НАГРЕВ МЕДНОЙ ПРОВОЛОКИ ТОКАМИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ

Нагрев медной проволоки применяется для достижения различных целей: нагрев перед первичной или повторной изоляцией провода, отпуск проволоки, горячее волочение и отжиг проволоки, который влечет за собой улучшение  механических свойств провода [3]. Существуют различные способы нагрева проволоки, но далеко не все из них являются эффективными.

Газопламенный нагрев используют не только при соединении деталей с разными теплопроводностями и поверхностной газопламенной закалки, но и для термической обработки изделий. Недостаток данного способа – это медленная скорость нагрева, что приводит к длительному пребыванию металла в зоне высоких температур, что влечет за собой образование окалины, возможен угар металла. Кроме того данный вид нагрева влечет за собой загрязнение окружающей среды и не является экологически безопасным [4].

Нагрев инфракрасными излучателями в печах также используется для нагрева провода. Эти печи являются низкотемпературными и в них, вместо обычных нагревательных элементов, которые передают энергию нагреваемым изделиям в основном за счет конвекции, источниками выделения теплоты служат инфракрасные излучатели, в данном случае нагрев происходит за счет поглощения энергии изделием. Недостатком также является неравномерность нагрева, низкий КПД, длительное время нагрева и дорогостоящее оборудование.

Индукционный нагрев является эффективным для нагрева стальной проволоки, но не подходит для решения задачи нагрева медной проволоки. Так как медь, в отличие от стали, немагнитный материал, величина скин-слоя будет недостаточна для эффективного решения проблемы, что приводит к основному недостатку индукционного нагрева, которым является низкий КПД.

Прямой контактный нагрев на промышленной частоте осложняется контактными повреждениями и оплавлением контактов, в связи с протеканием через них больших токов, что ведет к повреждению поверхности проволоки [1].

Учитывая все вышесказанное, нагрев и отжиг медной жилы является в настоящее время задачей, требующей эффективного решения.

В данной работе мною будет рассмотрена актуальная задача исследования возможности прямого контактного нагрева токами высокой частоты. Так как частота нагрева высокая отпадает необходимость в пропускании больших токов, а протекание небольших токов решает проблему с повреждением контактов и ухудшением поверхности провода. Кроме того, при контактном нагреве токами высокой частоты за счет малой глубины проникновения увеличивается плотность протекающего тока, а вследствие этого увеличивается удельная мощность, выделяемая в проводе, что в свою очередь влечет за собой еще одно преимущество – малую длину нагревательной установки.

На высокой частоте конструкция токоподводов имеет основное значение, индуктивность может оказать существенное влияние на увеличение реактивной мощности. Для решения данной проблемы следует использовать установку с малой индуктивностью, для этого мною выбрана коаксиальная система со сплошным внутренним и полым наружным проводом, роль которого исполняет труба, также были переплетены провода токоподводов.

В процессе данной работы мною будет рассчитана производственная установка для нагрева и отжига медной жилы, а также рассмотрены преимущества высокочастотного нагрева.

Техническое задание: необходимо произвести отжиг медной проволоки диаметром 2 мм, при температуре 620 ˚С, производительность отжига –1 тонна/час. Для выполнения задания были выбраны частота, длина нагревательной установки, диаметр трубки в коаксиальной системе. Исходные данные представлены в таблице 1.

Таблица 1

Исходные данные

Расчет активного сопротивления системы

Для нахождения активного сопротивления системы необходимо найти эффективную площадь сечения, так как на высокой частоте ток будет протекать не по всему сечению проводника.

Глубина проникновения:

Так как медь яляется немагнитным материалом .

Зная глубину проникновения, можно найти эффективные сечения и активные сопротивления элементов системы.

Активное сопротивление проволоки длиной 1 метр:

S_{п эф} – эффективное сечение проволоки

Активное сопротивление трубки длиной 1 метр:

Так как установка представляет собой последовательно соединенные провод и трубку, найдем общее активное сопротивление как сумму сопротивлений трубки и проволоки:

Проведем расчет индуктивности установки, воспользовавшись формулой (5) [1,c. 133]. Система для расчета индуктивности представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схематичное изображение установки для расчета индуктивностей.

Формула для расчета погонной индуктивности данной системы:

Данная формула учитывает, что нагрев происходит на высокой частоте [1].

Так как целью является нагрев проволоки, то по закону Джоуля-Ленца КПД нагревательной установки:

 I – ток, протекающий через установку, А.

Зная требуемую производительность, мы можем найти мощность, которая будет ее обеспечивать и подобрать генератор и блок согласования.

Полезная мощность, необходимая для обеспечения заданной производительности:

В связи с тем, что блок согласования, нагревательная установка и сам генератор имеют не стопроцентный КПД, то необходимая мощность генератора:

ŋ_тги – КПД транзисторного генератора;

ŋ_бс – КПД блока согласования;

ŋ_нагр – КПД нагревательной установки.

С учетом двадцати процентного запаса по мощности получим необходимую мощность генератора:

Рассчитаем скорость протягивания проволоки, обеспечивающую необходимую температуру нагрева.

Разделив обе части формулы (10) на t, в левой части получим производительность. Отсюда можно найти необходимую скорость протягивания проволоки.

Таким образом, необходимая скорость протягивания проволоки:

Зная индуктивность системы и рабочую частоту, определим компенсирующую емкость:

  Для реализации компенсирующей емкости выбраны полипропиленовые конденсаторы фирмы АО «Гириконд» К78-21, применяемые в цепях переменного тока для компенсации реактивной мощности. Технические характеристики данного конденсатора представлены в таблице 2.

Таблица 2

Технические характеристики конденсатора К78-21

По рассчитанным значениям был выбран генератор, выпускаемый ООО «Интерм» ТГИ 100/66 [1].

Рассчитаем коэффициент трансформации:

Для наглядного представления преимущества контактного нагрева на высокой частоте, приведем сравнительную таблицу частоты и протекающего по установке тока.

Сопротивление является функцией от частоты. При изменении частоты изменяется глубина проникновения тока, вследствие чего меняется эффективное сечение и изменяется сопротивление.

Ток, протекающий в установке:

В таблице 3 приведены рассчитанные значения тока, протекающего через установку на различной частоте.

Таблица 3

Ток, протекающий по установке на различных частотах

Для наглядности представления изменения величины тока в зависимости от частоты построим график, он представлен на рисунке 2.

Рисунок 2. График зависимости протекающего тока от используемой частоты.

Из графика, представленного на рисунке 2 видно, что значительное изменение величины протекающего в установке тока происходит в области частот от нуля до 500 кГц. В дальнейшем с нарастанием частоты ток продолжает убывать, но гораздо медленнее. Таким образом, для высокочастотного контактного прямого нагрева медной проволоки достаточно использовать генераторы с рабочей частотой до 440 кГц. Работа на данной частоте реализуема на транзисторных малогабаритных генераторах. Применение больших частот может потребовать использования ламповых генератров[1]. Кроме того при увеличении рабочей частоты будет потребляться больше реактивной мощности.

Также для уменьшения величины протекающего тока можно увеличить длину установки. Из формулы (17) видно, что при увеличении длины нагревательной установки, ток будет уменьшаться пропорционально квадратному корню этого увеличения.

Схема нагревательной установки представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Cхематичное изображение нагревательной установки.

На рисунке 4 представлена электрическая схема нагревательной установки.

Рисунок 4. Электрическая схема нагревательной установки.

Таким образом, высокочастотный контактный нагрев медной проволоки является целесообразным, так как имеет высокий КПД. Предложенная система имеет малые потери на реактивную мощность за счет небольшой индуктивности, но и малое сопротивление, поэтому нагрев стоит производить на высокой частоте в десятки и сотни кГц. Рекомендуется использовать генераторы с рабочей частотой до 440 кГц, так как они обеспечивают наиболее эффективное частотное регулирование. Минимизировать протекающий через контакты ток можно с помощью увеличения частоты и удлинением нагревательной установки.

Список литературы:

1. Дзлиев С.В. Транзисторные генераторы для индукционного нагрева, СПб: Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012 – 143 с.
2. Колонтаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей: справочная книга, издание третье, Ленинград, ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, Ленинградское отделение, 1986 – 488 с.
3. Троицкий И.Д. Производство кабельных изделий: учебное пособие для средних профессионально-технических училищ. М. «Высшая школа», 1988 – 239 c.
4. Центральный металлический портал РФ [электронный ресурc]. – Режим доступа:http://metallicheckiyportal.ru/articles/svarka/gazoplamennaa_obrabotka_materialov/16.