При электромагнитной обработке алюминия широко применяются многослойные индукторы, работающие на промышленной частоте. Одним их путей повышения энергоэффективности индукционного нагрева является разработка новых конструкций индукторов с высокими энергетическими показателями.
Вопросы повышения КПД индукционных печей стимулировал проведение теоретических и технологических работ по энергосбережению.
В результате теоретических и экспериментальных исследований были разработаны многослойные индукторы с повышенным электрическим КПД, были решены проблемы переноса мощности и несимметрии питания от трехфазной сети. В настоящее время передовые зарубежные компании INDUCTOHEAT BANYARD (UK), JUNKER (Germany), AJAX-TOCCO MAGNETHERMIC (USA) и другие выпускают эффективные 5-7 слойные медные индукторы галетного исполнения.
Разработанная теория многослойных обмоток позволила использовать относительно простые аналитические методы для их расчёта и оптимизации и создавать новые конструкции многослойных индукторов [1], [2], [4].
Можно отметить два пути дальнейшего повышения эффективности индукционных нагревателей:
— использование нетрадиционных методов индукционного нагрева;
— усовершенствование нагревателей с использованием новых материалов и технологий и их оптимизация с помощью компьютерного моделирования.
Примером переоценки новых методов может служить разработка установок для нагрева алюминиевых и медных слитков путём их вращения в сильном поле сверхпроводящих магнитов [5], которые пока не дали ожидаемых результатов.
Другой из вариантов по усовершенствованию индукционных установок был предложен в работе, выполненной в МЭИ [3]. Хорошо известно, что электрическое сопротивление металлов уменьшается с температурой. Это особенно сильно выражено у алюминия, у которого в области температуры жидкого азота наблюдается резкое снижение электрического сопротивления. Эксперименты подтвердили возможность получения высокого КПД нагревателя. Однако практического применения метод не получил из-за сложности создания надежной оболочки индуктора и высокой стоимости оборудования.
Несмотря на перспективность новых разработок, основными типами установок для нагрева алюминиевых слитков еще значительно время останутся традиционные индукционные нагреватели с высококачественными многослойными обмотками с внутренним и контактным охлаждением витков рисунок 1.
Рисунок 1. Эскиз многослойного индуктора, токопровод которого выполнен из трубки с толщиной стенки 2 мм, с деталью
Чтобы сравнить энергетические показатели были проведены расчеты многослойных индукторов для нагрева цилиндра из алюминия длиной 1м и диаметром 0,3 м. Длина индуктора составляет 1 м. Между загрузкой и внутренним слоем индуктора зазор 0,02 м. Результаты расчетов представлены на рисунке 2.
Рисунок 2. Зависимость КПД от числа слоёв
при оптимальных толщинах
- многослойные индукторы из токопроводов с оптимальной толщиной имеют КПД, заметно превышающий КПД однослойного индуктора;
- чем больше число слоев, тем выше электрический КПД индуктора;
- изготовить трубки из меди с оптимальной толщиной для 6- и 7-слойных индукторов невозможно;
- КПД 6- и 7-слойных индукторов из медной трубки с толщиной 0,8 см снижается по сравнению с 5-слойным индуктором;
- КПД семислойного индуктора из алюминиевого провода с толщиной 0,8 см практически тот же, что и 5-слойного из медной трубки (разница 1,5 %).
Последний вывод позволяет сделать заключение, что при определенных условиях можно изготавливать индукторы из алюминиевых токопроводов с электрическим КПД не хуже, чем у индукторов из медной трубки. Тем самым появляется возможность снизить себестоимость индукторов.
Использование аддитивной технологии (инновационная технология, активно разрабатываемая во всех высокоразвитых странах), позволит изготавливать индукторы из алюминиевых токопроводов. Особенность производства указанным методом заключается в том, что данная технология не требует предварительного трудоемкого процесса технологической подготовки производства. Возможно создание алюминиевого токопровода с внутренней камерой охлаждения непосредственно из системы автоматизированного проектирования в течение короткого времени, без дополнительной механической обработки на станках.
Технология аддитивного производства с использованием лазера (селективное лазерное плавление) обеспечит изготовление алюминиевого токопровода с высокой точностью в полном соответствии с техническими требованиями к изделию и механическими свойствами.
Список литературы:
- Демидович В.Б., Немков В. С., Полеводов Б. С. Электротепловая модель индукционного нагревателя немагнитных цилиндрических слитков // Изв. ЛЭТИ, 1976. Вып. 203. C. 7–14.
- Немков В. С., Демидович В. Б. Теория и расчет устройств индукционного нагрева. Л.: Энергоатомиздат, 1988. 280с.
- Cоколов М. М. , Кувалдин А. Б. Работы по созданию индукционных криорезистивных ЭТУ // Тезисы стендовых докладов V111 Всесоюзного научно-технического совещания по электротермии и электротермическому оборудованию: Сб. статей.- Чебоксары, 1985. -с. 43.
- Энергоэффективные индукционные нагреватели слитков из легких сплавов. Демидович В.Б., Растворова И.И., Чмиленко Ф.В., Григорьев Е.А., Немков В.С. Известия академии наук Энергетика №5 2013 г. С.11-22.
- Forzan, F.Dugiero «Optimal design of a permanent magnet heater for Aluminum billets» 2014 Flux Conference – Munich, Germany – 15-16 October, 2014[schema type=»book» name=»ПУТИ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ ПРИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБРАБОТКЕ АЛЮМИНИЯ» description=»Рассмотрены пути снижения энергозатрат при нагреве алюминиеых заготовок. Предложено использование алюминиевого токопровода и возможность его создания с помощью аддитивных технологий. » author=»Растворова Ирина Ивановна, Шелковникова Юлия Васильевна, Краснорудский Вадим Андреевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-01-18″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_28.11.15_11(20)» ebook=»yes» ]