Электрооборудование цехов ОМД. Электрооборудование электронагревательных установок

№ 1139

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Кафедра электротехники и микропроцессорной
электроники

В.Е. Фединцев
В.А. Трусов

Электрооборудование
цехов ОМД

Электрооборудование
электронагревательных установок

Учебное пособие

Допущено учебнометодическим объединением
по образованию в области металлургии в качестве
учебного пособия для студентов высших учебных
заведений, обучающихся по специальностям
Обработка металлов давлением и Металлургические
машины и оборудование

Москва   Издательский Дом МИСиС
2008

УДК 621.3:621.77 
 
Ф32 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, проф. С.А. Иванов 

Фединцев В.Е., Трусов В.А. 
Ф32  
Электрооборудование цехов ОМД. Электрооборудование 
электронагревательных установок: Учеб. пособие. – М.: Изд. 
Дом МИСиС, 2008. – 64 с. 

Рассмотрены способы и установки электронагрева металлов, а также физические основы различных способов нагрева и методики расчета установок 
электронагрева металлов. Основные теоретические положения и инженерные 
методики для лучшего усвоения иллюстрируются примерами. Приведено типовое электрооборудование электронагревательных установок и систем регулирования температуры металла. Пособие содержит технические характеристики индукционных установок и преобразователей частоты. 
Содержание пособия соответствует программе курса «Электрооборудование цехов ОМД». 
Предназначено для студентов, обучающихся по специальностям 150106 
«Обработка металлов давлением» и 150404 «Металлургические машины и 
оборудование». 

© Государственный технологический  
университет «Московский институт 
стали и сплавов» (МИСиС), 2008 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение....................................................................................................4 
1. Индукционные нагревательные установки........................................5 
1.1. Основные элементы установки и способы нагрева....................5 
1.2. Физические основы индукционного нагрева металла ...............6 
1.3. Поверхностный эффект. Активное сопротивление....................7 
1.4. Эффект близости............................................................................8 
1.5. Изменение свойств стали в процессе нагрева.............................9 
1.6. Расчет индуктора для сквозного нагрева сплошных 
цилиндрических заготовок ................................................................10 
1.7. Расчет индуктора для нагрева заготовок прямоугольной 
формы ..................................................................................................20 
1.8. Электрооборудование индукционных установок.....................22 
2. Печи сопротивления...........................................................................27 
2.1. Общие сведения о печах сопротивления...................................27 
2.2. Электрооборудование печей сопротивления............................28 
3. Установки электроконтактного нагрева...........................................31 
3.1. Основные особенности  электроконтактного нагрева .............31 
3.2. Схема замещения электрической цепи установки 
электроконтактного нагрева..............................................................33 
3.3. Расчет параметров  электроконтактного нагрева .....................34 
3.4. Расчет параметров установки  при нагреве переменным  
током....................................................................................................40 
3.5. Установки непрерывного нагрева..............................................43 
3.6. Пример расчета параметров установки непрерывного 
электроконтактного нагрева  на постоянном токе ..........................47 
3.7. Электрооборудование установки электроконтактного  
нагрева .................................................................................................50 
Библиографический список...................................................................51 
Приложения ............................................................................................52 
 

ВВЕДЕНИЕ 

В цехах по производству прутков, профилей и труб широко используется электронагрев заготовок. Применение этого способа нагрева объясняется его существенными достоинствами: 
– большой скоростью нагрева металла; 
– экономией металла за счет уменьшения безвозвратных потерь в 
виде слоя окалины; 
– повышением качества продукции за счет равномерности нагрева 
и точного контроля температурного режима при электронагреве, что 
позволяет обеспечить более однородную структуру и улучшить механические свойства металла; 
– минимальным загрязнением окружающей среды и улучшением 
условий труда; 
– удобством автоматизации электронагревательных установок с 
применением микропроцессоров и ЭВМ. 
Основными недостатками электронагрева металла являются значительные затраты на электроэнергию и большие капитальные затраты на сооружение высокочастотных установок. 
Применяемые в металлургии установки для электронагрева металла можно разделить на три группы: индукционные нагревательные установки, печи сопротивления и установки электроконтактного 
нагрева. 

1. ИНДУКЦИОННЫЕ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ 
УСТАНОВКИ 

1.1. Основные элементы установки 
и способы нагрева 

Установка индукционного нагрева металла состоит обычно из 
трех основных элементов: 
1) индуктора, представляющего собой проводник в виде определенной формы или провода какой-либо формы в зависимости от типа 
нагреваемого объекта; 
2) трансформатора или статического (машинного) преобразователя высокой частоты с измерительными приборами; 
3) конденсаторной батареи, компенсирующей низкий коэффициент мощности индуктора. 
Метод индукционного нагрева основан на использовании следующих законов и явлений: закон электромагнитной индукции, поверхностного эффекта, эффекта близости и эффекта изменения 
свойств стали в процессе нагрева.  
При использовании этого метода нагреваемая заготовка помещается внутрь индуктора. Переменное магнитное поле индуктора наводит вихревые токи в нагреваемом изделии, в результате чего оно нагревается. Существуют два основных способа нагрева: а) способ одновременного нагрева, б) способ непрерывно-последовательного нагрева. 
При одновременном нагреве индуктор охватывает всю поверхность изделия, причем нагрев во всех точках происходит одновременно. Температура поверхности и ее распределение по глубине зависят от времени нагрева tк и энергии, переданной в деталь за это 
время. Устройства для сквозного нагрева, работающие таким образом, обычно называют нагревателями периодического действия. 
При втором способе нагрева узкий индуктор передвигается вдоль 
нагреваемой детали. Глубина нагрева и температура поверхности 
определяются скоростью движения индуктора, его шириной и мощностью, передаваемой в нагреваемую деталь. 
В тепловых расчетах можно пользоваться понятием времени нагрева, так как любой элемент поверхности находится в индукторе 
определенное время: 

 
tк = a / v, 

где tк – время нагрева элемента поверхности, с; 
a – ширина индуктирующего провода, м; 
v – скорость движения индуктора и детали друг относительно 
друга, м/c. 

Способ непрерывно-последовательного нагрева широко применяется для сквозного нагрева мерных заготовок, штанг и труб. 
Короткие кузнечные заготовки или подобные детали подаются в 
длинный индуктор толкателем через короткие промежутки времени to, 
которые называются темпом подачи. Такой способ является разновидностью непрерывно-последовательного нагрева. Устройства, работающие 
таким образом, называются нагревателями методического действия.  

1.2. Физические основы индукционного 
нагрева металла 

В индукционных печах используется принцип бесконтактной передачи электроэнергии к нагреваемому металлу с помощью электромагнитного поля, которое создается индуктором И (рис. 1.1). Индуктор можно рассматривать как идеализированную катушку с ферромагнитным сердечником, роль которого выполняет нагреваемая 
заготовка, располагающаяся внутри индуктора. При синусоидальном напряжении питания 
активное сопротивление индуктора очень мало и им можно пренебречь, а также не учитывать магнитный поток рассеяния. В этом случае величину магнитного потока Ф, создаваемого индуктором, можно представить выражением 

 
Ф ≈ U/(4,44fw), 
(1.1) 

где U – напряжение на индукторе, В; 
f – частота напряжения, Гц; 
w – число витков индуктора. 

Нагреваемая заготовка находится внутри индуктора. Переменный 
магнитный поток индуктирует в металле переменную э.д.с. Ем: 

 
Ем = 4,44fwмФ, 
(1.2) 

где wм – число последовательно соединенных витков, образующих 
контур нагреваемого металла, обычно принимают wм = 1. 

Рис. 1.1. Схема 
индуктора 

И 

~U 

Под действием этой э.д.с. в металле создается вихревой ток Iм: 

 
м
м
2
2
м
м

E
I

R
X

=
+
, 
(1.3)  

где Rм, Хм – активное и индуктивное сопротивления металла, Ом. 

Вихревые токи вызывают непосредственный нагрев металла, чем 
обеспечивается сравнительно экономичный расход электроэнергии и 
высокая скорость нагрева. 
Мощность, расходуемая на нагрев металла, определяется по формуле 

 
Р = ЕмIмcosϕ = 4,44fwмФIмcosϕ. 
(1.4) 

Из (1.4) видно, что мощность при прочих равных условиях пропорциональна частоте. Поэтому при повышении частоты увеличивается энергия, выделяющаяся в том же самом объеме. Этим и объясняются малые размеры и вес высокочастотных трансформаторов, а 
также применение более высоких частот при нагреве малых деталей. 

1.3. Поверхностный эффект. 
Активное сопротивление 

Индуктированный в металле ток распределяется по его сечению 
неравномерно. Максимальная плотность будет на поверхности, а к 
центру она убывает вследствие явления поверхностного эффекта.  
Рассмотрим проводник, по которому протекает синусоидальный 
ток. На рис. 1.2 сплошными линиями изображен проводник с током, 
направление которого от нас. Пунктирными 
линиями показаны силовые линии магнитного 
поля, сцепленного с проводником. При этом 
области сечения проводника, расположенные 
ближе к поверхности, пересекаются меньшим 
числом линий в единицу времени, чем области, расположенные ближе к центру. В результате э.д.с. самоиндукции оказывается больше в 
центре проводника. Это приводит к уменьшению плотности тока в центральной части проводника, что эквивалентно увеличению сопротивления за счет уменьшения сечения проводника. На больших частотах неравномерность распределения тока 
по сечению проводника проявляется очень резко и ток в центре практически равен нулю, т.е. ток протекает только в поверхностном слое. 

Рис. 1.2. Магнитные 
силовые линии 
внутри и вокруг 
проводника 

Это явление называется поверхностным эффектом. Постоянный ток 
протекает равномерно по всему сечению. 
Количественно поверхностный эффект характеризуется коэффициентом ξ: 

 
а

o

R
R
ξ =
 , 

где Rо , Rа – сопротивление проводника постоянному и переменному току. 

Сопротивление проводника Rа переменному току принято называть активным. 
Глубина проникновения тока зависит от частоты (табл. 1.1). 

Таблица 1.1 

Глубина проникновения тока в медь при 15 °С 

Частота f, Гц 
50 
500 
2500 
10 000 
105 
106 

Глубина Δ, см 
1,0 
0,3 
0,13 
0,07 
0,022 
0,007 

Фактически же на глубине Δ плотность тока в 2,7 раза меньше 
плотности тока на поверхности, а протекающий в этом слое ток составляет 63,2 % полного тока проводника. В поверхностном слое Δ 
выделяется 86,5 % всей тепловой энергии. 

1.4. Эффект близости 

На рис. 1.3 показаны приблизительные картины расположения 
силовых линий магнитных полей двух проводников прямоугольного 
сечения для случаев одинаково (разность фаз равна нулю) и встречно 
направленных токов. 
Из рис. 1.3 видно, что наибольшая плотность магнитных силовых 
линий в случае с одинаковонаправленными токами наблюдается у 
внешних поверхностей проводников, а в случае с встречно направленными токами – у внутренних поверхностей. Распределение тока по 
глубине подчиняется рассмотренным выше закономерностям поверхностного эффекта. Сам эффект близости представляет собой разновидность поверхностного эффекта и состоит в концентрации тока в определенных зонах поверхности проводников в результате суммарного взаимодействия электромагнитных полей всех проводников. 

а 
б 

Рис. 1.3. Магнитное поле и распределение тока при эффекте близости: 
а − одинаково направленные токи; б − встречно направленные токи 

Использование эффекта близости позволяет концентрировать нагрев в определенных частях поверхности обрабатываемой детали путем подбора соответствующей формы индуктора. 

1.5. Изменение свойств стали 
в процессе нагрева  

При нагреве стали изменяются ее удельное сопротивление и магнитная проницаемость, причем удельное сопротивление возрастает 
вплоть до точки магнитных превращений, после чего его рост замедляется. При температуре выше 800 °С удельные сопротивления сталей различных марок почти одинаковы. В среднем можно принять, 
что удельное сопротивление ρк в интервале температур 800…900 °С 
приблизительно равно 10–6 Ом⋅м. Удельное сопротивление стали с 
содержанием углерода 0,4…0,5 % в интервале температур от 15 °С 
до 800 °С возрастает примерно в 5 раз. 
Магнитная проницаемость слабо зависит от температуры примерно до 650…700 °С, после чего быстро уменьшается до величины, 
примерно равной магнитной проницаемости вакуума. Поэтому глубина проникновения тока в сталь возрастает при нагреве в 8–10 раз. 
Глубину проникновения тока Δк (м) в сталь, нагретую выше 700 °С, 
можно определить по формуле (ρк = 10–6 Ом⋅м, магнитная проницаемость μк = 1): 

 
к

0,5

f

Δ ≈
. 

Индекс “к“ указывает, что значение соответствующих величин 
относится к температуре выше точки магнитных превращений. 

1.6. Расчет индуктора для сквозного нагрева 
сплошных цилиндрических заготовок 

При сквозном нагреве под пластическую деформацию все сечение 
должно быть прогрето до температуры 900…1250 °С, в связи с чем в 
конечной стадии нагрева весь металл становится немагнитным. 
По условиям равномерности и быстроты нагрева частоту приходится выбирать таким образом, чтобы глубина проникновения тока 
Δк в нагретую выше 700 °С заготовку была сравнительно близка к 
радиусу нагреваемого цилиндра. 
Рассмотрим случай индукционного нагрева заготовки цилиндрической формы в цилиндрическом индукторе бесконечной длины (l → ∞). 
Тогда магнитное поле в зазоре между индуктором и цилиндром будет равномерным, а вне индуктора отсутствовать.  
Конструктивные параметры индуктора представлены на рис. 1.4.  

 

   d1 

D2 

D1 

l 

 

Рис. 1.4. Индуктор для нагрева заготовки цилиндрической формы 

Принимается, что диаметр заготовки D2 > 6Δ2, а толщина стенки 
трубки, из которой выполнен индуктор, d1 > 3Δ2, где Δ2 – глубина 
проникновения тока в материал заготовки. 
Напряжение на зажимах индуктора складывается из суммы векторов напряжений на активном, индуктивном сопротивлениях и сопротивлении рассеяния: 

1
2
и
1
2
2
(
(
)),
r
s
m
s
m
U
U
U
U
I
r
r
j x
x
′
′
=
+
+
=
+
+
+
где r1 
– активное сопротивление провода индуктора; 

2
2
,
m
r
x
′
′  – активное и индуктивное сопротивления нагреваемой детали, приведенные к току индуктора; 
хs 
– реактивное сопротивление рассеяния индуктора; 
j 
− мнимая единица. 

Коэффициент полезного действия индуктора определяется как отношение мощности Р2, переданной в нагреваемый цилиндр, к мощности Р1, потребляемой индуктором из сети: 

 
2
2
и

1
2
1
1
2

1

1
/

Р
Р

Р
Р
Р
r r
η =
=
=
′
+ Δ
+
 , 

где ΔР1 – потери мощности в индукторе.  

Сопротивления r1 и 
2r′ зависят от удельного сопротивления и геометрических размеров заготовки и индуктора. Заменив r1 и 
2r′ на конструктивные параметры индуктора и учитывая, что индуктор выполняется 
из меди (магнитная проницаемость меди μ1 = 1), получим: 

 
и

1
1

2
2

1

1
D
D

η =

ρ
+
μρ

, 

где ρ1, ρ2 – удельные сопротивление индуктора и нагреваемого изде 
 лия соответственно; 
μ 
– относительная магнитная проницаемость. 

Из последнего выражения видно, что наибольший к.п.д. получается при нагреве ферромагнитных материалов с большим удельным сопротивлением. При нагреве медного цилиндра в индукторе, выполненного из медного провода, максимальный к.п.д. не превышает 0,5. 

Приближенное определение времени нагрева и удельной мощности 

Расчет выполняют при постоянной удельной мощности, определив ее среднее значение за время нагрева. Так как длительность 
сквозного нагрева значительно больше, чем поверхностного, то критерий Фурье τ > 0,2. В этом случае время нагрева можно вычислить 
однозначно. Для расчета задаются температура поверхности То и 
температура в центре Тц.