Намагничивание ферромагнитной шихты при индукционном нагреве

Приведен анализ намагничивания и нагрева ферромагнитной шихты в тиглях индукционных печей двух видов. В индукторных печах шихта намагничивается вертикальным электромагнитным потоком, а в электромагнитных печах с изогнутым U-, С- или О-образным магнитопроводом (МПр) – горизонтальным потоком. Показана недостаточная изученность этих во многом общих процессов намагничивания. Отражена важность магнитной индукции В_i в материале шихты. Раскрыты трудности определения этого параметра при намагничивании одиночного куска шихты и связанных с ним других магнитных величин: индукции В_м и напряженности Н_м размагничивающего поля, коэффициента размагничивания N, намагниченности М, магнитных проницаемостей вещества μ_i и тела μ_т, восприимчивости k_m и др. Трудности возрастают при намагничивании шихты, являющейся пористым телом с объемом V_т тигля и коэффициентом заполнения K _v ≤ 0,5 этого объема ферромагнитными кусками. Оно также создает размагничивающее поле с индукцией В_мпт и напряженностью Н _мпт. Кроме того, поры оказывают дополнительное размагничивающее действие. Поэтому индукция В_iпт в пористом теле меньше индукции В_i в сплошном теле. Для сравнения намагничивания ферромагнитной шихты горизонтальным и вертикальным потоками частотой 50 Гц проведены моделирующие опыты с образцами неуплотненной дроби ДСЛ08 из высокоуглеродистой стали (ГОСТ 11964 – 83), имеющей величину K_v ≈ 0,53. Образцы помещали в индуктор и между полюсами U-образного магнитопровода. Индукцию измеряли цилиндрическим и плоским зондами милитесламетра Ш1-15 в воздухе и в образце. Установлено преимущество электромагнитной печи над индукторной печью в более равномерном распределении индукции В_i в шихте и ее существенном превышении в 1,7 раза над индукцией В _е в рабочей полости печи, что свидетельствует о более эффективном использовании электромагнитной энергии в этой печи при нагреве. Предложен контроль индукции В_i при нагреве шихты методом амперметра-вольтметра с помощью измерительной катушки из нагревостойкой проволоки.

1. Mühlbauer A. History of Induction Heating and Melting. Essen, 2008. 202 p.

2. Левшин Г.Е. Наукоемкие технологии индукционной плавки в индукторных и электромагнитных тигельных печах // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2016. № 3. С. 12–21.

3. Фарбман С.А., Колобнев И.Ф. Индукционные печи для плавки металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1968. 496 с.

4. Брокмайер К. Индукционные плавильные печи / Пер. с нем. М.: Энергия, 1972. 304 с.

5. Егоров А.В., Моржин А.Ф. Электрические печи. М.: Металлургия, 1975. 352 с.

6. Электрические печи для выплавки черных и цветных сплавов / Л.М. Романов, А.Н. Болдин, А.Н. Граблев, Д.П. Михайлов. М.: МГИУ, 2007. 104 с.

7. Современные плавильные агрегаты. В кн.: Сб. ИТЦМ «Металлург». М.: Металлург­консалтинг, 2014. 370 с.

8. Левшин Г.Е. Определение магнитной индукции индуктора тигельной печи // Ползуновский альманах. 2016. № 4. С. 131–136.

9. Rudnev V., Loveless D., Cook R.L. Handbook of Induction Heating. New York: CRC Press, 2017. 772 p. https://doi.org/10.1201/9781315117485

10. Levshin G.E. The magnetic permeability of a magnetized “ferromagnetic material – air” two­phase dispersed system // Electrical Technology Russia. 2002. No. 1. Р. 52–62.

11. Levshin G.E. Demagnetizing effect of a dispersed medium // Electrical Technology. 1997. No. 2. Р. 103–109.

12. Kuvaldin A., Fedin M., Generalov I. Determination electrical parameters lumpy ferromagnetic charge when heated to the Curie point // Acta Technica CSAV (Ceskoslovensk Akademie Ved) 5. 2017, vol. 62, no. 1, pp. 85–92.

13. Bay F., Labbe V., Favennec Y., Chenot J.L. A numerical model for induction heating processes coupling electromagnetism and thermomechanics // International Journal for Numerical Methods in Engineering. 2003. Vol. 58. No. 6. P. 839–867. https://doi.org/10.1002/nme.796

14. Drobenko B., Hachkevych O., Kournyts’kyi T. Thermomechanical behavior of polarizable and magnetizable electroconductive solids subjected to induction heating // Journal of Engineering Mathematics. 2008. Vol. 61. No. 2­4. P. 249–269. https://doi.org/10.1007/s10665-008-9216-4

15. Glebov A.O., Karpov S.V., Karpushkin S.V., Malygin E.N. Modeling the induction heating of press equipment in an automatic­temperature­control mode // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2019. Vol. 92. No. 5. P. 1130–1141.

16. Kurek K., Lochina W. Controlling the continuous induction heating process of the ferromagnetic charge. In: Electromagnetic Fields in Electrical Engineering. Studies in Applied Electromagnetics and Mechanics. 2002. Vol. 22. P. 462–467.

17. Di Luozzo N., Fontana M., Arcondo B. Modelling of induction heating of carbon steel tubes: Mathematical analysis, numerical simulation and validation. // Journal of Alloys and Compounds. 2012. Vol. 536. Supl. 1. P. S564–S568. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.12.084

18. Zabett A., Mohamadi Azghandi S.H. Simulation of induction tempering process of carbon steel using finite element method // Materials & Design. 2012. Vol. 36. P. 415–420. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2011.10.052

19. Kuvaldin A.B., Fedin M.A., Generalov I.M. Physical model for definition of characteristics of the induction crucible furnace when heating ferromagnetic lumpy charge // Journal Induction Heating. 2015. No. 1 (28). P. 3–8.

20. Левшин Г.Е. Определение индукции в электромагнитной печи ЭМU­5,7­60М методом амперметра­вольтметра // Ползуновский альманах. 2016. № 4. С. 85–88.