6.7. Индукционные печи
Индукционные печи применяют для нагревания веществ или реакционных сосудов, обладающих достаточной электропроводностью. Такая печь представляет собой соленоид, сердечником которой является нагреваемый сосуд с веществом. Например, индукционная печь с графитовым тиглем 3 (рис. 124, а) позволяет получить внутри тигля температуру порядка 2500 - 3000 °С.
Индукционные токи, возникающие в сосуде или в веществе, называют вихревыми токами, или токами Фуко.
Фуко Леон (1819 - 1868) - французский физик-механик, впервые обнаружил нагревание металлических предметов при движении их в магнитном поле.
Количество энергии в форме теплоты, выделяемое в единицу времени токами Фуко, прямо пропорционально квадрату частоты изменения магнитного поля. Поэтому для получения высоких температур в индукционных печах применяют токи высокой частоты. Нагрев токами Фуко происходит тем быстрее,чем большей электропроводящей массой обладает сосуд с веществом.
Рис. 124. Индукционные печи: обычная (а), вакуумная (б), для трубчатого реактора (в, г) и для зонной плавки (д): I - индукционная катушка; 2 - керамический патрон; 3 - металлический тигель; 4 -криптол; 5 - смотровое окно; 6 - трубка; 7 - расплав; 8 - твердая фаза; 9 - водяная рубашка; 10- медный экран; 11 - стальной цилиндр
Для получения равномерного распределения температуры в массе вещества стенки сосуда в местах большего потребления энергии делают более толстыми. В этом случае исчезают зоны перегрева в веществе и уменьшается его спекание.
Для получения равномерного распределения температуры в массе вещества стенки сорегулирование температуры при индукционном нагреве возможно в пределах 50 - 600 °С, а индукторы можно подключать и к сети с частотой 50 Гц при напряжении 220 - 380 В. При небольшой мощности индукционной печи 10-50 кВт ее включают либо непосредственно в электрическую сеть, либо - через трансформатор, который позволяет подбирать необходимое напряжение на индукторе. В частности, индукционная печь с катушкой из 200 витков медной ленты (2x4 мм) при частоте 50 Гц, напряжении 380 В и силе тока 20 А развивает температуру до 550 - 600 °С. Такую индукционную катушку теплоизолируют от объекта нагревания. Поэтому во время работы печи она остается холодной.
Для больших мощностей катушку изготавливают из изолированной медной трубки 1 (рис. 124, б), по которой пропускают воду для охлаждения индуктора. Правда, в такой вакуумной индукционной печи из-за сравнительно большого зазора меЖД; индуктором и тиглем 3 увеличивается рассеяние магнитного поля индуктора, что приводит к дополнительным затрат»1 энергии.
Индукционные печи применяют и для нагревания потока газов и жидкостей в стеклянных трубках, но для этого их окружают стальным цилиндром 11 (рис. 124, в) в зоне нагрева. кварцевые трубчатые индукционные печи 2 (рис. 124, г) работают только тогда, когда вещество находится в металлических лодочках.
При зонной плавке энергия, генерируемая в пределах очищаемого вещества 7 (рис. 124, д), сводит к минному загрязнения, поступающие из материала трубки или контейнера; к тому же возникающие за счет индукции вихревые потоки хорошо перемешивают расплав.
Долговечность индукционной печи практически не ограничена. Ее недостатки: большие размеры вспомогательного оборудования, его дороговизна и сложность регулирования температурного режима печи. Небольшие изменения в положении сосуда и электропроводности вещества могут резко изменить мощность печи.