижается. На фиг. 3 видно, что без заглубления степень неравномерности 340^oC, а учитывая, что излучательная способность пропорциональна четвертой степени температуры, можно считать, что эффективно работает только зона, где T>1500^oC, - это часть экрана, равная примерно 0,625 длины экрана. При реализации указанного устройства "работает" вся длина экрана, так как перепад вдоль экрана примерно равен 20 - 50^oC. На фиг. 4 штрихпунктирной линией показана и прогнозируемая кривая температурного поля в предлагаемом устройстве.

Источники информации.

1. Системы управления с тиристорными преобразователями частоты для электротехнологий. / Шапиро С.В., Зинин Ю.М., Иванов А.В. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 168 с.

2. Разработка и проектирование тиристорных источников питания. /Белкин А. К., Горбатков С.А., Гусев Ю.М., Шуляк А.А. - М.: Энергоатомиздат, 1994. - 272 с.

3. Зарипов М.Ф., Горбатков С.А. Элементы теории нелинейных электромагнитных систем с распределенными параметрами. - М.: Наука, 1979. - 225 с.

4. А. С. (СССР) N 1170635, кл. H 05 B 6/36. Индукционная печь для нагрева плоских слитков. Опубл. 1985.

5. А.С. (СССР) N 1390821, кл. H 05 B 6/36. Индукционная печь для нагрева плоских слитков. Опубл. 1988.

6. Горбатков С.А., Зарипов Р.А., Смоленков В.Ф., Файрузова Л.С. Расчет режимов индукционного нагрева штампов гибкими водоохлаждаемыми индукторами с гофрированной металлической оболочкой. // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. N 1. - Новочеркаск: Политехнический институт, 1990, с. 95 - 100.

7. Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева. - Л. : Энергия, 1974. - 264 с.

Использование: в области электротермии и может быть использовано в индукционных установках, питающихся от тиристорного преобразователя частоты с ограниченным уровнем выходного напряжения 250-300 В. Задача изобретения: повышение качества изделий. Сущность изобретения: устройство снабжено тиристорным преобразователем частоты, батареей компенсирующих конденсаторов, индуктор выполнен двухсекционным с различными длинами секций, секции индуктора выполнены с выступающими частями по отношению к торцам излучателя, причем секция индуктора большей длины выполнена с меньшей выступающей частью по отношению к торцу излучателя, чем секция индуктора меньшей длины, короткая секция индуктора подсоединена паралельно тиристорному преобразователю частоты, а обе последовательно соединенные секции индуктора подсоединены параллельно батарее компенсирующих конденсаторов. 4 ил.

Устройство косвенного индукционного нагрева порошковых изделий, содержащее излучатель, выполненный в виде полого цилиндра из металла, многовитковый индуктор, охватывающий излучатель снаружи, отличающееся тем, что оно снабжено тиристорным преобразователем частоты, батареей компенсирующих конденсаторов, индуктор выполнен двухсекционным с различными длинами секций, секции индуктора выполнены с выступающими частями по отношению к торцам излучателя, причем секция индуктора большей длины выполнена с меньшей выступающей частью по отношению к торцу излучателя, чем секция индуктора меньшей длины, короткая секция индуктора подсоединена параллельно тиристорному преобразователю частоты, а обе последовательно соединенные секции индуктора подсоединены параллельно батарее компенсирующих конденсаторов.