Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 9 августа, печатный экземпляр отправим 13 августа
Опубликовать статью

Молодой учёный

Постановка цели и задач для усовершенствования оборудования ТВЧ

Технические науки
26.02.2018
157
Поделиться
Библиографическое описание
Кириенко, Д. Т. Постановка цели и задач для усовершенствования оборудования ТВЧ / Д. Т. Кириенко, Н. Г. Филиппенко, Н. С. Дроздов, А. А. Герасимов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2018. — № 8 (194). — С. 17-19. — URL: https://moluch.ru/archive/194/48468/.


История развития генераторов ТВЧ

Открытие электромагнитной индукции в 1831 году принадлежит Майклу Фарадею. При движении проводника в поле магнита в нём наводится ЭДС, так же как при движении магнита, силовые линии которого пересекают проводящий контур. Ток в контуре называется индуцированным.

В 1841 году Джеймс Джоуль (и независимо от него Эмиль Ленц) сформулировал количественную оценку теплового действия электрического тока называемого законом Джоуля — Ленца. Тепловое действие индуцированного тока породило поиски устройств бесконтактного нагрева металлов. Первые опыты по нагреву стали с использованием индукционного тока были сделаны Е. Колбе в США.

Первая успешно работающая канальная индукционная печь для плавки стали была построена в 1900 году на фирме «Benedicks Bultfabrik» в Швеции. В респектабельном журнале того времени «THE ENGINEER» 8 июля 1904 г. появилась знаменитая публикация, где шведский изобретатель инженер F. A. Kjellin рассказывает о своей разработке. Печь питалась от однофазного трансформатора.

Первая печь мощностью 78 кВт была запущена в эксплуатацию 18 марта 1900 года и оказалась весьма неэкономичной, поскольку производительность плавки составляла 270 кг стали в сутки. Следующая печь была изготовлена в ноябре того же года мощностью 58 кВт и ёмкостью 100 кг по стали. Печь показала высокую экономичность, производительность плавки составила от 600 до 700 кг стали в сутки. Однако износ футеровки от тепловых колебаний оказался на недопустимом уровне.

В мае 1902 года была введена в эксплуатацию значительно усовершенствованная печь ёмкостью 1800 кг, слив составлял 1000–1100 кг, остаток 700–800 кг, мощность 165 кВт, производительность плавки стали могла доходить до 4100 кг в сутки! Такой результат по потреблению энергии 970 кВт⋅ч/т впечатляет своей экономичностью, которая мало уступает современной производительности порядка 650 кВт⋅ч/т. По расчётам изобретателя из потребляемой мощности 165 кВт в потери уходило 87,5 кВт, полезная тепловая мощность составила 77,5 кВт, получен весьма высокий полный КПД, равный 47 %. Экономичность объясняется кольцевой конструкцией тигля, что позволило сделать многовитковый индуктор с малым током и высоким напряжением — 3000 В.

Своим изобретением инженер F. A. Kjellin положил начало развития промышленных канальных печей для плавки цветных металлов и стали в индустриальных странах Европы и в Америке. Переход от канальных печей 50–60 Гц к современным высокочастотным тигельным длился с 1900 по 1940 г [3].

По настоящее время используются генераторы высокой частоты с усовершенствованными схемами электрических цепей, а конкретно после 1940х годов был произведен переход от ламповых преобразователей к более современным полупроводниковым. Данный переход позволил повысить КПД установок, уменьшить габариты генераторов.

Применение генераторов ТВЧ

Необходимо отметить, что генераторы ТВЧ чаще всего применяются для следующих целей:

– Сверхчистая бесконтактная плавка, пайка и сварка металла.

– Получение опытных образцов сплавов.

– Гибка и термообработка деталей машин.

– Ювелирное дело.

– Обработка мелких деталей, которые могут повредиться при газопламенном или дуговом нагреве.

– Поверхностная закалка.

– Закалка и термообработка деталей сложной формы.

– Обеззараживание медицинского инструмента.

– Распыление геттера и прогрев (активация и тренировка) катода в процессе производства вакуумных электронных приборов.

Преимущества генераторов ТВЧ

Было определено, что основными преимуществами генераторов являются:

  • Высокоскоростной разогрев или плавление любого электропроводящего материала.

– Возможен нагрев в атмосфере защитного газа, в окислительной (или восстановительной) среде, в жидкости, в вакууме.

– Нагрев через стенки защитной камеры, изготовленной из стекла, цемента, пластмасс, дерева — эти материалы очень слабо поглощают электромагнитное излучение и остаются холодными при работе установки. Нагревается только электропроводящий материал — металл (в том числе расплавленный), углерод, проводящая керамика, электролиты, жидкие металлы и т. п., например, внутренности радиолампы можно прогревать для обезгаживания прямо через стеклянную колбу.

– За счёт возникающих МГД-усилий происходит интенсивное перемешивание жидкого металла, вплоть до удержания его в подвешенном состоянии в воздухе или защитном газе — так получают сверхчистые сплавы в небольших количествах (левитационная плавка, плавка в электромагнитном тигеле) [1].

– Поскольку, разогрев ведётся посредством электромагнитного излучения, отсутствует загрязнение заготовки продуктами горения факела в случае газопламенного нагрева или материалом электрода в случае дугового нагрева. Помещение образцов в атмосферу инертного газа и высокая скорость нагрева позволят ликвидировать окалинообразование.

– Нет загрязнения воздуха, так как отсутствуют продукты горения. Небольшие установки индукционного нагрева можно эксплуатировать в замкнутом и плохо проветриваемом помещении, не оборудованном специальными средствами вентиляции и вытяжками (гаражи, небольшие домашние мастерские, подвалы).

– Удобство эксплуатации за счёт небольшого размера индуктора.

– Индуктор можно изготовить особой формы — это позволит равномерно прогревать по всей поверхности детали сложной конфигурации, не приводя к их короблению или локальному не прогреву.

– Легко провести местный и избирательный нагрев.

– Так как наиболее интенсивно разогрев идет в тонких верхних слоях заготовки, а нижележащие слои прогреваются более медленно за счёт теплопроводности, метод является идеальным для проведения поверхностной закалки деталей (сердцевина детали при этом остаётся вязкой).

– Лёгкая автоматизация оборудования и конвейерных производственных линий. Простота управления циклами нагрева и охлаждения. Простая регулировка и удерживание температуры, стабилизация мощности, подача и съём заготовок.

Недостатки генераторов ТВЧ

В рамках настоящего исследования было установлено, что у существующих генераторов ТВЧ имеется ряд недостатков:

– Повышенная сложность оборудования, необходим квалифицированный персонал для проектирования установок, их настройки и ремонта.

– При плохом согласовании индуктора с заготовкой требуется большая мощность на нагрев, чем в случае применения для той же задачи ТЭН, электрических дуг и электронагревательных спиралей.

– Требуется мощный источник электроэнергии для питания установки индукционного нагрева, а также насос и бак с охлаждающей жидкостью для охлаждения индуктора, которые в полевых условиях могут отсутствовать. В этом случае применение, например, газовых горелок с портативными газовыми баллонами более оправдано.

– Несмотря на небольшие размеры индуктора, агрегат индукционного нагрева в целом достаточно громоздок и маломобилен и больше подходит для стационарной установки в помещении, чем для выездных работ.

Результаты проведенных исследований

Анализ развития индукционных нагревателей позволил определить принципиальные схемы различных индукционных генераторов и обратить внимание на отсутствие мобильных и недорогих их конструктивов. Поэтому целью дальнейших исследований было разработка мобильного и бюджетного индукционного генератора.

Достижение данной цели возможно при решении следующих задач:

  1. Исследование принципа действия нагрева токами высокой частоты.
  2. Анализ существующих схем работы генераторов ТВЧ
  3. Разработка конструкции мобильного и бюджетного индукционного генератора.

Литература:

  1. Бабат Г. И., Свенчанский А. Д. Электрические промышленные печи. — М.: Госэнергоиздат, 1948. — 332 с.
  2. Изюмов Н. М., Линде Д. П. Основы радиотехники. — М.: Госэнергоиздат, 1959. — 512 с.
  3. Установки индукционного нагрева/ Под ред. А. Е. Слухоцкого. — Л.: Машиностроение, 1981. — 330 с.
  4. Савельев И. В. Курс общей физики, том 2. Электричество. 1970
  5. Иванова Л. И., Гробова Л. С., Сокунов Б. А., Сарапулов С. Ф. Индукционные тигельные печи: Учебное пособие... — 2-е изд. — Екатеренбург: УГТУ — УПИ, 2002. — 87 с.
Можно быстро и просто опубликовать свою научную статью в журнале «Молодой Ученый». Сразу предоставляем препринт и справку о публикации.
Опубликовать статью
Молодой учёный №8 (194) февраль 2018 г.
Скачать часть журнала с этой статьей(стр. 17-19):
Часть 1 (стр. 1-131)
Расположение в файле:
стр. 1стр. 17-19стр. 131

Молодой учёный