Основи нагріву металів струмами високої частоти

В основі нагріву металів струмами високої частоти є індукційна передача електроенергії з переходом її в теплову. З елементарної фізики відомо, що постійний струм проходить рівномірно по всьому перерізу провідника, а змінний струм проходить по провіднику не рівномірно, з максимальною щільністю по поверхні. Змінний струм проходить через провідник, намотаний у вигляді котушки, і утворює змінне магнітна поле. Наближаючи до цієї котушки другу, в останній виникає змінний струм такої ж частоти, що і в першій котушці. Така передача струму називається індукційною. При частотах 50 Гц коефіцієнт корисної дії передачі струму досить малий, тому для підвищення коефіцієнту корисної дії обидві котушки поміщають на замкнутий залізний сердечник, в якому зосереджено все магнітне поле. Такий пристрій називається трансформатором, він має велике технічне і господарське застосування. Призначення

таких трансформаторів – понижувати або підвищувати напругу змінного струму в залежності від співвідношення числа витків в першій і другій котушці. Якщо друга котушка буде виготовлена з одного металевого замкнутого кільця, то вся енергія циркулярного струму перетвориться в тепло, яке при відповідній потужності це кільце розплавить, тобто відбудеться

індукційна плавка металу. При

частоті біля 150 кГц коефіцієнт

корисної дії індукційної передачі сильно підвищується і у випадку близького розміщення другої катушки магнітний сердечник не потрібний.

Основою отримання струмів високої частоти є, перш за все, електричні коливання, які породжують вихрові струми, які в свою чергу нагрівають поверхню металевого провідника з різною глибиною проникнення, в залежності від частоти електричних коливань. В радіотехніці для отримання електромагнітних коливань застосовується так званий

коливальний контур, який має електричну схему, що складається з конденсатора і котушки. Для того, щоб контур не “затухав”, винайдено спосіб генерації незатухаючих електричних коливань з допомогою елетронної лампи (так званої генераторної лампи).

Механізм нагріву металу з допомогою вихрових струмів можна пояснити наступним чином. В металах існують електричні заряди, які створюють навколо

себе статичні електричні поля. Якщо помістити такий метал у змінне магнітне поле, в ньому виникають електричні поля електродинамічного характеру (тобто відбувається рух зарядів у провіднику). В результаті взаємодії вказаних полів циркуляція електричного поля ускладнюється. Поле втрачає потенційність і набуває вихрового характеру, замкнуті силові лінії не починаються і не закінчуються на електричних зарядах. В цьому вихровому, досить складному, електричному полі всередині провідника з великою швидкістю переміщуються електричні заряди (вільні електрони). Масивні суцільні провідники (злитки) мають малий електричний опір і тому струми досягають у них великої сили (тисячі ампер). Під впливом швидкозмінного магнітного поля вільні електрони набувають великого прискорення, тобто створюється великий кінетичний ефект. Зіштовхуючись з компонентами кристалічної решітки металу, прискорені електрони створюють тепловий ефект. Таким чином, підведена електромагнітна коливальна енергія від генератора спочатку перетворюється в механічну, а остання, в свою чергу, переходить в теплову. Щільність змінного струму концентрується, головним чином, на поверхні провідника. Чим вища частота змінного струму, тим на меншу глибину струм проникає в товщу провідника, тому більш як 90% енергії струму припадає на поверхню провідника.

Інтенсивність високочастотного нагріву металу залежить не тільки від електричних даних, тобто від частоти струму, напруги поля, ефекту близькості тощо, але і від фізико-хімічних властивостей металу.

При індукційній плавці металів струмом високої частоти спостерігається наступне:

а) заготовка (злиток) після включення струму високої частоти в індуктор на протязі кількох секунд нагрівається по поверхні до температури 900–1000⁰С. Грані заготовки нагріваються ще на 100⁰С більше;

б) плавлення заготовки починається знизу, тому що дно тигля створює умови менших теплових втрат і заготовка починає тонути в рідкому металі;

в) утворюється розплавлений метал з випуклим меніском і тонкою плівкою окислів. При підвищенні температури до 1550⁰–1600⁰C текучість розплавленого металу досягає такого стану (приблизно дорівнює текучості води), при якому поле струму високої частоти, яке має вихрові характеристики, коливає поверхню рідкого металу і окисну плівку, вказуючи на те, що потрібно припинити нагрівання металу струмом високої частоти, бо розплавлений метал уже готовий для заливання в ливарну форму.

Все це створює умови для того, щоб не перегрівався метал і не змінювався його хімічний склад.

Високочастотні установки складаються з двох частин: генератора струму високої частоти та високочастотної відцентрової пічки і випускаються під маркою ЛП1–10–01.

Технологія плавлення і відливання мостовидних, бюгельних протезів з допомогою цих установок буде розглянута нижче.

Високочастотні установки, які випускаються промисловістю, мають, на жаль, і ряд недоліків – вони громіздкі, важкі, споживають велику потужність (до 17 кВт), потребують наявності силової електромережі, а також потребують 12 літрів в хвилину чистої води для охолодження генераторної лампи. Ці обставини зумовили створення нової високочастотної ливарної установки з використанням генераторів ударного збудження на імпульсних водневих тиратронах, що мають коефіцієнт корисної дії в два рази більший, ніж у звичайних електролампових генераторів. Ця установка на імпульсному генераторі споживає всього 2 кВт електроенергії напругою 220 або 380 В і не потребує водяного охолодження тиратрона, може плавити 60 г сплаву НХС або КХС на протязі 2–3 хв.

.