Индукционный нагрев
Начальный период. Индукционный нагрев проводников основан на физическом явлении электромагнитной индукции, открытом М. Фарадеем в 1831 г. Теорию индукционного нагрева начали разрабатывать О. Хэвисайд (Англия, 1884), С. Ферранти, С. Томпсон, Ивинг. Их работы явились основой для создания техники индукционного нагрева. Так как при индукционном нагреве теплота выделяется в проводящем теле - слое, равном глубине проникновения электромагнитного поля, то появляются возможности точного управления температурой для обеспечения качественного нагрева при высокой производительности. Другим преимуществом является бесконтактность нагрева [34, 35].
Индукционные канальные печи с открытым каналом. Одна из первых известных конструкций индукционной канальной печи (ИКП) была предложена С. Ферранти (Италия) в 1887 г. Печь имела керамический канал, а плоские катушки индуктора были размещены над и под этим каналом. В 1890 г. Е. А. Колби (США) предложил конструкцию печи, у которой индуктор охватывает круговой канал снаружи.
В 1905 г. Рёхелинг-Роденхаузер (Германия) сконструировал многофазные канальные печи (с двумя и тремя индукторами), в которых каналы-
Первую промышленную печь со стальным сердечником и индуктором, размещенным внутри канала (рис. 5.4), создал в 1900 г. Кьеллин (Швеция). Мощность печи - 170 кВт, емкость - до 1800 кг, частота - 15 Гц. Питание от специального генератора пониженной частоты, что необходимо из-за низкого значения коэффициента мощности. К 1907 г. в эксплуатации находились 14 подобных печей.
В связи с рядом преимуществ печей с закрытым каналом развитие печей с открытым каналом приостановилось. Однако были продолжены попытки использования таких печей для плавки стали.
В 1930-х гг. в США для переплава скрапа нержавеющей стали использовалась однофазная ИКП емкостью 6 т с открытым каналом и питанием от генератора мощностью 800 кВт и частотой 8,57 Гц. Печь работала в дуплекс- процессе с дуговой печью. В 1940-1950-е гг. в Италии применялись ИКП с открытым каналом для плавки стали емкостью 4-12 т, изготовленные фирмой «Таглиаферри». В дальнейшем от использования таких печей отказались, так как они уступали по своим характеристикам дуговым и индукционным тигельным сталеплавильным печам.
Индукционные канальные печи с закрытым каналом. С 1916 г. стали разрабатываться вначале опытные, а затем промышленные ИКП с закрытым каналом. Серия ИКП с закрытым каналом разработана фирмой «Аякс - Уатт» (США). Это шахтные однофазные печи с вертикальным каналом для плавки медноцинковых сплавов мощностью 75 и 170 кВ-А и емкостью 300 и 600 кг. Они явились основой для разработок ряда фирм.
В те же годы во Франции были изготовлены шахтные печи с горизонтальной трехфазной индукционной единицей (мощностью 150, 225 и 320 кВт). В Англии фирма «Дженерал электрик лимитед» предложила модификацию печи с двумя каналами на индуктор при их несимметричном расположении, что вызывает циркуляцию расплава и снижение перегрева.
Печи Э. Русса (Германия) выпускались с двумя и тремя каналами на индуктор (вертикальное и горизонтальное исполнение). Э. Руссом также была предложена конструкция сдвоенной индукционной единицы (ИЕ), подключаемой к двум фазам.
В СССР в 1930-е гг. ИКП по типу печей фирмы «Аякс - Уатт» стали выпускаться на Московском электрозаводе. В 1950-е гг. ОКБ «Электропечь» разработало печи для плавки меди и ее сплавов емкостью 0,4-6,0 т, а затем и 16 т. В 1955 г. на заводе в г. Белая Калитва пущена ИКП для плавки алюминия емкостью 6 т.
В 1950-е гг. в США и Западной Европе ИКП стали широко применяться в качестве миксеров при плавке чугуна в дуплекс-процессе с вагранкой или дуговой электропечью. Для увеличения мощности и снижения перегрева металла в канале разрабатывались конструкции ИЕ с однонаправленным движением расплава (Норвегия). Тогда же были разработаны отъемные ИЕ. В 1970-е гг. фирма «Аякс магнетермик» разработала сдвоенные ИЕ, мощность которых в настоящее время достигает 2000 кВт. Подобные разработки в теже годы выполнены и во ВНИИЭТО. В разработках ИКП различных типов активно участвовали Н. В. Веселовский, Э. П. Леонова, М. Я. Столов и др.
В 1980-е гг. развитие ИКП в нашей стране и за рубежом было направлено на увеличение областей применения и расширение технологических возможностей, например применение ИКП для получения труб из цветных металлов методом вытягивания из расплава.
Индукционные тигельные печи. Так как индукционные тигельные пе-чи (ИТП) малой емкости могут эффективно работать только на частотах выше 50 Гц, то их создание сдерживалось из-за отсутствия соответствующих источников питания - преобразователей частоты. Тем не менее в 1905-1906 гг. ряд фирм и изобретателей предложили и запатентовали ИТП, к ним относятся фирма «Шнейдер - Крезо» (Франция), О. Цандер (Швеция), Герден (Англия). В это же время конструкцию ИТП разработал А. Н. Лодыгин (Россия).
Первую промышленную ИТП с искровым высокочастотным генератором разработал в 1916 г. Э. Ф. Нортруп (США). С 1920 г. эти печи стала выпускать фирма «Аякс электротермия»). В это же время ИТП с питанием от вращающегося искрового разрядника разрабатывает Ж. Рибо (Франция). Фирма «Метрополитен Виккерс» создала ИТП высокой и промышленной частоты. Вместо искровых генераторов использовались машинные преобразователи с частотой до 3000 Гц и мощностью 150 кВ •А.
В. П. Вологдин в 1930-1932 гг. создал промышленные ИТП емкостью 10 и 200 кг с питанием от машинного преобразователя частоты. В 1937 г. он же построил ИТП с питанием от лампового генератора. В 1936 г. А. В. Донской разработал универсальную индукционную печь с ламповым генератором мощностью 60 кВ •А.
В 1938 г. для питания ИТП (мощность - 300 кВт, частота - 1000 Гц) фирма «Броун Бовери» использовала инвертор на многоанодном ртутном вентиле. С 1960-х гг. стали использоваться тиристорные инверторы для питания индукционных установок. С увеличением емкости ИТП стало возможным эффективное применение питания током промышленной частоты.
В 1940-1960-х гг. ОКБ «Электропечь» разработало несколько типов ИТП: повышенной частоты для плавки алюминия емкостью 6 т (1959), чугуна емкостью 1 т (1966). В 1980 г. на заводе в г. Баку изготовлена печь емкостью 60 т для плавки чугуна (разработка ВНИИЭТО по лицензии фирмы «Броун Бовери»). Большой вклад в разработку ИТП во ВНИИЭТО внесли Э. П. Леонова, В. И. Кризенталь, А. А. Простяков и др.
В 1973 г. фирма «Аякс магнетермик» совместно с исследовательской лабораторией фирмы «Дженерал моторс» разработала и ввела в эксплуатацию горизонтальную тигельную печь непрерывного действия для плавки чугуна емкостью 12 т и мощностью 11 МВт.
Специальные виды индукционной плавки металлов стали развиваться начиная с 1950-х гг.: вакуумная в керамическом тигле; вакуумная в гарнисаже; вакуумная в холодном тигле; в электромагнитном тигле; во взвешенном состоянии; с использованием комбинированного нагрева.
Вакуумные индукционные печи (ВИП) до 1940 г. применялись только в лабораторных условиях. В 1950-х гг. некоторые фирмы, в частности «Хереус», стали разрабатывать промышленные ВИП, единичная емкость которых стала быстро возрастать: 1958 г. - 1-3 т, 1961 г. - 5 т, 1964 г. - 15-27 т, 1970 г. - 60 т.
В 1947 г. МосЗЭТО изготовил первую вакуумную печь емкостью 50 кг, а с 1949 г. начал серийное производство ВИП емкостью 100 кг. В середине 1980-х гг. производственное объединение «Сибэлектротерм» по разработкам ВНИИЭТО изготавливало модернизированные ВИП емкостью 160, 600 и 2500 кг для плавки специальных сталей.
Индукционная плавка химически активных сплавов в гарнисажных печах и печах с медным водоохлаждаемым (холодным) тиглем стала применяться в 1950-х гг. Печь с порошкообразным гарнисажем была разработана Н. П. Глухановым, Р. П. Жежериным и др. в 1954 г., а печь с монолитным гарнисажем - М. Г. Коганом в 1967 г.
Идея индукционной плавки в холодном тигле была предложена еще в 1926 г. в Германии фирмой «Сименс - Гальске», но применения не нашла. В 1958 г. в ИМЕТ совместно с ВНИИ токов высокой частоты им. В. П. Вологдина (ВНИИТВЧ) под руководством А. А. Фогеля проведены опыты по индукционной плавке титана в холодном тигле.
Стремление снизить загрязнение металла и тепловые потери в холодном тигле привели к использованию электромагнитных сил для отжатия металла от стенок, т. е. к созданию «электромагнитного тигля» (Л. Л. Тир, ВНИИЭТО, 1962).
Плавка металлов во взвешенном состоянии для получения особо чистых металлов была предложена в Германии (О. Мук) еще в 1923 г., но не получила распространения из-за отсутствия источников питания. В 1950-е гг. этот метод начал развиваться во многих странах. В СССР много работали в этом направлении сотрудники ВНИИТВЧ под руководством А. А. Фогеля.
Плавильные ИКП и ИТП комбинированного нагрева стали применяться с 1950-х гг. вначале с использованием мазутных и газовых горелок, например ИКП для переплава алюминиевой стружки (Италия) и ИТП для чугуна (Япония). Позднее получили распространение плазменно-индукционные тигельные печи, например разработанная ВНИИЭТО в 1985 г. серия опытнопромышленных печей емкостью 0,16-1,0 т.
Установки индукционной поверхностной закалки. Первые опыты по индукционной поверхностной закалке были проведены в 1925 г. В. П. Вологдиным по инициативе инженера Путиловского завода Н. М. Беляева. Опыты были признаны неудачными, так как в то время стремились к сквозной закалке. В 1930-х гг. В. П. Вологдин и Б. Я. Романов возобновили эти работы и в 1935 г. получили патенты на закалку с использованием токов высокой частоты. В 1936 г. В. П. Вологдин и А. А. Фогель получили патент на индуктор для закалки шестерен. Творческий коллектив во главе с В. П. Вологдиным разрабатывал все элементы закалочной установки: вращающийся преобразователь частоты, индукторы и трансформаторы.
С 1936 г. Г. И. Бабат и М. Г. Лозинский на заводе «Светлана» (Ленинград) исследовали процесс индукционной закалки с использованием высоких частот при питании от лампового генератора. С 1932 г. закалка током средней частоты стала внедряться фирмой ТОККО (США).
В Германии в 1939 г. Г. В. Зойлен осуществил поверхностную закалку коленчатых валов на заводах фирмы АЕБ. В 1943 г. К. Кегель предложил специальную форму индуктирующего провода для закалки зубчатого колеса.
Широкое применение поверхностной закалки началось с конца 1940-х гг. С 1947 по 1975 г. ВНИИТВЧ разработал свыше 300 закалочных устройств, в том числе введены в эксплуатацию автоматическая линия для закалки коленчатых валов и установка для закалки железнодорожных рельсов по всей длине (1965). В 1961 г. пущена первая установка для закалки шестерен из стали пониженной прокаливаемости на автозаводе им. И. А. Лихачева (ЗИЛ) (технология разработана К. З. Шепеляковским).
Одним из направлений развития индукционной термообработки в последние годы стали технологии закалки и отпуска труб нефтяного сортамента и газопроводных труб большого диаметра (820-1220 мм), строительных арматурных стержней, а также упрочнения железнодорожных рельсов.
Установки сквозного нагрева. Применение индукционного нагрева металлов для различных целей, кроме плавки, на первом этапе носило поисковый характер. В 1918 г. М. А. Бонч-Бруевич, а затем и В. П. Вологдин применили для нагрева анодов электронных ламп при их вакуумировании (дегазации) токи высокой частоты. В конце 1930-х гг. в лаборатории завода «Светлана» проводились опыты по использованию индукционного нагрева до температуры 800-900 °С при обработке стального вала диаметром 170 и длиной 800 мм на токарном станке. Использовался ламповый генератор мощностью 300 кВт и частотой 100-200 кГц.
С 1946 г. в СССР начались работы по использованию индукционного нагрева при обработке давлением. В 1949 г. введен в эксплуатацию первый кузнечный нагреватель на ЗИСе (ЗИЛе). Эксплуатация первой индукционной кузницы начата на Московском заводе малолитражных автомобилей (МЗМА, позднее АЗЛК) в 1952 г.
Интересная двухчастотная установка (60 и 540 Гц) для нагрева стальных заготовок (сечение - квадрат 160*160 мм) под обработку давлением была запущена в Канаде в 1956 г. Подобная установка была разработана в ВНИИТВЧ в 1959 г. Промышленная частота используется при этом для нагрева до точки Кюри.
Для прокатного производства в 1963 г. ВНИИТВЧ изготовил нагреватель слябов (габариты 2,5*0,38*1,2 м) мощностью 2000 кВт на частоту 50 Гц.
В 1969 г. на металлургическом заводе фирмы «Маклаут стил корп.» (США) применен индукционный нагрев стальных слябов массой около 30 т (габариты 7,9*0,3*1,5 м) с использованием шести технологических линий (18 индукторов промышленной частоты общей мощностью 210 МВт).
Индукторы имели специальную форму, обеспечивавшую равномерность нагрева сляба. Работы по применению индукционного нагрева в металлургии велись также во ВНИИЭТО (П. М. Чайкин, С. А. Яицков, А. Э. Эр- ман).
В конце 1980-х гг. в СССР индукционный нагрев использовался приблизительно в 60 кузнечных цехах (прежде всего на заводах автотракторной и оборонной промышленности) с общей мощностью индукционных нагревателей до 1 млн. кВт.
Низкотемпературный нагрев на промышленной частоте. В 19271930 гг. на одном из уральских оборонных заводов начались работы по индукционному нагреву на промышленной частоте (Н. М. Родигин). В 1939 г. там с успехом работали достаточно мощные индукционные нагревательные установки для термообработки изделий из легированной стали.
В ЦНИИТмаше (В. В. Александров) также проводились работы по применению промышленной частоты для термообработки, нагрева под посадку и т. д. Ряд работ по низкотемпературному нагреву выполнен под руко- вод-ством А. В. Донского. В НИИжелезобетона (НИИЖБ), Фрунзенском политехническом институте и других организациях в 1960-1970-х гг. проводились работы по термообработке железобетонных изделий с использованием индукционного нагрева на частоте 50 Гц. ВНИИЭТО также разработал ряд промышленных установок низкотемпературного нагрева для подобных целей. Разработки МЭИ (А. Б. Кувалдин) в области индукционного нагрева ферромагнитной стали в 1970-1980-е гг. были использованы в установках для подогрева деталей под наплавку, термообработки стали и железобетона, обогрева химических реакторов, пресс-форм и др.
Высокочастотная зонная плавка полупроводников. Метод зонной плавки был предложен в 1952 г. (В. Г. Пфанн, США). Работы по высокочастотной бестигельной зонной плавке в нашей стране начались в 1956 г., и во ВНИИТВЧ был получен монокристалл кремния диаметром 18 мм. Созданы различные модификации установок типа «Кристалл» с индуктором внутри вакуумной камеры (Ю. Э. Недзвецкий). В 1950-е гг. изготовление установок для вертикальной бестигельной зонной плавки кремния с индуктором снаружи вакуумной камеры (кварцевой трубы) осуществлялось на заводе «Плати- ноприбор» (Москва) совместно с Государственным институтом редких металлов (Гиредмет). Начало серийного производства установок «Кристалл» для выращивания монокристаллов кремния относится к 1962 г. (на Таганрогском ЗЭТО). Диаметр получаемых монокристаллов достиг 45 мм (1971), а позднее и свыше 100 мм (1985).
Высокочастотная плавка оксидов. В начале 1960-х гг. Ф. К. Монфорт (США) провел плавку оксидов в индукционной печи (выращивание монокристаллов ферритов при использовании токов высокой частоты - радиочастот). Тогда же А. Т. Чэпмен и Г. В. Кларк (США) предложили технологию переплавления поликристаллического оксидного блока в холодном тигле. В 1965 г. Ж. Рибо (Франция) получил расплавы оксидов урана, тория и циркония при использовании радиочастот. Плавка этих оксидов происходит при высоких температурах (1700-3250 °С), поэтому требуется большая мощность источника питания.
В СССР технология высокочастотной плавки оксидов разработана в Физическом институте АН СССР (А. М. Прохоров, В. В. Осико). Оборудование разрабатывали ВНИИТВЧ и Ленинградский электротехнический институт (ЛЭТИ) (Ю. Б. Петров, А. С. Васильев, В. И. Добровольская). Созданные ими установки «Кристалл» в 1990 г. имели общую мощность свыше 10 000 кВт, на них производились сотни тонн оксидов высокой степени чистоты в год.
Высокочастотный нагрев плазмы. Явление высокочастотного разряда в газе известно с 80-х гг. XIX в. В 1926-1927 гг. Дж. Дж. Томсон (Англия) показал, что безэлектродный разряд в газе создается индуцированными токами, а Дж. Таунсенд (Англия, 1928) объяснял разряд в газе действием электрического поля. Все эти исследования проводились при пониженных давлениях.
В 1940-1941 гг. Г. И. Бабат на заводе «Светлана» при дегазации электронных ламп с использованием высокочастотного нагрева наблюдал плазменный разряд, а затем впервые получил такой разряд при атмосферном давлении.
В 50-е гг. прошлого века в разных странах проводились работы по высокочастотной плазме (Т. Б. Рид, Ж. Рибо, Г. Баркхофф и др.). В СССР они велись с конца 1950-х гг. в Ленинградском политехническом институте (А. В. Донской, С. В. Дресвин), МЭИ (М. Я. Смелянский, С. В. Кононов), ВНИТВЧ (И. П. Дашкевич) и др. Исследовались разряды в различных газах, конструкции плазмотронов и технологии с их использованием. Были созданы высокочастотные плазмотроны с кварцевой и с металлической (для мощностей до 100 кВт) водоохлаждаемой (1963) камерами.
В 1980-х гг. высокочастотные плазмотроны мощностью до 1000 кВт на частоты 60 кГц - 60 МГц применялись для получения особо чистого кварцевого стекла, пигментного диоксида титана, новых материалов (например, нитридов и карбидов), особо чистых ультрадисперсных порошков и разложения отравляющих веществ.
