6.2. UrzÄ…dzenia indukcyjne i ich zastosowania
____________________________________________________________________________
waniu podlega wąski pas przesuwającego się wsadu o szerokości równej szerokości
wzbudnika. Niewielkie powierzchnie są hartowane także metodą spoczynkową z zastoso-
waniem wzbudników wielozwojowych zwiniętych spiralnie. Na rysunku 6.72 przedstawiono
przykłady wzbudników do nagrzewania powierzchni cylindrycznych i płaskich.
Rys. 6.72. Wzbudniki do nagrzewania powierzchni cylindrycznych i płaskich: a) wielozwojowy do powierzchni
cylindrycznych zewnętrznych; b) wielozwojowy rdzeniowy do powierzchni cylindrycznych
wewnętrznych; c) jednozwojowy rdzeniowy do powierzchni cylindrycznych wewnętrznych;
d) jednozwojowy płaski rdzeniowy do powierzchni cylindrycznych (nagrzewanie metodą obrotową);
e), f), g) do powierzchni cylindrycznych zewnętrznych (wzbudniki dzielone stosowane w przypadkach
gdy wprowadzenie wsadu do wzbudnika nie jest możliwe lub tworzy się układ o malej sprawności); h)
pętlicowy dwustronny do powierzchni płaskich; i) pętlicowy spiralny do powierzchni płaskich; j)
pętlicowy meandryczny rdzeniowy do powierzchni płaskich
131
6. Nagrzewanie indukcyjne
____________________________________________________________________________
W procesach hartowania powierzchniowego istotny wpływ na wynik procesu ma
sposób chłodzenia. Warunkiem powstania struktury martenzytycznej jest chłodzenie z poziomu
temperatury przemiany austenitycznej do poziomu temperatury przemiany martenzytycznej z
szybkością eliminującą przemianę perlityczną. W przeważającej liczbie przypadków
hartowania stali węglowych i niskostopowych, chłodzenie naturalne wskutek konwekcji i
promieniowania z powierzchni zewnętrznej oraz przewodzenia ciepła w głąb materiału, jest
niewystarczające. Stosuje się wtedy chłodzenie wymuszone natryskowe lub zanurzeniowe przy
użyciu wody, emulsji wodno-olejowych, wodnych roztworów związków organicznych, oleju, a
także wymuszone powietrzne [397]. Z bardziej rozpowszechnionych sposobów chłodzenia
należy wymienić chłodzenie natryskowe z oddzielnym natryskiwaczem (rys. 6.70), z
natryskiem działającym przez zwoje wzbudnika lub bezpośrednio ze wzbudnika, zanurzeniowe
poza strefÄ… wzbudnika.
Wykorzystanie zalet nagrzewania indukcyjnego szczególnie w obszarze hartowania,
wymaga wyposażenia członu grzejnego we właściwy człon zasilania oraz w wiele zespołów
ułatwiających i polepszających pracę nagrzewnicy. Hartowanie jako proces o dużej szybkości z
natury rzeczy powinien być w maksymalnym stopniu zautomatyzowany [525]. Krótkotrwałość
procesu grzejnego wymaga dostosowania wszystkich pozostałych operacji do jego rytmu, w
przeciwnym razie wydajność nagrzewnicy i w znacznym stopniu jej sprawność
elektrotermiczna determinowane będą nie przez proces podstawowy, lecz przez czynności
pomocnicze, a zwłaszcza podawanie, pozycjonowanie i odbiór wsadu.
W użyciu są głównie nagrzewnice półautomatyczne i automatyczne. W nagrzewnicach
półautomatycznych obsługa ma możliwość przejęcia operacji podawania i odbioru wsadu oraz
może decydować o takcie pracy. Indukcyjne nagrzewnice półautomatyczne łatwiej dostosować
do wsadów o zróżnicowanych wymiarach, a nawet różnej geometrii. Nagrzewnice
automatyczne przystosowane są zwykle do jednego rodzaju wsadu, a więc wykorzystuje się je
w produkcji wielkoseryjnej zaś obsługa nie ma bezpośredniego wpływu na operacje podawania
i odbioru. Takt roboczy wynika z szybkości charakterystycznej dla linii produkcyjnej, w której
nagrzewnica jest jednym z elementów. Zakłócenia w przepływie wsadu powodują
unieruchomienie automatów, których nowoczesne modele mają wydajność rzędu kilkuset
hartowanych elementów na godzinę [516].
Rysunek 6.73 przedstawia model strukturalny nagrzewnicy. W jej centrum znajduje siÄ™
człon grzejny. Wokół niego zgrupowane są człony wyposażenia, których usytuowanie w
znacznym stopniu zależy od ich wymiarów oraz przeznaczenia.
Nagrzewnice indukcyjne przeważnie nie były dotąd wyposażane w układy regulacji
temperatury, a więc żądane efekty uzyskiwało się w wyniku praktycznego doboru wszystkich
parametrów procesu i doświadczalnego sprawdzenia uzyskiwanej twardości hartowanej
warstwy. Przemysłowa eksploatacja nagrzewnicy wymaga jednak ścisłej powtarzalności
parametrów procesu, co uzyskuje się dzięki daleko posuniętej automatyzacji. Obecnie są
czynione próby automatyzacji procesu z wykorzystaniem pomiaru kilkunastu wielkości
pośrednich, a w tym także temperatury powierzchni wsadu, temperatury i wydatku płynów
hartujących i chłodzących, parametrów elektrycznych, położenia wsadu oraz wzbudnika - jeśli
ulega ono zmianie. Wyniki pomiarów są następnie przetwarza-
132
6.2. UrzÄ…dzenia indukcyjne i ich zastosowania
____________________________________________________________________________
Rys. 6.73. Schemat strukturalny urzÄ…dzenia indukcyjnego do hartowania, wg [516]
1 - nagrzewnica indukcyjna, 2 - człon zasilający, 3 - człony wspomagające, 4 - człony sprzęgające
nagrzewnicę z innymi członami linii technologicznej, 5 - odprowadzanie ciepła z medium
hartowniczego, 6 - odprowadzanie ciepła z elementów elektrycznych, 7 - człon sterujący, A - strumień
energii, B - strumień materiałów, C - sygnały wyzwalające, D - sygnały sprzężeń zwrotnych
ne z wykorzystaniem metod statystycznych, co w efekcie gwarantuje powtarzalność efektów
obróbki [530].
Hartowanie indukcyjne jest stosowane w obróbce cieplnej bardzo zróżnicowanych
wsadów, a m.in. czopów wałów korbowych, wałków rozrządu, trzonków i gniazd zaworów,
tulei cylindrów, kół zębatych, prowadnic obrabiarek, krzywek sterujących, elementów łożysk,
młotów pneumatycznych, wierteł, drągów wiertniczych, wałów przegubowych, resorów.
Odpuszczanie jest to proces na ogół zintegrowany z hartowaniem. Wsad jest przy tym
ponownie nagrzewany do temperatury 150 ÷300°C. W ten sposób likwiduje siÄ™ naprężenia
wewnętrzne wsadu bez znaczącej utraty twardości. Zmniejsza się kruchość materiału i polepsza
jego ciągliwość. Przy hartowaniu metodą całościową, odpuszczanie może być realizowane przy
wykorzystaniu ciepła zawartego we wsadzie przy przerwaniu w odpowiednim momencie
chłodzenia w procesie hartowania (tzw. samoodpuszczanie). Hartowanie z następującym po
nim odpuszczaniem w temperaturze 400 ÷ 600°C okreÅ›la siÄ™ mianem ulepszania cieplnego.
Wartość temperatury odpuszczania stanowi o twardości powierzchni wsadu, osiowych i
promieniowych naprężeniach własnych, udarności, odporności na ścieranie oraz wytrzymałości
zmęczeniowej.
Odpuszczanie indukcyjne w przypadku wsadów o prostej geometrii jest jakościowo
znacznie bardziej efektywne aniżeli odpuszczanie konwencjonalne w piecach. Wynika to z
możliwości realizacji tego procesu przy wyższych temperaturach i krótszych czasach
odpuszczania. Używa się do tego celu nagrzewnic stosowanych do hartowania bez wymiany
wzbudnika, bÄ…dz
nagrzewnic o niniejszej częstotliwości i mniejszej mocy [516].
133
6. Nagrzewanie indukcyjne
____________________________________________________________________________
Wyżarzanie jest procesem polegającym na powolnym nagrzewaniu wsadu metalowego
do określonej temperatury, przetrzymywaniu go w tej temperaturze, a następnie prawie zawsze
powolnym studzeniu. We wszystkich odmianach tego procesu ważne jest wytworzenie w
obrabianym wsadzie lub w obrabianym obszarze wsadu pola temperatury o niewielkich
gradientach.
Celem wyżarzania jest ujednorodnienie struktury metalu (w. ujednorodniajace), jego
normalizowanie, rekrystalizowanie (w. rekrystalizujące), odprężanie (w. odprężające),
grafityzowanie (w. grafityzujące), stabilizowanie i in. W tej grupie procesów nagrzewanie
indukcyjne bardzo duże znaczenie ma przy obróbce spawów rur i zbiorników. Jako
wzbudników używa się elastycznych izolowanych kabli chłodzonych wodą, które umieszcza
się bezpośrednio na spoinach. Obszar wyżarzania jest izolowany cieplnie, a jego temperatura
regulowana wg określonego programu. W ten sposób wyżarza się także fragmenty bardzo
dużych wsadów, które nie mieszczą się w piecach. Zwykle też operacje te realizowane są
bezpośrednio w miejscu zainstalowania obrabianych obiektów. Do zasilania stosuje się
mobilne zasilacze o mocach od kilkudziesięciu do kilkuset kilowatów i częstotliwościach
roboczych rzadko większych niż 10 kHz [356], [517].
Kolejna grupa zastosowań to przelotowe wyżarzanie rekrystalizujące taśm metalowych
w polu poprzecznym (w tzw. urządzeniach TFX). Do tego celu stosuje się częstotliwość
sieciową lub zwiększoną [656]. Zasadnicze problemy w tej technice (przegrzewanie krawędzi
oraz oddziaływanie sił na taśmę) zostały opanowane w stopniu pozwalającym nagrzewać
taśmy zarówno z metali nieżelaznych, jak i żelaznych. Przykładem jest tu nagrzewanie taśmy o
grubości 1,75 mm, szerokości 220 mm ze stopu AlMgSil z wydajnością 3,74 Mg/h (60 m/min)
do temperatury wyżarzania 550°C. Zużycie energii w tym procesie wynosi 215 kW·h/Mg, a
więc jest ponad dwa razy mniejsze niż w urządzeniu opalanym gazem. Sprawność
elektrotermiczna procesu 72% osiÄ…gana jest przy mocy grzejnej 780 kW [656].
6.2.3.3. Nagrzewnice indukcyjne w procesach lutowania, zgrzewania oraz innych
technikach
Lutowanie indukcyjne przy użyciu lutów miÄ™kkich (do 450°C) i twardych (do 1020°C)
realizuje się w indukcyjnych układach grzejnych stacjonarnych i postępowych. Lutowie w
postaci drutu, folii, taśmy, ziarn, wiórków, proszku lub pasty najczęściej umieszcza się w
bezpośrednim sąsiedztwie łączonego obszaru lub między łączonymi powierzchniami. Po
roztopieniu, dzięki efektowi kapilarnemu lut wypełnia szczelinę między łączonymi częściami.
Rozmieszczenie wzbudników przy lutowaniu różnych elementów metodą spoczynkową
przedstawia rys. 6.74.
Częstotliwość zasilania wzbudników przeznaczonych do lutowania elementów
masywnych o obszernej strefie lutowania - 2 ÷10 kHz. Przy Å‚Ä…czeniu niewielkich elementów o
maÅ‚ych strefach lutowania stosuje siÄ™ czÄ™stotliwoÅ›ci o wartoÅ›ciach 0,25 ÷ 3,39 MHz [647]. W
zależności od wymiarów elementów lutowanych, niezbędne moce nagrzewnic zawierają się w
przedziale 0,5 ÷ 5,0 kW przy lutach miÄ™kkich i w przedziale 3÷30 kW przy lutach twardych.
134
6.2. UrzÄ…dzenia indukcyjne i ich zastosowania
____________________________________________________________________________
Rys. 6.74. Rozmieszczenie wzbudników i lutów przy lutowaniu różnych elementów metodą spoczynkową:
a), b), c) wzbudnik pierścieniowy jednozwojowy z przylutowaną rurką z wodą chłodzącą;
d), e), f) wzbudnik z chłodzeniem bezpośrednim
1,2- elementy lutowane; 3 - lut; 4 - wzbudnik
Lutowanie indukcyjne stosuje się do łączenia przedmiotów o różnym kształcie, a m.in.
do łączenia płytek z węglików spiekanych z trzonkami narzędzi skrawających. Procesy
lutowania mogą być realizowane w atmosferach ochronnych [638]. Zalety lutowania
indukcyjnego to łatwość automatyzacji, dobra i stała jakość połączeń, minimalne braki, małe
zużycie lutu i energii [568].
Zgrzewanie indukcyjne realizowane jest kilkoma technikami. Zgrzewanie statyczne
doczołowe w stanie plastycznym z dociskiem spęczania realizowane jest przy szybkości
nagrzewania dochodzącej do 400 K/s. Spęczanie wynosi od l do 6 mm, a jego prędkość sięga
20 mm/s. Proces jest stosowany do zgrzewania doczołowego prętów o średnicach mniejszych
od 80 mm oraz rur o Å›rednicach do 200 mm i gruboÅ›ci Å›cianki 1÷12 mm. CzÄ™stotliwość
zgrzewania wynosi zwykle 10 kHz. Zgrzewanie statyczne technikÄ… ze stopieniem obszaru
złącza bez wywierania docisku jest stosowane do wykonywania połączeń grzbietowych
przedmiotów o gruboÅ›ci Å›cianek 0,3 ÷ 1,5 mm ze stali niskowÄ™glowych, austenitycznych i
stopów tytanu. CzÄ™stotliwość robocza - 70 ÷ 440 kHz, szybkość nagrzewania - 250 ÷ 8000 K/s.
Konieczna jest osłona gazowa obszaru zgrzewania.
Zgrzewanie ciągłe ze stapianiem zgrzewanych powierzchni i dociskiem spęczania
(nazywane często - zwłaszcza w literaturze obcej - spawaniem) stosowane jest przy
wykonywaniu złączy wzdłużnych i spiralnych rur, złączy wzdłużnych belek konstrukcyjnych,
rur żebrowych i taśm bimetalowych. Szybkości nagrzewania w tej technologii dochodzą do
150000 K/s, co sprawia, że warstwa ciekłego metalu tworząca się na nagrzewanych
powierzchniach ma temperaturÄ™ wyższÄ… o 10 ÷ 20% niż temperatura topienia, a Å‚Ä…cznie z
przyległą do niej warstwą metalu w stanie plastycznym ma grubość
135
6. Nagrzewanie indukcyjne
____________________________________________________________________________
rzędu setnych części milimetra. Prędkości formowania złącza sięgają 150 m/min. Średnica
zgrzewanych rur 300 ÷600 mm przy gruboÅ›ciach Å›cianek do 12 mm. Najkorzystniejsze wyniki
uzyskuje siÄ™ przy / = 0,1 ÷ 0,5 MHz. Moce nagrzewnic - 50 ÷ 700 kW. SpoÅ›ród licznych
rozwiązań nagrzewnic na rys. 6.75 przedstawiono jedno z częściej spotykanych. Istotne różnice
sprowadzają się do kształtu i sposobu usytuowania wzbudnika oraz wyposażenia
(magnetowody) [89], [274], [440], [498], [525].
Rys. 6.75. Zgrzewanie indukcyjne (spawanie) ciągłe rur
1 - rura, 2 - walce dociskowe, 3  wzbudnik, 4 - tory prądów, 5 - miejsce zgrzewania (spawania)
Inne techniki, realizowane z zastosowaniem urządzeń, w których nagrzewnice indukcyjne
stanowią człony główne lub pomocnicze, tworzą bardzo obszerną listę zastosowań o
zróżnicowanym charakterze, w tym także wysoce specjalistycznym.
W przemyśle chemicznym, a szczególnie w przemyśle farb i lakierów, w petrochemii
czy produkcji żywic syntetycznych i w tych wszystkich przypadkach, w których ciekły wsad
ma być nagrzany do temperatur nie przekraczajÄ…cych 400°C stosowane sÄ… tzw. nagrzewnice
indukcyjne kotłowe. Są one zintegrowane z kadziami, reaktorami, autoklawami, kolumnami
absorpcyjnymi1). Ciepło generowane jest bezpośrednio w metalowych ściankach zbiorników
lub w szczelnych metalowych osłonach wzbudników, umieszczonych w nagrzewanej cieczy.
Osłony te wraz ze wzbudnikami tworzą rodzaj zanurzeniowych indukcyjnych elementów
grzejnych. To drugie rozwiązanie pozwala na wykonanie zbiornika z dowolnego materiału.
Znane są też rozwiązania kombinowane z nagrzewaniem zewnętrznym i wewnętrznym,
umożliwiające ok. dwukrotne zwiększenie mocy grzejnej przy bardzo dużej sprawności
elektrotermicznej (rys. 6.76). SÄ… one
136
1)
W przypadkach gdy nagrzewnice są członami pomocniczymi urządzeń nie jest możliwe odnoszenie do nich
kryteriów klasyfikacyjnych dla autonomicznych urządzeń elektrotermicznych. Gdyby je stosować, to
wymienione urządzenia należałoby zaliczyć do komorowych z nagrzewaniem pośrednim, co nie odpowiada-
łoby powszechnej praktyce językowej.
6.2. UrzÄ…dzenia indukcyjne i ich zastosowania
____________________________________________________________________________
korzystne w przypadku nagrzewania ośrodków o małej przewodności cieplnej właściwej.
Indukcyjne nagrzewnice kotłowe stosowane są tam, gdzie wymagana jest duża równomierność
temperatur, duża dokładność regulacji temperatury, mała bezwładność cieplna. Mogą być
eksploatowane w pomieszczeniach z atmosferą grożącą pożarem lub wybuchem. Wzbudniki
nagrzewnic zasilane są częstotliwością sieciową i chłodzone wodą lub powietrzem. Ich moce
jednostkowe dochodzÄ… do l MW [440], [518].
Rys. 6.76. Reaktor wyposażony w indukcyjne nagrzewnice kotłowe, wg [518]
1 - indukcyjne zanurzeniowe elementy grzejne, 2 - wzbudnik do nagrzewania płaszcza reaktora, 3 -
przyłącza, 4 - mieszadło, 5 - izolacja cieplna, 6 - stalowa ścianka reaktora
Przy wykonywaniu połączeń skurczowych nagrzewa się indukcyjnie do temperatury 100
÷ 250°C części konstrukcyjne nasadzane w stanie gorÄ…cym na części konstrukcyjne zimne.
Typowe zastosowania to nasadzanie kół zębatych, wieńców uzębionych, kół linowych, łożysk,
pierścieni. Do tego celu używa się nagrzewnic rdzeniowych o częstotliwości sieciowej
zasilanych z transformatorów dopasowujących. Wzbudniki, najczęś-
137
6. Nagrzewanie indukcyjne
____________________________________________________________________________
ciej jedno- lub dwuczłonowe, umieszcza się na otwieranym rdzeniu magnetycznym, na który
nakłada się także nagrzewaną część konstrukcyjną [568]. W skład obwodu głównego
nagrzewnicy wchodzi - oprócz transformatora - bateria kondensatorów do kompensacji mocy
biernej i symetryzator obciążenia sieci.
Do niskotemperaturowego nagrzewania wielkich powierzchni, a w szczególności
rurociągów do transportu paliw, używa się indukcyjnych elementów grzejnych w postaci rurek
ferromagnetycznych, w których umieszcza się zwykle jeden izolowany elektrycznie przewód
spełniający rolę wzbudnika (rys. 6.77). Ciepło z rurek przenosi się do nagrzewanej powierzchni
głównie przez przewodzenie. Zaletą tej techniki przy nagrzewaniu rurociągów jest m.in.
możliwość lokalizacji punktów zasilania wzbudników w bardzo dużych odstępach, ponieważ
jednostkowe napięcia zasilające są rzędu 0,5 V/m, przy napięciach zasilających dochodzących
do 6 kV [597], [663]. Znane są układy jedno-i trójfazowe. Zrealizowano już instalacje do
nagrzewania rurociągów o długości 105 km, w tym także podmorskie.
Rys. 6.77. Indukcyjne
elementy grzejne: a) po-
jedynczy, b) podwójny
1 - wzbudnik, 2 - rurka
ferromagnetyczna,
3 - z
ródło napięcia
o częstotliwości sieciowej
Specjalnymi technikami są procesy indukcyjnego suszenia i wypalania lakierów,
odgazowywanie lamp elektronowych, kondensatorów, wyłączników próżniowych i kine-
skopów, nagrzewanie przy spęczaniu i prostowaniu elementów metalowych, oddzielaniu gumy
od metalu, nakładaniu pancerza na kable, polimeryzacji klejów termoplastycznych w
przemyśle samochodowym (nagrzewanie pośrednie), a także procesy uzyskiwania warstw
epitaksjalnych na płytkach monokrystalicznych krzemu, arsenku galu [567].
Przykładem urządzenia nieprzemysłowego jest kuchnia indukcyjna wyposażona w płaskie
wzbudniki umieszczone pod taflą szklaną przeznaczoną do ustawiania naczyń, w których
indukowane są prądy wirowe. Częstotliwość napięcia zasilającego - 25 kHz. Sprawność
całkowita kuchni indukcyjnej jest od kilkunastu do kilkudziesięciu procent większa (w
zależności od rodzaju i masy wsadu) od sprawności nowoczesnej kuchni promiennikowej
[600].
138
6.2. UrzÄ…dzenia indukcyjne i ich zastosowania
____________________________________________________________________________
6.2.4. Piece indukcyjne - elementy wyposażenia, zastosowania
6.2.4.1. Piece indukcyjne kanałowe
Zasady działania pieców indukcyjnych kanałowych określają te same prawa elektro-
magnetyzmu jakie majÄ… zastosowanie do nagrzewnic indukcyjnych. RozwiÄ…zania kon-
strukcyjne pieców kanałowych mają cechy zbieżne z transformatorami. Elektryczny obwód
pierwotny pieca tworzy jeden lub kilka wzbudników, obwód wtórny - nagrzewany metal
znajdujący się w jednym lub kilku kanałach wykonanych z ceramicznego materiału
ogniotrwałego oraz w zbiorniku wyłożonym także materiałem ogniotrwałym (rys. 6.78).
Uruchomienie i praca pieca kanałowego możliwa jest pod warunkiem zamknięcia obwodu
wtórnego, który w praktyce tworzy się pozostawiając zawsze w piecu tzw. zaczyn (zalew),
czyli ilość metalu (0,2 ÷ 0,5 iloÅ›ci użytecznej czyli odlewanej), niezbÄ™dnÄ… do caÅ‚kowitego
wypełnienia kanału oraz zbiornika do wysokości powodującej co najmniej zalanie wylotów
kanału (kanałów).
Rys. 6.78. Piec indukcyjny
kanałowy, zaczerpnięto z
[440]
1 - zbiornik pieca, 2 -
wyłożenie ogniotrwałe
zbiornika, 3 - wzbudnik,
4 - obudowa modułu
indukcyjnego, 5 - osłona
wzbudnika, 6 - wyłożenie
ogniotrwałe kanału, 7 -
kanał, 8 - rdzeń, 9 -
izolacja cieplna
139
6. Nagrzewanie indukcyjne
____________________________________________________________________________
Idea pierwszego pieca indukcyjnego, skonstruowanego przez Kjellina, przedstawiona
jest na rys. 6.1. Współczesne piece mają jedno- lub dwukomorowy zbiornik ceramiczny,
zespolony z jednym lub kilkoma (najczęściej wymiennymi) modułami indukcyjnymi
zawierającymi wzbudniki, kanały oraz rdzenie magnetyczne (rys. 6.79). Wzbudniki w do-
tychczas stosowanych rozwiązaniach zasilane są wyłącznie prądami o częstotliwości
Rys. 6.79. Przykłady pieców indukcyjnych kanałowych: jednokomorowc (a, b, c, d, e, f, h, i); dwukomorowe (g);
z wyposażeniem dozującym metal (e, f); z jednym modułem indukcyjnym (a, b, e, f, g, h); z dwoma
modułami indukcyjnymi (d, i); o kanałach pojedynczych (a, b, e, f, g); o kanałach podwójnych (c, i);
usytuowanych pionowo (a, b, c, d, e, h, i); usytuowanych ukośnie (d, f, g); z trzema kanałami
równoległymi (h)
1 - komora, 2 - rdzeń, 3 - wzbudnik, 4 - kanał, 5 - wlew metalu, 6 - doprowadzanie powietrza pod
ciśnieniem, 7 - wypływ metalu do formy, 8 - rynna elektromagnetyczna do transportu ciekłego metalu,
9 - komora załadowcza, 10 - komora czerpalna, 11 - wentylator do chłodzenia wzbudnika, 12 - korek
ceramiczny umożliwiający dostęp do kanału przy jego czyszczeniu, 13 - układ przechyłu pieca
140
6.2. UrzÄ…dzenia indukcyjne i ich zastosowania
____________________________________________________________________________
sieciowej. Strumień magnetyczny wytwarzany przez wielozwojowy wzbudnik umieszczony na
rdzeniu indukuje w obwodzie wtórnym silę elektromotoryczną i prądy wirowe. Ciepło
wydziela się głównie w kanale, z którego przenosi się do zbiornika.
Typy pieców kanałowych rozróżnia się biorąc zwykle za kryterium podziału:
 przeznaczenie: do topienia (piece topielne), do podgrzewania kąpieli i korekty jej składu
chemicznego (mieszalniki), do przetrzymywania metalu w stanie nagrzanym (piece
buforowe), do dozowania ciekłego metalu (zatyczkowe, z rynną elektromagnetyczną,
pneumatyczne);
 liczbę komór: jedno- i dwukomorowe;
 sposób opróżniania: przechylne i nieprzechylne;
 kształt wanny: z wanną cylindryczną, prostopadłościenną, bębnową, kulistą;
 połączenie modułu z komorą: z modułami wymiennymi i niewymiennymi;
 liczbę modułów: jedno- i wielomodułowe;
 usytuowanie modułu: pionowe, poziome, ukośne (stosuje się równocześnie moduły o
różnym ich usytuowaniu);
 rodzaj kanału: z kanałami pojedynczymi, z kanałami podwójnymi;
 kształt kanału: z kanałami okrągłymi, prostymi, w kształcie litery V, nieregularnymi (wynik
optymalizacji);
 przekrój poprzeczny kanału: z okrągłymi, owalnymi .kwadratowymi i prostokątnymi;
 liczbę kanałów równoległych; jedno-, dwu-, trójkanałowe;
 liczbę faz wzbudnika: jedno-, dwu-, trójfazowe.
Moduł indukcyjny jest zespołem, który ma zasadniczy wpływ na parametry elektryczne
pieca. O cyrkulacji metalu, a tym samym o wymianie ciepła między obszarem, w którym się
ono głównie wydziela i obszarem ograniczonym ścianami zbiornika decyduje geometria i
wymiary kanału. Niedostateczna cyrkulacja metalu w kanale doprowadzić może do jego
przegrzania nawet o 150 ÷ 200 K w stosunku do temperatury metalu w zbiorniku. W rezultacie
zmniejsza się trwałość wyłożenia ogniotrwałego kanału i rosną straty cieplne.
Pole przepływu metalu w kanale ma złożony charakter i zwłaszcza w modułach
indukcyjnych dużej mocy (1÷6 MW) należy dążyć do jego optymalizacji. RozwiÄ…zaniem
pożądanym jest zapewnienie tzw. przepÅ‚ywu tranzytowego o wartoÅ›ci 1÷3 m/s, zależnego od
rodzaju nagrzewanego metalu [474], [604], [658], [681]. Maksymalna różnica temperatur
metalu w kanale i w zbiorniku przy spełnieniu tego warunku nie powinna przekraczać 30 K
[644]. Z kolei w celu wyrównania temperatur metalu w zbiorniku, w odpowiedni sposób
kształtuje się wyloty kanałów. Sprzyja to powstawaniu ruchów wirowych metalu w ich
bliższym i dalszym otoczeniu, a z tym wiąże się transport ciepła. Przepływ tranzytowy metalu -
wbrew rozpowszechnionym poglądom - nie zapewnia dostatecznej jednorodności pola
temperatur w zbiorniku [588].
Rozstrzygający wpływ na cyrkulację metalu mają zjawiska magnetohydrodynamiczne,
znacznie mniejsze - termokinetyczne. Te pierwsze - oprócz przepływu - powodują ściskanie
strugi metalu w kanale (tzw. zjawisko pinchu). Efekt ten stał się jednym
141
6. Nagrzewanie indukcyjne
____________________________________________________________________________
z głównych powodów odejścia od konstrukcji pieców kanałowych typu rynnowego (rys. 6.1) i
zastąpienie ich piecami zbiornikowymi. Przy dostatecznie dużej ilości metalu w zbiorniku,
ciśnienie statyczne metalu, zwane też metalostatycznym, zapobiega przerywaniu strugi metalu
w kanale, co w piecach rynnowych, przy większych natężeniach prądu, było nie do
opanowania.
W przypadku kanału o przekroju kołowym, iloraz siły dF i powierzchni jednostkowej
metalu rdĆdl2 , na którą działa ta siła, jest lokalnym ciśnieniem jednostkowym dp określona
wzorem
dF
dp = (6.242)
rdĆdl2
przy czym rdĆ jest szerokością zaś dl2 - długością elementarnej powierzchni metalu.
Siła dF powstaje w wyniku wzajemnego oddziaływania pola magnetycznego wywołanego
prądem całkowitym I2 w kanale z prądem przepływającym przez jego elementarną
powierzchnię o przekroju rdĆdr
dF = dI2dl2B2 sin( dl2 ,B ) (6.243)
przy czym B2 = µ2H2 - indukcja magnetyczna wywoÅ‚ana prÄ…dem I2 (dla roztopionych metali
µ = µ0 ).
Przy warunku 0 d" r d" r2 , gdzie r2 - promień kanału, według [439]
2
µ0I2
p = ( r22 - r2 ) (6.244)
4Ä„2r22
Ciśnienie wywierane na strugę metalu w kanale osiąga wartość maksymalną w osi kanału, czyli
dla r = 0. Wtedy (wyrażone w N/m2)) określone jest wzorem
2 2
µ0I2 10-7 I2
pmax = = (6.245)
4Ä„2r22 Ä„r22
Powyższa zależność jest sÅ‚uszna przy 2r2 < ´2 . Gdy gÅ‚Ä™bokość wnikania ´2 < 2r2 , pmax jest
dwukrotnie mniejsze, co występuje przy topieniu metali lekkich. W takim przypadku
niezbędne jest uwzględnienie zjawiska naskórkowości, nie branego pod uwagę przy wy-
prowadzaniu zależności (6.243).
Ciśnienie pmax musi być większe od ciśnienia metalostatycznego hł , przy czym h jest
wysokością lustra metalu nad punktem, w którym występuje pmax zaś ł jest ciężarem
właściwym roztopionego metalu. Przy pmax = hł , z (6.243) określa się największą dopuszczalną
wartość prądu w kanale (wyrażoną w A). Dla kanałów o przekroju kołowym
I2,max = Ä„107 r22hÅ‚ = 17.55Å"103 r22hÁ (6.244)
gdzie Á jest masÄ… wÅ‚aÅ›ciwÄ… metalu.
142
6.2. UrzÄ…dzenia indukcyjne i ich zastosowania
____________________________________________________________________________
W przypadku kanałów o przekroju kwadratowym, we wzorze (6.244) zamiast nr2 wystąpi a2 (a
- długość boku przekroju), natomiast gdy przekrój kanału jest prostokątny, zaleca się
przyjmowanie wartości I2,max mniejszej 2 razy [439].
Zależność (6.244) została wyprowadzona przy wielu założeniach upraszczających.
Według [439] wartości rzeczywiste są większe, lecz z uwagi na niebezpieczeństwo przegrzania
metalu w kanale, zaleca się przyjmować prądy zbliżone do wyznaczonych ze wzoru (6.244).
Jest to słuszne w odniesieniu do modułów indukcyjnych z kanałami klasycznymi,
charakteryzującymi się mniejszymi mocami oraz geometrią nie umożliwiającą uzyskiwania
dużych prędkości przepływu. Moduły indukcyjne nowych generacji - zwłaszcza z kanałami
podwójnymi typu Jet Flow o mocach do 6 MW - projektuje się korzystając z wyników badań
na modelach fizycznych oraz z obliczeń numerycznych. Na ich podstawie wyznacza się
dopuszczalne średnie wartości gęstości prądu J2,max lub mocy objętościowej p2,max w kanałach
(tabl. 6.4) [448], [449], [584], [681]. Modele analityczne, mimo ich znacznego zaawansowania,
wykorzystuje się raczej do analizy jakościowej, a nie ilościowej [449].
Tablica 6.4. Dopuszczalne Å›rednie wartoÅ›ci gÄ™stoÅ›ci prÄ…du J;  J mocy objÄ™toÅ›ciowej P2m«x w kanaÅ‚ach pleców
indukcyjnych [89], [652], [439], [681]
Wytapiany metal Moduły o nieukierunkowanym Moduły o ukierunkowanym przepływie
przepływie metalu w kanale metalu w kanale
p2,max J2,max p2,max J2,max
W/cm3 A/mm2 W/cm3 A/mm2
20 9,1
Aluminium 65 16,5
50 12,0
Cynk 90 16,0
50 15,4
Miedz
95 21,0
60 12,2
MosiÄ…dz 100 15,8
60 7,5
Nikiel 95 9,3
60 6,6
Stal 95 8,3
60 6,9
Żeliwo 95 8,7
Nowe generacje modułów indukcyjnych mają większe moce dzięki:
- stosowaniu kanałów o zoptymalizowanej geometrii (rys. 6.80),
- stosowaniu kanałów podwójnych (rys. 6.79 c, i),
- stosowaniu dodatkowych obwodów magnetycznych,
- wprowadzeniu pod ciśnieniem do kanału gazu obojętnego,
- przesunięciu osi symetrii kanału względem osi symetrii wzbudnika,
- stosowaniu materiałów ceramicznych i elektroizolacyjnych o dużej odporności tem-
peraturowej,
- zmniejszeniu mocy strat we wzbudniku oraz w innych elementach metalowych modułu
(elementy układu chłodzenia, osłona wzbudnika obudowa modułu),
- stosowaniu z
ródła napięcia o częstotliwości ok. 400 Hz, jako czynnika intensyfikują-
cego przepływ w kanale (rozwiązanie nie wprowadzone dotąd do praktyki z uwagi na
znaczne koszty [584]).
143
6. Nagrzewanie indukcyjne
____________________________________________________________________________
Rys. 6.80. Przykład kanału
o zoptymalizowanej geo-
metrii, wg [683]
S2 - linie przepływu tran-
zytowego w kanale; S4 -
linie przepływu wirowego
u ujść kanału do zbiornika;
1,2 - miejsca, w pobliżu
których występują najwię-
ksze natężenia strumienia
wirów (tzw. obszary ak-
tywne)
Z powyższego wynika, że konstrukcja modułu jest w znacznej mierze konsekwencją
przyjętego rozwiązania kanału, przy czym oprócz już wymienionych czynników,
wpływających na jego geometrię, należy wziąć pod uwagę także skutki oddziaływań cieplno-
chemicznych metalu na wyłożenie ogniotrwałe. I tak w przypadku pieców do topienia
aluminium, stosuje się kanały proste (rys. 6.79i), ze względu na konieczność okresowego
usuwania z nich osadów, co wykonuje się po usunięciu korków 12. Jeżeli chodzi o przekrój
poprzeczny kanału, to ze względu na moc strat cieplnych oraz cyrkulację metalu, korzystny jest
kształt kołowy. Przy przekroju prostokątnym mniejszy jest strumień rozproszenia, a tym
samym mniejsza indukcyjność kanału i ten czynnik sprawia, że kanały mają przeważnie
przekrój prostokątny z zaokrąglonymi narożami lub przekrój owalny. Sprawą istotną jest przy
tym stosunek wymiarów charakteryzujących ten przekrój (wysokość h do szerokości d kanału)
oraz stosunek szerokoÅ›ci d do gÅ‚Ä™bokoÅ›ci wnikania ´2 (wysokość jest wymiarem równolegÅ‚ym
do osi rdzenia). Przy topieniu metali powodujących zarastanie kanałów (Al, Ni i ich stopy) oraz
przeznaczonych do topienia metali żelaznych w moduÅ‚ach dużej mocy h/d =1÷2. WiÄ™ksze
wartości tego stosunku przyjmowane są dla pieców do topienia miedzi, mosiądzów, brązów.
Przyjmuje siÄ™ ponadto, że d / ´2 = 1 ÷ 2 .
W modułach dużej mocy o ukierunkowanym przepływie, przekrój kanału nie jest stały i
wzdłuż jego osi może się zmieniać także wartość stosunku h/d. Ponieważ już przy niewielkich
zmianach geometrii kanałów, zwłaszcza u ich ujścia do zbiornika,
144
6.2. UrzÄ…dzenia indukcyjne i ich zastosowania
____________________________________________________________________________
istotnie zmienia siÄ™ pole prÄ™dkoÅ›ci metalu, dlatego podane wartoÅ›ci h/d oraz d / ´2 muszÄ… być
traktowane jako orientacyjne, a docelowy kształt kanału i jego wymiary powinny być ustalone
metodami modelowania fizycznego i numerycznego.
Wymiary kanału ulegają w trakcie eksploatacji modułu zmianom. Jest to spowodowane
wypłukiwaniem wyłożenia, zależnym w znacznym stopniu od intensywności cyrkulacji metalu
w kanale oraz od gromadzenia się w nim osadów. Zmianom wymiarów towarzyszą zmiany
rezystancji i reaktancji metalu w kanale, a więc także pieca (rys. 6.81). Zmiany wartości m.in.
tych wielkości (względnie mocy czynnej i biernej) są wykorzystywane do oceny stopnia
zużycia modułu indukcyjnego i ustalenia momentu jego wymiany [652], [683]. W
urządzeniach wyposażonych w układy nadzoru komputerowego, ocena taka odbywa się w
ustalonych odstępach czasu, po uprzednim znormalizowaniu mierzonych wartości przez ich
odniesienie do napięcia znamionowego. Uzyskane wyniki są przechowywane w pamięci
komputera i w każdej chwili określić można (najczęściej w postaci graficznej) kierunek ich
zmian, a więc uzyskać informacje bardziej przydatne od odnoszących się do wartości
chwilowych [480]. Taki rodzaj obserwacji jest tym bardziej przydamy im większy jest rozrzut
trwałości wyłożenia ogniotrwałego kanałów. W konstrukcjach nowoczesnych wytrzymuje ono
2÷3 lata [644]. PrzykÅ‚ady znacznie mniejszej trwaÅ‚oÅ›ci wyÅ‚ożenia ogniotrwaÅ‚ego nie należą
jednak do rzadkości [533], [672].
Wzbudniki wykonywane sÄ… w postaci jedno- lub dwuwarstwowych cewek z izo-
lowanych przewodów miedzianych pełnych lub rurkowych. Są one osadzone na rdzeniu
magnetycznym oraz oddzielone od wyłożenia ogniotrwałego osłoną. Przestrzeń między osłoną
i wzbudnikiem wykorzystywana jest dla celów wentylacyjnych przy chłodzeniu powietrznym
wzbudnika. Osłona zabezpiecza także wzbudnik przed ciekłym metalem
Rys. 6.81. Zmiany rezystancji i reaktancji pieca indukcyjnego kanałowego w czasie 4 miesięcy pracy ciągłej;
moc znamionowa modułu indukcyjnego - 250 kW, przeznaczenie - topienie żeliwa, wg [683]
A B CD - obszar dopuszczalnych zmian rezystancji i reaktancji pieca (obszar trwałości modułu)
145
6. Nagrzewanie indukcyjne
____________________________________________________________________________
w przypadku uszkodzenia wyłożenia ogniotrwałego kanału. Wzbudnik może być także
chłodzony wodą podobnie jak osłona, jeśli wykonuje się ją z metalu (zwykle z miedzi).
Metalowe osłony są dzielone. Ogranicza to indukowanie w nich prądów wirowych. Przy
chłodzeniu powietrznym wzbudnika, osłona nie musi być wykonana z metalu.
Rdzenie wykonywane sÄ… z blach transformatorowych w postaci konstrukcji jedno-,
dwu- i trójfazowej zarówno bezpłaszczowej, jak i płaszczowej. Przekroje kolumn ze
wzbudnikami są kwadratowe lub stopniowane (przy wzbudnikach o przekroju kołowym).
Istotnym elementem modułu jest jego metalowa obudowa. Służy ona do zespolenia
wszystkich części składowych modułu i dlatego musi to być konstrukcja o odpowiedniej
wytrzymałości mechanicznej. Wykonywana zwykle ze stali, jest niestety z
ródłem strat
wiroprÄ…dowych. W celu ich ograniczenia bywa dzielona, wykonuje siÄ™ jÄ… ze specjalnych
gatunków stali oraz ekranuje. To ostatnie rozwiązanie stosuje się dotychczas wyłącznie w
piecach do topienia miedzi [588]. W przypadku pieców z modułami wymiennymi, obudowa
modułu musi być przystosowana do przymocowania do części zbiornikowej. Wymiana odbywa
się wtedy bez konieczności studzenia zbiornika, a często bez całkowitego opróżnienia pieca z
metalu. Konieczny jest jedynie odpowiedni jego przechył.
Zbiornik (wanna) pieca kanałowego wykonany jest z blachy stalowej i z dodatkowo
dość oszczędnie wzmocniony żebrami. Jest on wyłożony materiałami ogniotrwałymi oraz
izolacją cieplną o składzie dostosowanym do przeznaczenia pieca. Trwałość wyłożenia części
zbiornikowej w piecach nowoczesnych wynosi 3 ÷ 6 lat [502], [644].
Piece o małych pojemnościach są przechylane w celu opróżnienia ręcznie lub
mechanicznie. Średnie i duże piece z wannami cylindrycznymi o osi pionowej przechylane są
za pomocą siłowników hydraulicznych. Przechyl pieców bębnowych następuje wokół osi
poziomej, przy czym zbiornik utrzymywany jest w łożyskach przy użyciu dwóch czopów
przymocowanych do ścian czołowych zbiornika lub przy użyciu podpór rolkowych. Stosuje się
także bezprzechyłowe sposoby pobierania metalu z pieca.
Wyposażenie elektryczne pieca obejmuje następujące ważniejsze elementy:
 transformator względnie autotransformator regulacyjny do zasilania modułów indukcyjnych
napięciem o wartości od kilkuset do tysiąca kilkuset woltów, dopasowanym do mocy
modułów indukcyjnych; przykłady najbardziej rozpowszechnionych układów zasilania
pieców przedstawione są na rys. 6.46;
 baterię kondensatorów do kompensacji mocy biernej; zwykle część kondensatorów
przyłączona jest na stałe, reszta podzielona na grupy umożliwia dopasowanie pojemności do
zmieniającego się obciążenia; stosowane układy połączeń przedstawione są na rys. 6.46;
 układ symetryzacyjny transformatorowy, indukcyjne - pojemnościowy lub z dławikiem
[548]; należy przy tym zaznaczyć, że nawet w przypadku pieca trójkanałowego nie jest
możliwe wyeliminowanie tego układu z uwagi na asymetrię mocy w kanałach także przy
pełnej napięciowej symetrii zasilania [461], [500], [501];
 aparaturę pomiarowo-kontrolną umożliwiającą sterowanie piecem i jego wyposażeniem;
kontrolowany jest w szczególności stan modułu indukcyjnego poprzez ciągły pomiar
parametrów elektrycznych, co pozwala na jego wymianę we właściwym czasie.
146
6.2. UrzÄ…dzenia indukcyjne i ich zastosowania
____________________________________________________________________________
Piece kanaÅ‚owe odznaczajÄ… siÄ™ bardzo dużą sprawnoÅ›ciÄ… elektrycznÄ… (0,90÷0,95) i na
ogół niniejszą sprawnością cieplną. Ich sprawność ogólna zależy od rodzaju topionego metalu
oraz struktury wsadu i zawiera siÄ™ w przedziale 0,60÷0,89 [89], [439], [588], [604], [652].
Współczynnik mocy tych pieców jest stosunkowo mały przy topieniu materiałów dobrze
przewodzących (dla Cu i Al - ok. 0,4) i dość duży przy topieniu materiałów gorzej
przewodzących (dla żeliwa - 0,8).
Piece indukcyjne kanałowe są jednostkami o bardzo zróżnicowanych parametrach. Do
przegrzewania żeliwa buduje się piece o maksymalnych pojemnościach 1650 Mg i mocach 15
MW [245], [313]. Maksymalne pojemności pieców do topienia są przeważnie mniejsze przy
większych mocach jednostkowych. Są to jednak wartości rzędu kilkudziesięciu megagramów,
a w przypadku żeliwa - 125 Mg, przy mocach rzędu kilku megawatów - dla największych
jednostek do topienia stopów żelaza.
Zastosowania. Piece indukcyjne kanałowe przeznaczone są do topienia (piece
topielne), do podgrzewania i korekty składu chemicznego, do przetrzymywania w stanie
nagrzanym oraz do dozowania ciekłych metali nieżelaznych i żelaznych. Piece nie prze-
znaczone do topienia często obejmuje się wspólną nazwą: piece podgrzewające. Piece
kanałowe do niedawna nie były używane do topienia metali żelaznych z uwagi na brak
materiałów na wyłożenia kanału, które wytrzymywałoby oddziaływanie żużla. Problem ten
został już opanowany i używa się ich także do topienia stali oraz różnych gatunków żeliwa.
Jako piece topielne wykazują szczególną przydatność przy niewielkich zmianach składu
wytapianych stopów, a także gdy wsad jest grubokawałkowy.
Są one stosowane w pierwszym rzędzie do topienia miedzi, cynku i stopów tych metali.
Niewielkie ilości tych metali topi się w piecach z wanną cylindryczną z jednym, pionowo
usytuowanym moduÅ‚em indukcyjnym. Piece dużych mocy majÄ… zbiorniki bÄ™bnowe i l÷4
modułów. Zbiorniki takie dają się łatwo hermetyzować, co jest szczególnie korzystne przy
topieniu czystej miedzi, ponieważ możliwa jest praca z atmosferą ochronną. Jeśli chodzi o
topienie aluminium to dla pieców kanałowych, ze względu na odkładanie się tlenków na
ścianach kanałów i wynikającą stąd konieczność ich czyszczenia, coraz większą konkurencją
stajÄ… siÄ™ piece tyglowe.
Konstrukcją o dużych zaletach - szczególnie w małych odlewniach - jest piec
dwukomorowy (rys. 6.79g). Komory są połączone dwoma ceramicznymi kanałami, a
znajdujący się w nich oraz wypełniający obie komory metal tworzą zamknięty obwód
elektryczny. Wzbudnik z rdzeniem jest zlokalizowany między komorami. Zanieczyszczenia
oraz żużel gromadzą się na powierzchni kąpieli w komorze załadowczej. Metal w komorze
czerpalnej nie jest zanieczyszczony i utrzymuje siÄ™ go w wymaganej temperaturze. Przy
niewielkim poborze metalu istnieje możliwość równoczesnego załadunku wsadu i odbioru
metalu.
Eksploatacja pieców podgrzewających związana jest z dwiema kategoriami procesów, a
mianowicie z zaopatrywaniem w metal urządzeń odlewniczych oraz z gromadzeniem metalu w
celu dopasowania stalowni pracującej w cyklu nieciągłym do odlewni pracującej w cyklu
ciągłym (praca buforowa). Oznacza to, że piece są eksploatowane w systemie  duplex", tzn.
topienie realizowane jest w piecach płomieniowych
147
6. Nagrzewanie indukcyjne
____________________________________________________________________________
lub innego rodzaju piecach elektrycznych, a w piecu kanałowym metal jest przetrzymywany
przy stałej temperaturze lub przegrzewany i pobierany niewielkimi porcjami, tak jak to wynika
z zapotrzebowania odlewni.
Do obsługi urządzeń odlewniczych stosowane są piece o bardzo zróżnicowanej
konstrukcji, ściśle dopasowane do charakteru tych urządzeń. I tak do aluminium używa się
pieców nieprzechylnych opróżnianych sprężonym powietrzem, do żeliwa - pieców
przechylnych. Pierwszeństwo daje się piecom hermetyzowanym, co podczas dłuższego
przetrzymywania metalu zabezpiecza go przed zmianą składu chemicznego.
Praca buforowa pieców kanałowych pozwala na optymalną eksploatację odlewni, a ponadto
umożliwia częściowo wyłączanie współpracujących z nimi pieców topielnych łukowych lub
indukcyjnych tyglowych w godzinach szczytów energetycznych.
Piece kanałowe omawianej kategorii umożliwiają także realizację wielkich odlewów (są
już w użyciu jednostki do żeliwa o pojemności 1650 Mg), co wymaga gromadzenia metalu z
wielu cykli wytopowych. Dość powszechną jest opinia, że indukcyjne piece kanałowe jako
podgrzewające metale nieżelazne nie mają zbyt wielkiej konkurencji [644].
Piece kanałowe pracujące w automatycznych liniach odlewniczych są często
wyposażane w dodatkowe człony dla precyzyjnego dozowania metalu. Najprostsze roz-
wiązanie wiąże się z lokalizacją otworu spustowego w dnie (piece zatyczkowe), a nawet
wyjątkowo w kanale. Inna możliwość to dozowanie pneumatyczne, polegające na do-
prowadzaniu powietrza pod ciśnieniem do części zbiornikowej pieca ze szczelną pokrywą (rys.
6.79e). Rozwiązanie to ma bardzo wiele zalet technologicznych, a w szczególności zapewnia
stabilność temperatury odlewanego metalu, możliwość jego precyzyjnego dozowania zarówno
ciągłego jak i nieciągłego [644]. Jeszcze inna możliwość polega na współdziałaniu pieca z
rynnÄ… elektromagnetycznÄ… (rys. 6.79f).
Należy wreszcie wspomnieć o tym, że indukcyjne piece kanałowe znajdują
zastosowanie w wielu procesach specjalnych, a mianowicie jako próżniowe oraz ciśnieniowe
[254], [652]. Te ostatnie, np. przy pracy z argonem, są szczególnie preferowane przy
zastosowaniu do żeliwa sferoidalnego z uwagi na zabezpieczenie przed nadmiernymi ubytkami
magnezu z kÄ…pieli [419], [479].
Wielką zaletą pieców indukcyjnych jest ich mały wpływ na środowisko. Emitują one
mniej pyłów i gazów nie tylko w porównaniu z piecami płomieniowymi lecz także z
łukowymi. Znane są nawet przykłady, że sprawne piece łukowe zastąpiono indukcyjnymi z
uwagi na lokalne ostre wymagania z zakresu ochrony środowiska [610].
6.2.4.2. Piece indukcyjne tyglowe
Zasady działania pieców indukcyjnych tyglowych (eksploatowanych przy częstotliwości
sieciowej, zwiększonej oraz wielkiej) są zbliżone do zasad odnoszących się do nagrzewnic
indukcyjnych nieprzelotowych do wsadów cylindrycznych. Podstawowa różnica wynika z
konieczności utrzymywania wsadu w obszarze wzbudnika w stanie stałym
148
6.2. UrzÄ…dzenia indukcyjne i ich zastosowania
________________________________________________________________________
Rys. 6.82. Piec induk-
cyjny tyglowy, wg [600]
1 - izolacja cieplna,
2 - wyłożenie ognio-
trwałe, 3 - menisk kąpieli
metalowej, 4 - wzbudnik,
5 - linie przepływu meta-
lu w tyglu, 6 - lej spusto-
wy
jak i ciekłym. Wiąże się to z zastosowaniem tygla (najczęściej ceramicznego), na zewnątrz
którego umieszczony jest wielozwojowy wzbudnik (rys. 6.82). Wspomniane podobieństwo
zasad działania nagrzewnicy i pieca w większym stopniu odnosi się do fazy pracy pieca z
wsadem ciekłym. W czasie gdy wsad jest całkowicie lub częściowo nieroztopiony, przy
określaniu parametrów elektrycznych tego rodzaju obciążenia należy uwzględnić specyficzny
rozkład mocy we wsadzie, dalece odbiegający od pewnej regularności mającej miejsce *przy
nagrzewaniu jednorodnych wsadów stałych. Otóż po rozpoczęciu topienia, ciepło wydziela się
w stopionym metalu gromadzącym się w dolnej części tygla oraz w kawałkach metalu powyżej
poziomu stopionego metalu. Kawałki złomu zanurzone w metalu przejmują ciepło głównie ze
stopionego metalu. Moc indukowana w  niezatopionych" bryłach metalu zależy z kolei w
bardzo dużym stopniu od ich usytuowania w kadzi, ich wymiarów, a także od częstotliwości
napięcia zasilającego wzbudnik. Spośród jednakowej wielkości kawałków złomu najszybciej
topią się te, które znajdują się w pobliżu wzbudnika, a więc i ścian tygla. Wynika to stąd, że
prądy wirowe indukują się w każdym kawałku metalu oddzielnie, zaś wartość wydzielanego w
nich ciepła zależy w znacznej mierze od lokalnego natężenia pola.
Moc wydzielajÄ…ca siÄ™ w kawaÅ‚kach zÅ‚omu zależy w takim razie od ilorazu Äk = dk / ´2
gdzie dk jest Å›rednicÄ… zastÄ™pczÄ… takich kawaÅ‚ków wsadu, a ´2 - gÅ‚Ä™bokość wnikania pola. Dla
kawałków wsadu o kształcie zbliżonym do cylindrycznego minimal-
149
6. Nagrzewanie indukcyjne
____________________________________________________________________________
na wartość Äk = 3.5 , jeÅ›li bliższe sÄ… one ksztaÅ‚towi kulistemu - Äk = 4.8 (p. 6.1.3.4). Wtedy
częstotliwość minimalna
2
ëÅ‚ öÅ‚
Äk 107
ìÅ‚ ÷Å‚
fmin = (6.247)
ìÅ‚ ÷Å‚
Ä„d2 µ2rÅ‚2
íÅ‚ Å‚Å‚
przy czym ł2 - konduktywność wsadu.
W celu umknięcia problemu niedopasowania częstotliwościowego obciążenia do
z
ródła, dobrze jest uruchamiać piec z kilkoma masywnymi elementami wsadowymi (tzw.
blokami startowymi), z których każdy ma objętość w przybliżeniu równą 0,2 objętości
znamionowej pieca. Problemy te minimalizują się przy pracy ciągłej i pozostawieniu zaczynu,
co jest w pełni uzasadnioną praktyką, ułatwiającą topienie wsadu drobnego, np. wiórów.
Rozruch pieca można także ułatwić napełniając go do 1/3 jego objętości metalem stopionym w
innym piecu. Środki te stają się zbędne przy zwiększeniu częstotliwości prądu zasilającego.
Znacznie większe podobieństwo pieca do nagrzewnicy ma miejsce w przypadku gdy
tygiel wykonany jest z materiału przewodzącego (np. z grafitu, grafito-glinu, stali, węglika
krzemu lub platyny). Tego rodzaju rozwiązania należą do kategorii specjalnych i stosowane są
do pośredniego nagrzewania indukcyjnego wsadów: nieprzewodzących w stanie stałym, o
bardzo małej rezystywności, reagujących tak, jak chociażby magnez - ze wszystkimi znanymi
materiałami ceramicznymi.
Ważnym elementem określającym działanie pieca jest droga strumienia mag-
netycznego. Główne jej fragmenty to wsad oraz przestrzeń po zewnętrznej stronie wzbudnika,
w której mogą znajdować się elementy ulegające zbędnemu nagrzewaniu. Dotyczy to
zwłaszcza elementów obudowy, w których straty ogranicza się umieszczając po zewnętrznej
stronie wzbudnika boczniki magnetyczne (rys. 6.83). Wykonane z pakietów blachy
transformatorowej, usytuowane równolegle do osi wzbudnika, boczniki przyczyniają się
ponadto do zmniejszenia prądu magnesowania, zwiększenia współczynnika mocy oraz
sprawności. Jest to tzw. konstrukcja zamknięta. Stosuje się ją głównie w piecach częstotliwości
sieciowe] oraz w piecach o dużej pojemności wsadowej pracujących przy częstotliwości
zwiększonej.
Innym sposobem zmniejszajÄ…cym straty w elementach obudowy jest ich ekranowanie
(konstrukcja ekranowana). Ekran z materiału dobrze przewodzącego umieszcza się na zewnątrz
wzbudnika, co ma tę zaletę, że umożliwia zbliżenie stalowych elementów obudowy do osi
pieca i czyni jego konstrukcję bardziej zwartą. Wadą takiego rozwiązania jest duży koszt i
trudności bezpośredniej obserwacji stanu wzbudnika. Z tych powodów nie jest ono zbyt
rozpowszechnione.
W przypadku nie stosowania jednego z dwu wymienionych rozwiązań, konieczne jest
maksymalne odsunięcie od wzbudnika stalowych elementów konstrukcyjnych, dzielenie
obudowy na części odizolowane elektrycznie, używanie do konstrukcji stali niemagnetycznej
lub metali dobrze przewodzących (konstrukcje spotykane tylko w piecach o małych
pojemnościach nazywane otwartymi).
150
6.2. UrzÄ…dzenia indukcyjne i ich zastosowania
_________________________________________________________________________
Czynnikiem wspomagającym topienie oraz procesy metalurgiczne (chemiczne) są siły
elektrodynamiczne działające na kąpiel i powodujące jej mieszanie (rys. 6.84). Maksymalna
szybkość ruchu kąpieli sięga 3 m/s. Zależy ona od geometrii pieca, gęstości wydzielanej mocy,
częstotliwości, liczby faz (sekcji) wzbudnika i od jego usytuowania względem wsadu [435],
[652]. Przy zachowaniu osiowej symetrii wsadu względem wzbudnika, cyrkulacja kąpieli w
piecu jednofazowym przebiega jak na rys. 6.82. Jest to tzw. ruch dwuobwodowy. Możliwe są
także ruchy jednoobwodowe. Tworzący się podczas cyrkulacji menisk ma wysokość
1
lm = µ0( I1wl )2 (6.248)
2Å‚2
przy czym: ł2 - ciężar właściwy ciekłego wsadu, I1 - prąd we wzbudniku, wl , - gęstość zwojów
we wzbudniku (ilość zwojów na jednostkę długości).
151
6. Nagrzewanie indukcyjne
____________________________________________________________________________
Rys. 6.84. Rozkład sił elektrodynamicz-
nych w piecu indukcyjnym tyglowym,
wg [435]
1 - wzbudnik, 2 - bocznik magnetyczny,
3 - tygiel, 4 - kąpiel metalowa, 5 - siły
objętościowe działające na powierzchnię
graniczną kąpieli (wartości średnie w
czasie)
Z zależności (6.114) wynika, że jednostkowa powierzchniowa moc czynna wnikająca do
kÄ…pieli
p2,0 = ( I1wl )2 Ä„fµ0 µ2r Á2 Fr (6.249)
gdzie Á2 - rezystywność wsadu. Wysokość menisku można wyrazić także w nastÄ™pujÄ…cych
postaciach:
p2,0 p2,0 1
µ0
-4
lm = 29.25 Å" 10-2 = 3.27 Å" 10 (6.250)
Å‚2 fÁ2 Å‚2 fÁ2
co wiąże siÄ™ z przyjÄ™ciem Fr = 0,9643 przy d2 / ´2 = 20 .
Rzeczywiste wartości lm dla wzbudników o skończonej długości są mniejsze, jednakże
towarzyszący im ruch kąpieli jest wystarczająco intensywny, by przekroczyć wartości
powodujące oprócz skutków pozytywnych, także - negatywne. Należą do nich odsłanianie
części powierzchni kąpieli metalowej wskutek spływania żużla ku ściankom (nie podlega on
działaniom sił) oraz szybsze niszczenie wyłożenia ogniotrwałego. O ile iloraz wysokości
menisku lm i gÅ‚Ä™bokoÅ›ci kÄ…pieli z pominiÄ™ciem menisku l2 przekracza 0,15 ÷ 0,20, to należy
zmniejszyć moc czynną lub zwiększyć częstotliwość, innym sposobem ograniczenia jest takie
umieszczenie wzbudnika, by jego górna krawędz
znajdowała się poniżej zwierciadła kąpieli.
Charakter krążenia kąpieli przy częściowym wypełnieniu tygla nie zmienia się [254], [652].
Typy pieców tyglowych wyróżnia się biorąc zwykle za podstawę:
 przeznaczenie: do topienia, do podgrzewania kąpieli i korekty jej składu, do prze-
trzymywania metali w stanie nagrzanym;
152
6.2. UrzÄ…dzenia indukcyjne i ich zastosowania
____________________________________________________________________________
 sposób nagrzewania: bezpośrednie czyli w tyglu ceramicznym i pośrednie - w tyglu
przewodzÄ…cym;
 rozwiązanie konstrukcyjne służące ograniczeniu strat: konstrukcja otwarta, ekranowana i
zamknięta;
 sposób zasilania: jednofazowe, dwufazowe i trójfazowe (chodzi o zasilanie samego pieca,
ponieważ urządzenie, którego piec stanowi człon grzejny jest - z wyłączeniem urządzeń
laboratoryjnych małej mocy - zawsze trójfazowe);
 rodzaj wzbudnika: jedno- i wielosekcyjny;
 częstotliwość zasilania: sieciowa, zwiększona i wielka;
 rodzaj zasilania: o stałej częstotliwości (o jednej lub dwóch f = const) i o zmiennej
częstotliwości;
 atmosferę roboczą: naturalną, kontrolowaną i próżnię.
Oprócz pieców, których działanie polega wyłącznie na indukcyjnej metodzie
nagrzewania, w użyciu są piece indukcyjno-plazmowe, indukcyjno-elektronowe i gazowo-
indukcyjne, przy czym udział ciepła wytwarzanego na drodze indukcyjnej jest bardzo
zróżnicowany.
Najbardziej typowy jest piec z bocznikami magnetycznymi, o ceramicznym tyglu
pionowym ze wzbudnikiem jednosekcyjnym, jednofazowym, zasilany prÄ…dem o jednej
częstotliwości i pracujący z atmosferą naturalną. Piece dwu- i trójfazowe stosowane są w
procesach wymagających intensywnego mieszania kąpieli, piece dwuczęstotliwościowe -
incydentalnie w technologiach obejmujących roztapianie oraz obróbkę ciekłego wsadu, np. pod
żużlami lub w próżni [652]. W takich przypadkach roztapianie realizowane jest przy
częstotliwości l kHz, pozostałe procesy - przy 50 Hz. Zasilanie o stałej częstotliwości
realizowane jest z sieci, magnetycznych mnożników częstotliwości i generatorów
maszynowych. Zasilanie o zmiennej częstotliwości możliwe jest przy korzystaniu z
przemienników półprzewodnikowych w warunkach samoczynnego dopasowywania się
częstotliwości obwodu rezonansowego do zmieniającego się obciążenia. Piece ze wzbudnikami
dwusekcyjnymi stanowią jedno z możliwych rozwiązań służących do zmniejszenia wysokości
menisku (wsad stały nagrzewany jest w nich przy włączonej sekcji dolnej oraz zawierającej ok.
20% zwojów sekcji górnej, którą wyłącza się po roztopieniu wsadu) [652]. We wzbudniki
wielosekcyjne wyposaża się piece uniwersalne, tzn. przeznaczone do topienia oraz do
podgrzewania i przetrzymywania metali [644]. Piece próżniowe eksploatowane są przy
ciÅ›nieniach rzÄ™du 10-5 ÷ 101 Pa, a ich pojemnoÅ›ci zawierajÄ… siÄ™ w przedziale od kilku
kilogramów do kilkudziesięciu megagramów [208], [321].
Konstrukcje mniej rozpowszechnione to piece: kołpakowe - wyposażone w ruchomy
wzbudnik opuszczany z góry na tygiel (zwykle grafitowy) i przeznaczone do topienia miedzi i
jej stopów [355]; z tyglem usuwalnym - wyposażone w ruchomy trzon pozwalający na
wysunięcie tygla ku górze i jego zamianę na inny [254]; z krótkim wzbudnikiem - do
gromadzenia i utrzymywania kąpieli w stałej temperaturze, a także jej przegrzewania [652]; z
tyglem zimnym - do topienia metali wysoce reaktywnych,
153
6. Nagrzewanie indukcyjne
____________________________________________________________________________
o dużej czystości i stopów specjalnych [583], [693]; do nagrzewania metodą pośrednią w
tyglach przewodzących - np. szkła (6151 oraz piece o skojarzonej technice nagrzewania
(indukcyjno-plazmowe [619], indukcyjno-elektronowe [501 ], indukcyjno-paliwowe [652].
Wzbudnik. Jest to podstawowy element we wszystkich typach pieców indukcyjnych, a
wykonuje siÄ™ go w postaci wielozwojowej, jednowarstwowej cewki cylindrycznej z przewodu
w kształcie rurki miedzianej o przekroju prostokątnym, kwadratowym, owalnym bądz

mieszanym. W piecach o częstotliwości sieciowej ścianka rurki od strony tygla ma większą
grubość (patrz rys. 6.3). Przewód jest oddzielony od tygla warstwą izolacji elektrycznej stałej
(w nowych rozwiÄ…zaniach bezazbestowej [361]) lub warstwÄ… powietrza (tylko w piecach o
małej pojemności i przy niskich napięciach zasilających). Jest on izolowany na całej długości
oplotem złożonym z kilku warstw materiałów ektroizolacyjnych, zwykle impregnowanych i
pokrytych lakierem. Stosuje się także betony korundowe, masy epoksydowe lub poliestrowe,
tworzÄ…ce z uzwojeniem konstrukcje monolityczne (rys. 6.85). Rzadziej nieizolowane zwoje
dystansuje się przekładkami elektroizolacyjnymi.
Wysokość wzbudnika l1 leży od przeznaczenia pieca. W piecach do topienia oraz
uniwersalnych l1 / l2 H" 1.0 ÷ 1.4 , przy czym mniejsze wartoÅ›ci odnoszÄ… siÄ™ do pie-
Rys. 6.85. Izolacja monolityczna wzbudnika pieca indukcyjnego tyglowego, wg [254], [623]
1 - przewód wzbudnika, 2  emalia elektroizolacyjna, 3 - mieszanina poliestrowa, 4 - tkanina
azbestowa, 5 -tkanina z włókna szklanego, 6 - silikonowy materiał uszczelniający, 7  tkanina z
włókna szklanego nasycona smołą, 8 - mikanit, 9 - arkusze azbestowe, 10 - wykładzina ogniotrwała
tygla
154
6.2. UrzÄ…dzenia indukcyjne i ich zastosowania
____________________________________________________________________________
ców o dużej pojemności wsadowej. W piecach do podgrzewania i przetrzymywania stosuje się
wzbudniki krótkie (l1 / l2 H" 0.15 ÷0.25 ), zlokalizowane u doÅ‚u tygla. Z kolei
d2 / l2 = ad = 0.5 ÷1.1, przy czy im wiÄ™ksza pojemność tygla tym iloraz ten jest wiÄ™kszy. W
piecach uniwersalnych stosuje siÄ™ wzbudniki wielosekcyjne (rys. 6.86), przy czym dwie sekcje
aktywne mogą być połączone szeregowo, mogą też pracować niezależnie przy zasilaniu ze
z
ródÅ‚a o regulowanej czÄ™stotliwoÅ›ci (zwykle 60 ÷ 250 Hz). Sprawność elektryczna takiego
rozwiÄ…zania przewyższa o 10 ÷ 15% ukÅ‚ady ze wzbudnikiem krótkim [420].
Rys. 6.86. Piec indukcyjny tyglowy dużej pojemności ze wzbudnikiem trój sekcyjny m, wg [644]: a) topienie,
b) przetrzymywanie, c) topienie i przetrzymywanie
A - część aktywna wzbudnika (zasilana i chłodzona), K - część pasywna wzbudnika (tylko chłodzona)
Tygiel jest podzespołem pracującym w bardzo trudnych warunkach, a mianowicie w
temperaturach do 1600°C, przy erozyjnym i korodujÄ…cym oddziaÅ‚ywaniu ciekÅ‚ego wsadu oraz
znacznym obciążeniu mechanicznym. Grubość ścianek tygla powinna być jak najmniejsza,
wtedy sprawność elektryczna i współczynnik mocy są duże. Duże są wtedy także straty
cieplne, mniejsze sprawność cieplna i wytrzymałość mechaniczna tygla. Z powyższego
wynika, że wybór grubości ścianek tygla musi być wynikiem kompromisu.
Wyłożenie tygla powinno charakteryzować się dużą ogniotrwałością pod obciążeniem,
niewielką liniową rozszerzalnością cieplną, dużą wytrzymałością mechaniczną, odpornością na
erozję, małą przewodnością cieplną właściwą, odpornością na reakcje chemiczne z ciekłym
wsadem, żużlem i zanieczyszczeniami [652]. Przy topieniu metali - ze względu na wymagania
metalurgiczne - stosowane są trzy rodzaje wyłożenia: kwaśne, zasadowe i obojętne.
Najbardziej rozpowszechnioną techniką wykonywania tygla jest ubijanie materiałów
wyjściowych bezpośrednio w piecu z użyciem odpowiednich szablonów, a następnie ich
spiekanie przy wykorzystaniu wzbudnika, szablonu i umieszczonego w nim wsadu stałego.
Spieka się także materiał tygla przy zastosowaniu ciekłego wsadu stopionego w innym piecu,
przy użyciu palników na paliwo gazowe .lub ciekłe. W dużych piecach wyłożenie bywa
wykonywane z kształtek, na które napylą się plazmowo kilka warstw materiału ogniotrwałego.
Tygle wymienne formuje się różnymi metodami na zewnątrz pieca.
155
6. Nagrzewanie indukcyjne
____________________________________________________________________________
Trwałość tygli w piecach indukcyjnych zależy od bardzo wielu czynników i zawiera się
w przedziale od kilku tygodni do wielu miesięcy. Wykonanie nowego tygla wymaga usunięcia
zużytego. Jedną z najbardziej efektywnych technik jest mechaniczne wyciskanie całego tygla,
bez konieczności rozbijania wyprawy, niosącej zawsze ze sobą niebezpieczeństwo uszkodzenia
wzbudnika. Technika ta może być stosowana w piecach o pojemnościach nawet do 50 Mg
[710].
Åšrednia Å›rednica tygla (jego Å›cianki wewnÄ™trzne nachylone sÄ… pod kÄ…tem 2 ÷ 5°)
4ad m2
d2 = (6.251)
Ä„Á2
przy czym: m2 - pojemność tygla, Á2 - masa wÅ‚aÅ›ciwa ciekÅ‚ego wsadu, ad - stosunek Å›rednicy
wsadu d2 do jego wysokości l2.. Głębokość tygla
l1 e" l2 + lm (6.252)
gdzie /m jest wysokością menisku.
Przy wymiarowaniu tygli powinna być przyjÄ™ta wartość d2 / ´2 e" Äk , gwarantujÄ…ca
dużą sprawność elektryczną (d2 jest przy tym średnią średnicą ciekłego wsadu, a więc także
tygla). Z warunku tego wynika minimalna średnica tygla
1
d2,min H" 503.29Äk (6.253)
fł2
oraz minimalna jego pojemność (w kg)
1.5
( d2 / ´2 )3 108 ëÅ‚ öÅ‚
1
ìÅ‚ ÷Å‚
m2,min H" (6.254)
ad ìÅ‚ fÅ‚2 ÷Å‚
íÅ‚ Å‚Å‚
przy czym ł2 jest konduktywnością roztopionego wsadu w temperaturze końcowej.
Tygiel ma pokrywę wyłożoną najczęściej lejnym materiałem ogniotrwałym wiązanym
chemicznie [254].
W celu zapobiegania awariom wskutek uszkodzenia lub zużycia wyłożenia og-
niotrwałego tygla oraz uzyskania bieżącej informacji o jego stanie, stosuje się układy kontrolne
polegające na pomiarze rezystancji ścianek tygla, prądu upływu, prądu między elektrodami
cylindrycznymi umieszczonymi w izolacji oddzielajÄ…cej tygiel od wzbudnika i in. [254], [652].
Ponadto w dno tygla wbudowana jest elektroda uziemiająca kąpiel, połączona z obudową
pieca.
Wyposażenie pieców tyglowych jest zróżnicowane i ma związek w pierwszym rzędzie
z ich pojemnością wsadową i przeznaczeniem. Piec wyposaża się zawsze w człon
156
6.2. UrzÄ…dzenia indukcyjne i ich zastosowania
____________________________________________________________________________
zasilający, bardzo często w mechanizm przechyłu, mechanizm otwierania pokrywy, układy
chłodzenia, układy pomiarowo-sterujące. Coraz częściej piece o dużych pojemnościach
wyposażone są w układy zbierające żużel i rekuperacji ciepła.
Ogólna charakterystyka członów zasilających pieca tyglowego przedstawiona jest w p.
6.2.3. Wynika z niej, że zasilanie pieców częstotliwości sieciowej odbywa się za
pośrednictwem transformatorów regulacyjnych obniżających, autotransformatorów oraz
transformatorów o stałej przekładni z tyrystorowymi regulatorami napięcia. Równolegle do
wzbudnika włączona jest bateria kondensatorów do kompensacji mocy biernej (bez
kompensacji cos cos Ć = 0.15 ÷ 0.30 , a wiÄ™c jest mniejszy niż w piecach kanaÅ‚owych). Przy
małych mocach pieców, wzbudnik z baterią kondensatorów są często włączane bezpośrednio
do sieci.
W celu lepszego dopasowania napięciowego wzbudnika do z
ródła zasilania bywają
stosowane dodatkowe układy połączeń wg rys. 6.87. W układzie autotransformatorowym (rys.
6.87a) z
ródło o napięciu Us (sieć lub transformator piecowy) przyłączone jest do części
wzbudnika, bateria kondensatorów kompensacyjnych C do całego wzbudnika. W rezultacie
napięcie na wzbudniku jest większe od napięcia z
ródła. W układzie z dodatkowym
transformatorem WT jego uzwojenie wtórne jest połączone szeregowo z obwodem
rezonansowym wzbudnik - kondensatory C. Zmiana napięcia dokonywana jest przez zmianę
biegunowości uzwojenia wtórnego [254].
Rys. 6.87. Dodatkowe układy dopasowania napięciowego wzbudnika i z
ródła zasilania, wg [254]: a) układ
autotransformatorowy, b) układ z dodatkowym transformatorem
Us - napięcie sieci lub transformatora piecowego, Ud - napięcie na zaciskach uzwojenia wtórnego
transformatora dodatkowego, W - wzbudnik, C - kondensator kompensacyjny, WT - transformator
dodatkowy
Przeważająca część pieców częstotliwości sieciowej, wraz z bateriami kondensatorów i
ewentualnymi dodatkowymi układami regulacyjnymi, to odbiorniki jednofazowe wymagające
wyposażenia ich w układy symetryzujące. Bateria kondensatorów ma część regulacyjną
umożliwiającą utrzymywanie cos Ć na wymaganym poziomie przy zmieniającym się
obciążeniu (rys. 6.47). Warto przy tym zauważyć, że gdy moc bierna równa jest połowie mocy
czynnej, cos Ć H" 0.9 . Jeśli urządzenia symetryzujące mają pracować skutecznie, cos Ć musi być
bliski l, a zmiana jego wartości o 0,1 wymaga dużej zmiany mocy biernej (p. 6.1.3.5).
157
6. Nagrzewanie indukcyjne
____________________________________________________________________________
Regulacja pojemności jest także konieczna przy zasilaniu z magnetycznych mnożników
częstotliwości i generatorów maszynowych. Warto przy tym pamiętać, że generator
maszynowy podczas przełączania baterii kondensatorów musi być odwzbudzony, czyli
przerywa się dopływ energii do wsadu zaś cała moc pobierana z sieci zużywana jest na
pokrycie strat. Tego rodzaju operacja powtarzana jest podczas wytopu 10 ÷ 20 razy, zakłócajÄ…c
go istotnie i pogarszajÄ…c czas wykorzystania urzÄ…dzenia. Eliminuje siejÄ… przez korzystanie z
zasilaczy półprzewodnikowych, ponieważ uzyskanie stanu rezonansu odbywa się przez zmianę
częstotliwości f przy stałej pojemności C.
Ważnym kryterium doboru częstotliwości znamionowej zasilacza jest intensywność
ruchu ciekłego wsadu. Wzrasta ona z mocą i maleje z częstotliwością, podobnie jak jeden z
efektów tego ruchu, tzn. wysokość menisku (wzór 6.248). Ze wzoru tego wynika, że
zachowując stałą wysokość menisku lm i zwiększając częstotliwość f, przy niezmienionej
pojemności tygla, można zwiększyć moc pieca lub zmniejszyć pojemność wsadową przy
utrzymaniu mocy na niezmienionym poziomie. I tak, jeśli graniczna moc pieca o pojemności
np. 5 Mg równa jest 1500 kW przy częstotliwości sieciowej, to można ją zwiększyć do 3550
kW przy 250 Hz.
Rys. 6.88. Maksymalne moce indukcyjnych pieców tyglowych w warunkach intensywnego ruchu metalu
określonego wysokością menisku lm = 0.15l2 (zalecane częstotliwości prądu w obszarze ograni-
czonym krzywymi kreskowymi)
Zakładając, że wysokość menisku lm nie może przekroczyć 0.15l2 , największa moc pieca z
tyglem o średnicy d2,min przy wysokości wsadu l2 wynosi
P2,max = p2,0 Ä„d2,min l2
158
6.2. UrzÄ…dzenia indukcyjne i ich zastosowania
____________________________________________________________________________
Maksymalne moce jednostkowe pieców do topienia żeliwa i stali określone przy wyko-
rzystaniu (6.247) dla warunków: lm = 0.15l2 , d2 / ´2 = 6 ÷ 10, d2 / l2 = 0.5 ÷ 1.1 przedstawia
rys. 6.88.
W użyciu są układy zasilania pozwalające w optymalny sposób wykorzystać będącą do
dyspozycji moc w warunkach bardzo dużych zmian impedancji obciążenia, wynikających
zarówno ze zmiany właściwości wsadu podczas topienia, jak ze wzrostu, średnicy tygla
wskutek zużywania się jego wyłożenia (rys. 6.89). Istota tych rozwiązań polega na możliwości
połączenia wyjść dwóch jednakowych przekształtników tyrystorowych, zasilających dwa
jednakowe piece, z których każdy wyposażony jest we własną baterię kondensatorów. Zespół
takich urządzeń może być eksploatowany w dwojaki sposób: niezależna praca dwóch urządzeń,
z których każde pobiera moc P1 lub praca obu
Rys. 6.89. Układ tandemowy pieców indukcyjnych tyglowych o zwiększonej częstotliwości, wg [716]
1 - sieć wysokiego napięcia, 2 - wyłączniki, 3 - transformatory, 4 - prostowniki, 5 - dławiki, 6 -
przełączniki, 7 - baterie kondensatorów, 8 - piece
159
6. Nagrzewanie indukcyjne
____________________________________________________________________________
układów zasilających jeden piec przy mocy zwiększonej do wartości 1.5P1. W tym drugim
przypadku piec współpracuje z 24 - pulsowym układem prostownikowym, w pierwszym zaś
każdy z pieców - z układem 12 - pulsowym. Przy pracy tylko jednego pieca, w drugim
wykonywane są czynności nie wymagające dostarczania mocy grzejnej. W użyciu są także
układy tandemowe 24 - pulsowe do naprzemiennej pracy obu pieców z 0,5 sekundowymi
przerwami na ich bezstykowe przełączanie [505], [716].
Innymi czynnikami, które muszą być brane pod uwagę przy doborze wyposażenia
elektrycznego pieca są napięcie i prąd wzbudnika. Napięcie jest limitowane wymogami
wieloletniej bezuszkodzeniowej wytrzymałości izolacji wzbudnika. Stąd też dla mniejszych
pieców przyjmuje się 1000 V, zaś dla dużych 3000 V jako wartości zbliżone do granicznych
[421]. PrÄ…d wzbudnika i zwiÄ…zana z nim moc sÄ… w istocie rzeczy ograniczone dopuszczalnÄ…
temperaturą elementów wiodących strumień magnetyczny (boczników) i stąd graniczne
wartości mocy mogą być mniejsze od określonych zależnością (6.254).
Ważnym członem wyposażenia pieca tyglowego jest mechanizm przechyłu. Małe piece
o pojemnościach od kilku do kilkudziesięciu kilogramów przechylane są ręcznie lub za pomocą
mechanizmu napędzanego silnikiem elektrycznym, a także z użyciem wciągnika. Duże piece
przechylane są przy użyciu siłowników hydraulicznych, przy czym oś obrotu zlokalizowana
jest w pobliżu rynny spustowej, co pozwala na opróżnianie pieca bez przemieszczania kadzi
odbiorczej. Maksymalny kÄ…t przechyÅ‚u przy spuÅ›cie wynosi 90 ÷ 100°. Przy dwustronnym
przechylaniu pieca, np. w celu ściągnięcia żużli, stosowane są dwie pary siłowników
hydraulicznych. Ręcznie lub hydraulicznie odchyla się także pokrywy tygli [652]. Bardzo
rzadko używane są piece ze stałym otworem spustowym, znajdującym się w ściance bocznej
tygla, te piece nie wymagają mechanizmów przechyłu. Są one przeznaczone do pracy ciągłej z
cylindryczną-poziomą wanną, objętą wzbudnikiem o osi poziomej [254], [652].
Układy chłodzenia stanowią istotny składnik wyposażenia pieca. Wodą chłodzi się
przede wszystkim wzbudnik, który dzieli się w tym celu na kilka niezależnych sekcji. Pozwala
to zmniejszyć ciÅ›nienie wody chÅ‚odzÄ…cej. Temperatura wody dolotowej wynosi ok. 30°C, co
eliminuje tworzenie siÄ™ kondensatu na wzbudniku. Temperatura wody odlotowej jest
ograniczona do 50 ÷ 70°C. Znane sÄ… propozycje chÅ‚odzenia przy temperaturze wody
przekraczającej punkt wrzenia. Ułatwia to wykorzystanie wody do celów technologicznych,
umożliwia zwiększenie mocy i wydajności pieca przy minimalnych zmianach konstrukcyjnych
(zwłaszcza inny rodzaj izolacji wzbudnika). Powyżej, a w piecach o dużej pojemności także
poniżej części aktywnej wzbudnika umieszczone są dodatkowe zwoje lub pierścienie
chłodzące, gwarantujące równomierne chłodzenie tygla na całej wysokości. W piecach
większej mocy wodą chłodzi się także przyrządy półprzewodnikowe prostownika i falownika
oraz elastyczne kable doprowadzające prąd do wzbudnika. Powietrzem lub wodą chłodzi się
kondensatory, powietrzem - boczniki magnetyczne. Chłodzony bywa także transformator
piecowy. Chłodzenie wodne realizowane jest w obiegu zamkniętym.
Układy pomiarowo-sterujące pieców tyglowych są zróżnicowane głównie z uwagi na
odmienne sposoby ich zasilania. Piece częstotliwości sieciowej są wyposażo-
160
6.2. UrzÄ…dzenia indukcyjne i ich zastosowania
____________________________________________________________________________
ne w automatykę umożliwiającą regulację napięcia pod obciążeniem, utrzymywanie cos Ć z
żądanym maksymalnym odchyleniem (np. 3%) oraz utrzymywanie prądowej symetrii
obciążenia sieci trójfazowej także z zadaną dokładnością (np. 5%). Liczba stopni pojemności w
baterii kondensatorów jest duża (kilkadziesiąt) i w rozwiązaniach nowych do ich przełączania
używa się tyrystorów.
Przy zasilaniu pieca z generatora maszynowego nie ma oczywiście potrzeby,
symetryzacji obciążania sieci, natomiast stosuje się przełączanie pojemności oraz regulację
wzbudzenia generatora. Ten rodzaj zasilania nie należy do rozwojowych i dlatego układy
automatyki pieców wyposażonych w generatory maszynowe mają na ogół mało elementów
nowoczesnych. W najbardziej zaawansowane systemy sterowania komputerowego wyposaża
się piece zasilane z tyrystorowych oraz tranzystorowych przemienników częstotliwości. Wiele
z tych systemów ma oczywiście charakter uniwersalny i znajduje zastosowanie także przy
sterowaniu piecami częstotliwości sieciowej. Jest regułą, że systemy zaawansowane
umożliwiają sterowanie przede wszystkim samym falownikiem (sterowanie zaworami, rozruch
falownika, wyłączanie falownika, zabezpieczenia nadnapięciowe i nadprądowe, wykrywanie
zwarć i przekroczenia dopuszczalnej częstotliwości roboczej oraz szereg funkcji
informacyjnych) [438]. Spośród funkcji o charakterze uniwersalnym trzeba wymienić:
 określanie współzależności między masą ładowanego wsadu, zapotrzebowaniem na energię
i temperaturę wsadu, a także sterowanie jej przebiegiem w czasie (bezpośrednie pomiary
temperatury w piecu sÄ… ograniczone);
 kontrolę poboru mocy, temperatury wsadu, temperatury czynników chłodzących i korelację
tych wielkości;
 sterowanie przebiegiem załadunku, topienia, przegrzewania i utrzymywanie wsadu w
zadanej temperaturze i in.;
 sprawozdawczość.
IstniejÄ… specjalne programy sterujÄ…ce procesem spiekania tygla oraz pierwszymi wytopami,
ponieważ różnią się one zasadniczo od wytopów standardowych. Przy bardzo dużych mocach
jednostkowych, szybkości nagrzewania są rzędu 50 K/min i w takich przypadkach sterowanie
bez użycia systemów komputerowych staje się problematyczne, [371 ], [495], [639], [716].
Z innych członów stanowiących wyposażenie pieców tyglowych warto wymienić coraz
częściej stosowane układy rekuperacji ciepła z wody chłodzącej (rys. 6.67) oraz służące do
odsysania i odprowadzania gazów, dymów oraz pyłów, zarówno przy otwartej, jak i zamkniętej
pokrywie [254].
Zastosowania. Piece tyglowe stosowane są głównie do topienia, podgrzewania, korekty
składu i przetrzymywanie metali żelaznych i nieżelaznych. Rzadziej używa się ich do topienia
niemetali, np. szkła i to przeważnie przy użyciu tygli przewodzących, w których topi się także
metale szlachetne i magnez. Cecha charakterystyczną procesów metalurgicznych
przebiegających w piecach tyglowych jest niewysoka temperatura żużla, który nagrzewa się od
metalu, a nie - jak w piecu Å‚ukowym - od Å‚uku o temperaturze
161
6. Nagrzewanie indukcyjne
____________________________________________________________________________
znacznie wyższej niż kąpiel. Z tego względu, niektóre reakcje metalurgiczne w procesach
wytapiania stopów żelaza, zachodzące pomiędzy żużlem i kąpielą (odfosforowanie i
odsiarczanie) są bardzo utrudnione i ograniczone do wynikających z wprowadzania dodatków
stopowych oraz rafinacji. Z kolei intensywne mieszanie metalu sprzyja homogenizacji oraz
ułatwia wydzielanie się zawiesin i produktów odtleniania ze stali, nawet bez jej przygotowania.
Piece tyglowe - jako wytopowe - stosowane są dlatego najczęściej do wytwarzania metali
żelaznych metodą przetapiania [208], [254]. Dużą konkurencją są dla nich obecnie urządzenia
do metalurgii pozapiecowej. Ważną pozycję zajmują natomiast piece tyglowe w odlewniach,
jako wygodne i sprawne urządzenia do szybkiego przygotowania porcji ciekłego metalu [694].
Dotyczy to w szczególności ich wykorzystania przy pracy w systemie duplex z żeliwiakiem, a
także z piecem łukowym. W odlewniach wykorzystuje się je głównie do wytapiania i
podgrzewania różnych gatunków żeliwa, a zwłaszcza żeliwa szarego. Wytwarza się z tych
metali wysokiej jakości odlewy o najwyższym stopniu komplikacji, a w tym także
cienkościenne.
Piece tyglowe zyskują na znaczeniu kosztem pieców kanałowych w zastosowaniach
obejmujących podgrzewanie i przetrzymywanie metali. Z uwagi na możliwość łatwego
dopasowania mocy do rodzaju procesu, mogą być wykorzystywane w podwójnej roli: do
topienia i przetrzymywania metali (patrz wzbudnik sekcjonowany na rys. 6.86) [644], [420].
Ważną rolę piece tyglowe spełniają w przetwórstwie aluminium, miedzi i jej stopów.
Coraz bardziej wzrasta zakres zastosowań pieców zwiększonej częstotliwości do topienia
aluminium. Wynika to ze znacznego ograniczenia zgaru metalu. O roli tych pieców w
przetwórstwie metali nieżelaznych świadczą ich pojemności wsadowe podane w tabl. 6.5.
Tablica 6.5. Wielkości charakteryzujące przemysłowe piece indukcyjne tyglowe do topienia metali [440]1)
Rodzaj topionego Maksymalna Pojemność Moc Przelotność Zużycie
metalu temperatura Tygla znamionowa właściwe
wsadu pieca Energii
0
C Mg kW Mg/h kW·h/Mg
Stal 1600 0.5÷150 90÷40000 0.1÷70 650÷550
Å»eliwo 1500 0.5÷60 90÷20000 0.1÷35 600÷520
Miedz
1200 0.5÷70 150÷12000 0.3÷30 500÷340
MosiÄ…dz (60% Cu) 1000 0.5÷70 150÷12000 0.5÷40 320÷240
Aluminium 750 0.2÷25 80÷6000 0.1÷12 650÷480
1) Piece przeznaczone wyłącznie do pracy zbiornikowej (podgrzewanie, przetrzymywanie) mają moce
wielokrotnie mniejsze niż piece do topienia oraz do pracy uniwersalnej.
O wyborze pomiędzy piecem kanałowym i tyglowym coraz częściej rozstrzyga się
biorąc za punkt wyjścia oddziaływanie metalu na ceramikę modułu indukcyjnego. Przy takim
podejściu przewagę zyskuje piec tyglowy. Z kolei piec kanałowy łatwiej
162
6.2. UrzÄ…dzenia indukcyjne i ich zastosowania
____________________________________________________________________________
dostosować do wymogów metalurgicznych uniezależniając się w dużym stopniu od modułu
indukcyjnego, który stanowi element znacznie słabiej elektrycznie związany z tyglem niż
wzbudnik pieca tyglowego.
Ze wspomnianych innych zastosowań warto ponownie zwrócić uwagę na topienie szkła
- technologię, w której piece tyglowe znajdują coraz bardziej znaczące miejsce. Chodzi
oczywiście o szkła specjalne, które od dawna topi się w piecach z tyglami platynowymi, lecz z
perspektywami zastąpienia ich tyglami ceramicznymi. Niezbędne częstotliwości robocze są
jednak duże: 250 ÷ 400 kHz, co m.in. praktycznie eliminuje ruch kÄ…pieli [533].
Piece indukcyjne tyglowe charakteryzujÄ… siÄ™:
 dużą niezawodnością eksploatacyjną,
 energooszczędnością,
 bardzo dużą sprawnością, zarówno przy pracy z całkowitym jak i częściowym
wypełnieniem tygla,
 łatwością szybkiego uruchomienia,
 prostymi zasadami eksploatacji,
 niewielkim obciążeniem środowiska,
 łatwością optymalnego wykorzystania ich możliwości w czasie całego procesu,
 dużą dowolnością sposobu eksploatacji (od pracy cyklicznej do niby-ciągłej),
 łatwością szybkiej zmiany składu wsadu i uzyskiwania założonych właściwości stopów,
 jednorodnością kąpieli przez regulację jej ruchu,
 możliwością uzyskiwania temperatury końcowej kąpieli z niewielkimi odchyleniami od
wartości założonej,
 możliwością topienia w próżni [482],
 maÅ‚ym zgarem metalu (0,5 ÷ 1,0%, a w żeliwiakach 4 ÷ 7%),
 łatwością obsługi przez nieliczny personel.
6.2.4.3. UrzÄ…dzenia do indukcyjnego topienia beztyglowego
Oprócz urządzeń indukcyjnych wyposażonych w piece przeznaczone do topienia, pod-
grzewania lub utrzymywania w stanie nagrzanym ośrodków ciekłych - zwłaszcza metali, w
użyciu są urządzenia, które wykorzystuje się do tych procesów, bez umieszczania wsadu w
tyglu. Do kategorii tej należą urządzenia do topienia lewitacyjnego, przetapiania strefowego,
topienia indukcyjnego przy produkcji szkła metalicznego oraz dogrzewania ciekłej stali w
procesach jej ciągłego odlewania.
Topienie lewitacyjne realizuje się umieszczając wsad w kształcie zbliżonym do kuli we
wzbudniku dwuczęściowym, jak to przedstawia rys. 6.90a. Pole magnetyczne wytwarzane
przez prąd wzbudnika i współdziałające z nim pole wytwarzane przez prądy wirowe we
wsadzie, powodują unoszenie wsadu bez kontaktu ze wzbudnikiem (lewitacja). Równocześnie
wsad jest nagrzewany i topiony, utrzymując kształt określony siłami zewnętrznymi i napięciem
powierzchniowym. Rafinacja jest wynikiem działania sił od-
163
6. Nagrzewanie indukcyjne
____________________________________________________________________________
środkowych spowodowanych wirowaniem wsadu wskutek działania pola magnetycznego.
Proces ten odbywa się w próżni lub w atmosferze ochronnej. Częstotliwość pola zasilającego
od kilkuset kiloherców do 1 MHz, maksymalne moce urządzeń  kilkanaś-
Rys. 6.90. Przykłady urządzeń do indukcyjnego topienia beztyglowego, wg [35-], [371]: a) topienie lewitacyjne
(wzbudnik dwuczęściowy i jego połączenie); przetapianie strefowe; c) wyciąganie monokryształów
164
6.2. UrzÄ…dzenia indukcyjne i ich zastosowania
____________________________________________________________________________
cie kilowatów. Technika ta stosowana jest do topienia niewielkich ilości specjalnych stopów,
niekiedy ze śladowymi domieszkami różnych pierwiastków, co wyklucza jakikolwiek kontakt
z tyglem. MetodÄ… tÄ… pozyskuje siÄ™ bardzo specjalne stopy, m.in. AuAl2, TiAl3, Ni4W, B4C, UC
oraz wiele innych z dodatkiem tak rzadkich pierwiastków jak dysproz, europ, lutet, gadolin,
hafn, samar i in, [350], [704].
Przetapianie strefowe ma na celu rafinacje w procesach produkcji monokryształów
metali i materiałów półprzewodnikowych. Zasadę urządzenia do przetapiania strefowego w
układzie pionowym przedstawia rys. 6.90b. We wsadzie w kształcie pręta wytwarza się w
strefie wzbudnika obszar stopionego materiału. Pręt ten, będąc w ruchu obrotowym, jest z
niewielką prędkością podnoszony i opuszczany względem nieruchomego wzbudnika. Stopiony
wsad utrzymuje się stabilnie między dwiema częściami pręta pozostającymi w fazie stałej. Jest
to możliwe dzięki napięciu powierzchniowemu oraz siłom wywołanym oddziaływaniem
między prądem wzbudnika i prądami wirowymi we wsadzie. Faza ciekła wsadu nie ma
kontaktu z żadnym innym materiałem, a proces przebiega w wysokiej próżni lub w atmosferze
technologicznej o dużym ciśnieniu (np. przy przetapianiu InP, GaP). W ten sposób możliwa
jest segregacja zanieczyszczeń (cięższe zostają przesunięte do dolnej części pręta, lżejsze do
części górnej. Po zakończeniu procesu przetapiania, końce pręta ze zgromadzonymi w nich
zanieczyszczeniami zostają odcięta. Tak rafinuje się m.in. pręty krzemu o długości l m i
średnicy 80 mm. W technologii tej stosowane są częstotliwości od kilkuset kiloherców do kilku
megaherców zaś moce urządzeń osiągają 50 kW [56], [639], [647].
W procesie produkcji szkła metalicznego (stopów amorficznych) metodą chłodzenia ze
stanu ciekłego, czyli praktycznie jedyną mającą wartość przemysłową, stop przed gwałtownym
wytłoczeniem go gazem obojętnym ze zbiornika kwarcowego na szybko wirujący, chłodzony
do -259°C, miedziany cylinder, nagrzewany jest indukcyjnie. Cylindryczny zbiornik kwarcowy
umieszczony jest w kilkuzwojowym wzbudniku tuż nad wirującym bębnem.
Jedną z najbardziej nowoczesnych technologii jest indukcyjne dogrzewanie ciekłej stali
w urządzeniach do jej ciągłego odlewania (COS). Technologia ta eliminuje trudności
wynikające z nieregularnego odbioru stali i innych zakłóceń utrudniających utrzymanie stałych
parametrów odlewania stali [549]. Zwykle wzbudnik umieszcza się na kształtce ceramicznej
Å‚Ä…czÄ…cej kadz
pośrednią z krystalizatorem. Stosuje się częstotliwości zwiększone.
Na zakończenie warto też wspomnieć o interesującym zastosowaniu nagrzewania
indukcyjnego przy wyciąganiu monokryształów (głównie materiałów półprzewodnikowych o
średnicach do 150 mm) metodą Czochralskiego (rys. 6.90c). Zasilanie wzbudników - ze z
ródeł
wielkiej czÄ™stotliwoÅ›ci (1,5 ÷3,0 MHz) przy mocach do 100 kW [371].
165