2

79

4. INSTALAII DE NCLZIRE PRIN INDUCIE ELECTROMAGNETIC

nclzirea prin inducie electromagnetic este unul dintre procedeele de baz ale electrotermiei. n comparaie cu alte metode de nclzire, nclzirea prin inducie prezint urmtoarele avantaje:

cldura se dezvolt n metalul ce urmeaz a fi nclzit, cu o densitate mare de putere (>1000 kW/m2), rezultnd o vitez de nclzire mai ridicat (>1000 K/s) fa de cea obinut n cuptoarele cu nclzire indirect;

construcia instalaiilor de nclzire este mai simpl, permind utilizarea vidului sau a atmosferelor de protecie;

se obin metale sau aliaje foarte pure, arja fiind ferit de aciunea chimic a electrozilor cuptoarelor cu arc, sau combustibilul de la cuptoarele cu flacr, iar topirea este posibil n vid sau atmosfere controlate; funcionarea instalaiilor se poate automatiza complet, reglajul automat al puterii este uor de realizat, n condiiile produciei n flux continuu;

zgomotul de funcionare are valori mici, sub (70 - 80 dB);

poluarea mediului ambiant este foarte redus, cantitatea prafului fiind de ordinul 0,5 kg/t fa de cuptoarele cu arc, unde cantitatea prafului este 5-8 kg/t;

condiiile de lucru sunt mult mbuntite.Ca dezavantaj, se menioneaz faptul c multe dintre aplicaiile nclzirii prin inducie necesit surse de alimentare la o frecven diferit de 50 Hz. Un alt dezavantaj este legat de poluarea armonic pe care o introduce n reeaua de alimentare funcionarea echipamentelor de nclzire prin inducie. Pentru atenuarea acestor perturbaii sunt necesare filtre de reea. Sursele de alimentare de medie frecven i de nalt frecven, condensatoarele i filtrele de reea ridic apreciabil costul instalaiei.nclzirea prin inducie este utilizat pentru:

topirea, meninerea n stare cald i supranclzirea metalelor (oel, font, cupru, aluminiu, zinc, magneziu i aliajele lor) n cuptoare de creuzet sau canal;

nclzirea n profunzime a semifabricatelor din oel, cupru, aluminiu .a., sub form de blocuri, boluri, bare, table, srme .a., ce urmeaz a fi prelucrate la cald prin forjare, matriare, presare, laminare, etc;

tratamentul termic la suprafa (superficial) al pieselor din oel sau font, utilizate n construcia de maini; aplicaii speciale - lipirea, sudarea, detensionarea sudurilor, agitarea metalelor topite, transportul i dozarea metalelor topite, topirea fr creuzet.

Cuptoarele i instalaiile de nclzire prin inducie pot fi alimentate la frecven industrial (50 Hz), medie (100-10000 Hz) sau nalt (10 kHz - 10 MHz). Frecvenele joase (sub 50 Hz) sunt utilizate pentru alimentarea agitatoarelor i a transportoarelor inductive.

Frecvenele medii au ntrebuinare la alimentarea cuptoarelor cu creuzet n special, pentru nclzire n profunzime, iar cele nalte - pentru tratamente termice superficiale i lipire.4.1. Principiul nclzirii prin inducie electromagnetic

Orice corp conductor (de electricitate) se nclzete prin efect Joule atunci cnd este parcurs de curent electric. n cazul nclzirii prin inducie electromagnetic, materialul conductor se amplaseaz ntr-un cmp magnetic variabil n timp, creat de o bobin parcurs de curent electric alternativ.

Introducnd un corp din material conductor n interiorul bobinei parcurse de curent alternativ, fluxul magnetic variabil ce traverseaz materialul induce tensiuni electromotoare (t.e.m.), ce determin apariia unor cureni turbionari. Dac obiectul de nclzit este constituit dintr-un material cu proprieti magnetice, la puterea disipat prin inducie electromagnetic se adaug i efectul termic determinat de fenomenul de histerezis. Aportul nclzirii prin histerezis este cu att mai mare cu ct aria ciclului histerezis este mai mare. Puterea disipat prin histerezis este n general mult mai mic dect cea disipat prin cureni turbionari indui (mai puin de 10% n majoritatea cazurilor), i nu intervine dect la temperaturi inferioare celei corespunztoare punctului Curie (la care permeabilitatea magnetic relativ a materialului devine egal cu 1).

nclzirea prin inducie electromagnetic a unui corp implic trei fenomene fizice succesive:

transferul de energie electromagnetic de la bobin la corpul de nclzit;

producerea de cldur n material prin efect Joule;

transferul de cldur, prin conducie termic, n ntreaga mas a corpului.

n general, la transferul termic ntre o surs de cldur i un corp, trebuie ca sursa de cldur s aib o temperatur mai ridicat dect a corpului. n cazul nclzirii prin inducie electromagnetic se produce cldur cu ajutorul unei nfurri care rmne relativ rece n raport cu corpul de nclzit, acesta putnd fi adus la temperaturi ridicate. Cldura este dezvoltat n piesa nsi, nefiind necesar un agent material de transfer, ori contact de transfer.

La nclzirea prin inducie electromagnetic, bobina care creeaz cmpul magnetic variabil n timp se numete inductor, iar corpul conductor din punct de vedere electric, care se nclzete n interiorul bobinei (sau ncrctura cuptorului), se numete indus.4.2. Ptrunderea cmpului electromagnetic variabil n timp n semispaiul conductorSe consider un bloc de material conductor, limitat spre stnga de o suprafa plan i care se extinde spre dreapta la infinit (materialul conductor ocup ntreg semispaiul - fig. 4.2).

Fig. 4.2. Semispaiu conductor infinit, excitat pe suprafaa de delimitare de un cmp electromagnetic.Semispaiul conductor infinit (blocul de material conductor) este un mediu material omogen, liniar, izotrop i lipsit de sarcini electrice punctuale. Materialul conductor se caracterizeaz prin permeabilitatea magnetic relativ () i conductivitatea electric . Pentru aer permeabilitatea magnetic este H/m ( ), iar conductivitatea electric este .Cmpul electromagnetic este caracterizat de intensitatea cmpului magnetic i intensitatea cmpului electric .

, [VA/m2], este vectorul densitii fluxului de energie, sau vectorul lui Poynting, care evideniaz puterea electromagnetic care se transfer prin unitatea de suprafa, perpendicular pe direcia de propagare a cmpului electromagnetic. La suprafaa semispaiului conductor, amplitudinea intensitii cmpului magnetic (tangenial) este:

(4.1)

Datorit extinderii infinite dup axa x a materialului conductor i a omogenitii materialului, toate mrimile de stare ale cmpului se consider numai funcii de timp i de coordonata x. Deci, n materialul conductor se poate scrie:

.

(4.2)Energia electromagnetic generat de inductor se propag sub form de und. Ecuaia undei electromagnetice se stabilete n funcie de ecuaiile fundamentale ale cmpului electromagnetic (ecuaiile lui Maxwell), avnd n vedere c n metale curentul de deplasare este neglijabil fa de cel de conducie:

(4.3)

n relaiile anterioare: B este inducia magnetic, [T]; ( este permeabilitatea magnetic a conductorului, [H/m]; este conductivitatea electric a materialului conductor, [m]-1; este rezistivitatea electric a acestuia, [m].

Cu ajutorul formulelor analizei vectoriale aplicate relaiilor (4.3) rezult:

,

(4.4)

n care este operatorul Laplacian.

Din relaia (4.4) se obine ecuaia satisfcut de cmpul magnetic n interiorul conductorului:

.

(4.5)

n regim permanent sinusoidal, utiliznd reprezentarea n complex simplificat, ecuaia anterioar devine:

,

(4.6)

cu soluia:

.

(4.7)Adncimea de ptrundere este o mrime caracteristic ptrunderii energiei electromagnetice n conductoarele masive i reprezint distana de la suprafaa corpului, n care (datorit efectului pelicular) densitatea de curent scade de e =2,71 ori, iar puterea activ de ori (fig. 4.4).Relaia de calcul a adncimii de ptrundere este:

, [m]

(4.8)

unde: ( = 2((f - este pulsaia, [rad/s];

- este permeabilitatea magnetic absolut a materialului, [H/m];

(r - este permeabilitatea magnetic relativ a materialului.

Rezistivitatea metalelor crete cu temperatura de nclzire. Din punct de vedere al permeabilitii magnetice relative, metalele se mpart n:

neferomagnetice, avnd = l (oelul astenic, aluminiul, cuprul, etc.);

feromagnetice, avnd = (100 10000), n funcie de intensitatea cmpului magnetic (fig. 4.3).n cazul materialelor feromagnetice, la temperatura Curie (768C pentru fier i oeluri moi; (600950)C pentru oeluri aliate; 721C pentru oel cu 0,83%C), permeabilitatea magnetic relativ scade la valoarea (r = l.

Fig. 4.3. Variaia permeabilitii magnetice relative ((r ) n funcie de temperatura de nclzire (() a corpurilor din oel; parametru este intensitatea cmpului magnetic H[A/m].

Dup cum reiese din relaia (4.8), adncimea de ptrundere depinde de frecven, de proprietile fizice ale materialului i de temperatura corpului nclzit.

Cuptoarele de topire sau instalaiile de nclzire n profunzime sunt alimentate cu frecvene sczute, deoarece necesit o valoare ridicat pentru adncimea de ptrundere. Spre deosebire de acestea, instalaiile destinate tratamentelor termice superficiale sunt alimentate la frecvene mai ridicate.

innd cont de expresia adncimii de ptrundere, relaia (4.7), care exprim intensitatea cmpului magnetic n conductor, devine:

.

(4.9)

Intensitatea cmpului electric n conductor va fi:

,

(4.10)

unde .

Expresia n complex simplificat a puterii aparente absorbit de unitatea de suprafa este:

, (4.11)unde: - este expresia conjugat (n complex simplificat) a lui ;

H0 - este valoarea efectiv a intensitii cmpului magnetic la suprafaa semispaiului conductor.

Relaia anterioar se mai poate scrie sub forma:

, [VA/m2]

(4.12)

unde: P - reprezint puterea activ disipat prin efect Joule pe unitatea de suprafa a conductorului, [W/m2];

Q - este puterea reactiv pe unitatea de suprafa, [VAr/m2].Pentru x = 0 (la suprafaa semispaiului conductor) se obine:

, [VA/m2]

(4.13)

, [W/m2]

(4.14)

, [VAr/m2]

(4.15)

n aceste condiii se poate scrie:

,

(4.16)

.

(4.17)

Fig. 4.4. Variaia densitii relative de curent J/J0 i a puterii active P/P0 n funcie de raportul x/(.

Dac se obine:

.

(4.18)

Deoarece , rezult c n stratul de grosime se dezvolt puterea:

.

(4.19)

Deci, stratul de interes electrotermic este , deoarece aproximativ 86,5% din puterea activ de la suprafa se transform n cldur la nivelul acestui strat.

Pe baza relaiilor (4.14), (4.15) se poate determina factorul de putere maxim la nclzirea prin inducie:

.

(4.20)

4.3. Efectul pelicular i efectul de proximitate n sistemul inductor - indus (indusul este reprezentat de piesa care trebuie nclzit, sau de arja cuptorului), curenii turbionari sunt refulai spre exteriorul conductoarelor (efectul pelicular) i suport influena curenilor din conductoarele nvecinate (efectul de proximitate).

4.3.1. Efectul pelicular

Efectul pelicular (sau efectul skin) apare la conductoarele masive parcurse de curent alternativ. Acest efect se manifest prin repartiia neuniform a curentului electric n seciunea transversal a conductorului. Datorit fenomenului de inducie electromagnetic, asociat cu reacia curenilor indui, curentul are tendina de a se repartiza cu o densitate mai mare n zonele periferice ale conductoarelor. (1)

(2)Fig. 4.5. Efectul pelicular: 1 - n conductorul plat, cu seciune dreptunghiular ((