感應(yīng)加熱的基礎(chǔ)

1、感應(yīng)加熱的基礎(chǔ)李 韻 豪 編者按：本刊從今年第一期開(kāi)始，將刊登李韻豪同志的這篇鍛壓工業(yè)中的感應(yīng)加熱系列文章。這個(gè)系列將分別介紹感應(yīng)加熱的基礎(chǔ)、感應(yīng)加熱的電流頻率、功率、加熱時(shí)間的確定及螺線(xiàn)管感應(yīng)器等匝距及變?cè)丫嗟脑O(shè)計(jì)和計(jì)算、整流變壓器的選擇和電源配置、電網(wǎng)諧波分析及抑制措施。還將分別介紹：碳鋼溫鍛、冷切（“蘭脆”下料）感應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算、鋁坯料、銅坯料感應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算，空心圓柱體（管材）加熱感應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算、局部U型、矩型、多工位感應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算、方形、異形及變斷面感應(yīng)器的設(shè)計(jì)與計(jì)算等。最后還將介紹鍛壓工廠(chǎng)采用感應(yīng)加熱的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及感應(yīng)加熱設(shè)備的正確操作維修與管理、鍛

2、壓工廠(chǎng)采用的感應(yīng)加熱的經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析等。每次用5000-7500字介紹12個(gè)內(nèi)容，讀者全部讀完后，可以參照相關(guān)內(nèi)容和例題進(jìn)行鍛壓工廠(chǎng)感應(yīng)加熱設(shè)備的規(guī)劃和選型，對(duì)感應(yīng)加熱設(shè)備進(jìn)行操作、維修和管理，并可對(duì)感應(yīng)器進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)、計(jì)算。共12個(gè)題目，計(jì)劃一年刊登完。 1-1感應(yīng)加熱的特點(diǎn)感應(yīng)加熱沒(méi)有誕生前，火焰爐是鍛壓工業(yè)加熱的唯一選擇。其實(shí)，如果單純從經(jīng)濟(jì)性來(lái)說(shuō)，火焰爐要優(yōu)于任何電加熱包括感應(yīng)加熱設(shè)備。這是因?yàn)椋瑥碾姷陌l(fā)生到坯料被感應(yīng)加熱，經(jīng)過(guò)了多次的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。而每次轉(zhuǎn)換都伴隨著損耗。以火力發(fā)電為例，從燃料燃燒獲得的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能和電能會(huì)損耗一部分能量；電能從發(fā)電廠(chǎng)出來(lái)到達(dá)感應(yīng)加熱設(shè)備

3、的途中，一部分電能在升、降壓變壓器、高、低壓傳輸線(xiàn)中轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏牡?；剩下的電能在感?yīng)加熱設(shè)備轉(zhuǎn)變磁場(chǎng)能，磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為熱能使坯料加熱，又帶來(lái)新的損耗。  發(fā)電廠(chǎng)輸出功率；輸配電損失；變頻器損失；電容器損失；感應(yīng)器線(xiàn)圈的損失功率P1；通過(guò)感應(yīng)器隔熱層的熱損失功率PT；坯料加熱的平均有效功率 PT。 圖1-1 鋼坯料感應(yīng)加熱能量分配圖但是，在鍛壓工業(yè)中，坯料的加熱采用感應(yīng)加熱相對(duì)于火焰爐加熱具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：特點(diǎn)一：感應(yīng)加熱具有高達(dá)500-1000kW/m2的單位功率（由于坯料中可建立起高的磁通密度和一定量的有效加熱層深）和短的透熱時(shí)間（由于熱發(fā)自坯料自身

4、）。這一特點(diǎn)給鍛造坯料加熱帶來(lái)的好處是：加熱速度快，即使在空氣中加熱坯料表面的氧化、脫碳也非常少。鍛后的零件有合理的流線(xiàn)分布，它可以使坯料獲得較高的疲勞性能。用火焰爐加熱，其氧化皮量為3%-4%，而用感應(yīng)加熱可控制在0.05%-0.5%；感應(yīng)加熱在加熱區(qū)沒(méi)有燃料生成物，因而可以獲得比較潔凈的坯料，這對(duì)坯料高品質(zhì)制造是一個(gè)非常有益的因素。短的加熱時(shí)間有利于局部加熱。加熱區(qū)溫度可以迅速建立，溫度過(guò)渡區(qū)比較窄，這既減少了電能的損耗，又有利于有些局部加熱工件的鍛壓成形。節(jié)能、節(jié)材。短的加熱時(shí)間，使感應(yīng)加熱便于提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。加熱速度快，加熱時(shí)間短，所獲得的奧氏體晶粒細(xì)。感應(yīng)加熱的工件具有非常

5、好的金相組織。設(shè)備啟動(dòng)快。而火焰爐中有許多耐火材料，啟動(dòng)時(shí)吸收大量熱能，即裝置的熱損耗大。不工作時(shí)，也必須維持一定的溫度。加熱速度快，氧化皮生成極少，使模具壽命延長(zhǎng)（有資料表明，僅由于感應(yīng)加熱氧化皮減少一項(xiàng)，可以使模具壽命提高30%）。特點(diǎn)二：感應(yīng)加熱具有可重現(xiàn)性，即對(duì)給定的坯料規(guī)格、材質(zhì)、始鍛溫度、節(jié)拍，感應(yīng)加熱所需功率基本恒定。因此，可以用節(jié)拍來(lái)確定精確的加熱溫度，工藝重復(fù)性好，產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定。這一特點(diǎn)給鍛造坯料加熱帶來(lái)的好處是：由于設(shè)備緊湊，功率可調(diào)，感應(yīng)加熱設(shè)備可以同鍛壓設(shè)備組成生產(chǎn)線(xiàn)，做到同步生產(chǎn)。采用感應(yīng)加熱方式在特定的功率、節(jié)拍條件下可以有效地防止坯料加熱溫度不夠或過(guò)燒，從根本上保

6、證鍛件質(zhì)量。便于同計(jì)算機(jī)、測(cè)溫裝置（如紅外測(cè)溫儀）、PID控溫裝置、半導(dǎo)體變頻器（如SCR、IGBT、MOSFET變頻器）等組成一個(gè)閉環(huán)的溫度控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，確保產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定。便于鍛壓工廠(chǎng)實(shí)行現(xiàn)代管理體系。上述這些好處以及由此帶來(lái)的環(huán)境和勞動(dòng)條件極大改善，人力節(jié)省，生產(chǎn)占地減少等，使感應(yīng)加熱完全符合現(xiàn)代化生產(chǎn)的3S標(biāo)準(zhǔn)（SURE可靠、SAFE安全、SAVING節(jié)約）及3C標(biāo)準(zhǔn)（COOL低溫、CLEAN清潔、CALM安靜。）完全有理由這樣說(shuō)：感應(yīng)加熱，特別是品種相對(duì)單一，批量特別大的坯料的感應(yīng)加熱，是當(dāng)今坯料鍛造加熱的最理想的手段。1-2感應(yīng)加熱的基本原理感應(yīng)加熱基

7、于兩個(gè)基本物理現(xiàn)象：法拉第電磁感應(yīng)、焦耳效應(yīng)。當(dāng)線(xiàn)圈中通過(guò)交變電流I1，則在線(xiàn)圈周?chē)臻g建立交變磁場(chǎng)。處于該交變磁場(chǎng)中的金屬坯料內(nèi)產(chǎn)生出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E。 電源 渦流 金屬坯料 感應(yīng)線(xiàn)圈 圖1-2 感應(yīng)加熱原理圖 法拉第電磁感應(yīng)定律確定：    式中：      E 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)n 感應(yīng)線(xiàn)圈匝數(shù)磁通量t 時(shí)間 式中的負(fù)號(hào)表示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向與磁通量變化率的方向相反。對(duì)于=msint，角頻率為=2f，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值為： E=4.44f nm

8、0;     （1-2） 式中：f電流頻率將坯料視為只有一匝的閉合回路，當(dāng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生時(shí)，該回路中產(chǎn)生交變的自成環(huán)路的環(huán)流渦流I2。感應(yīng)加熱中就是利用渦流產(chǎn)生的熱能來(lái)加熱金屬坯料。焦耳效應(yīng)可用下式表述： Q=I22Rt（J）     （1-3） 它反映了渦流在金屬坯料中所產(chǎn)生熱的速率與坯料的電阻和渦流的平方成正比這樣一種現(xiàn)象。消耗于金屬坯料中的功率為：P=EI2COS=4.44f nmI2cos （1-4） 當(dāng)其它參數(shù)不變時(shí)，功率P與頻率f成正比，因此，提高頻率，

9、在相同體積中釋放的能量增大，這就是感應(yīng)加熱中采用中、高頻率的原因。1-3 感應(yīng)加熱的電磁效應(yīng)（1）趨膚效應(yīng)線(xiàn)圈導(dǎo)體中的交變電流和金屬坯料內(nèi)的渦流在其橫截面上的電流密度不均勻分布，最大電流密度出現(xiàn)在該橫截面的表層，并以指數(shù)函數(shù)規(guī)律向心部衰減，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為趨膚效應(yīng)。    圖1-3 電流密度沿表層分布 趨膚效應(yīng)產(chǎn)生的原因：當(dāng)金屬坯料兩端施以交流電壓U時(shí)，則在金屬坯料中建立起交變電場(chǎng)。由于電磁感應(yīng)，坯料中電流所形成的交變磁場(chǎng)又產(chǎn)生一個(gè)方向相反的感應(yīng)電勢(shì)e。由于坯料心部穿透的磁通比表面多，心部的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1大于表面的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2，即U-e1U-e

10、2，故表面電流密度i2心部電流密度i1。 圖1-4 坯料由表面及里的電流分布及功率分布電流密度分布可由下列公式表達(dá)：           （1-5） 其中：I離表面距離為X處的電流密度有效值IO表面處的電流密度有效值電流透入深度由于功率與電流是平方的關(guān)系，故：  （1-6） 如圖1-4所示?？梢钥吹郊s有63.2%的電流在厚度為的表面層內(nèi)流動(dòng)，86.5%的感應(yīng)功率在的表面層內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱能。  （a）  

11、;       （b） 圖1-5 平行放置導(dǎo)體中的鄰近效應(yīng)現(xiàn)象 可將電流透入深度內(nèi)的電流視為直流，這就大大地簡(jiǎn)化了感應(yīng)加熱的計(jì)算。經(jīng)電磁理論推導(dǎo)，可求出：（1-7）其中：金屬坯料的平均電阻率（m）r 金屬坯料的相對(duì)磁導(dǎo)率f    電流的頻率（Hz）（2）鄰近效應(yīng)通以交流電流的相鄰兩金屬導(dǎo)體的電流密度要重新分布。當(dāng)兩導(dǎo)體的電流方向相反時(shí)，最大值出現(xiàn)在導(dǎo)體內(nèi)側(cè)，反之，最大值出現(xiàn)在導(dǎo)體外側(cè)。這種現(xiàn)象稱(chēng)為鄰近效應(yīng)。鄰近效應(yīng)產(chǎn)生的原因：設(shè)在任何瞬間，兩平行導(dǎo)體中的電流方向相反（圖1-5a），在導(dǎo)體之間由兩

12、電流所建立的磁場(chǎng)方向相同，兩導(dǎo)體間的總磁場(chǎng)增大，而兩導(dǎo)體外側(cè)的磁場(chǎng)減弱。位于導(dǎo)體外側(cè)的電流“線(xiàn)”比內(nèi)側(cè)電流“線(xiàn)”交鏈較多的磁通，因而沿外側(cè)的電流線(xiàn)比內(nèi)側(cè)感應(yīng)的反電勢(shì)大，外側(cè)的電源電勢(shì)與反電勢(shì)之和較內(nèi)側(cè)低，因此，導(dǎo)體外側(cè)電流密度較內(nèi)側(cè)小。如兩平行導(dǎo)體的電流在任何瞬間方向相同（圖1-5b）導(dǎo)體外側(cè)電流密度較內(nèi)側(cè)大。（3）圓環(huán)效應(yīng)當(dāng)交變電流通過(guò)圓環(huán)形線(xiàn)圈時(shí)，最大電流密度出現(xiàn)在線(xiàn)圈導(dǎo)體的內(nèi)側(cè)，這種現(xiàn)象即是圓環(huán)效應(yīng)。磁力線(xiàn)在環(huán)內(nèi)較密集，環(huán)外分散，因此，外側(cè)電流線(xiàn)較內(nèi)側(cè)穿透較多的磁通，反電勢(shì)大，所以，外側(cè)的總電勢(shì)和電流密度較內(nèi)側(cè)小。圓環(huán)效應(yīng)對(duì)圓柱體坯料外表面加熱時(shí)起有利作用。這也是為什么坯料在螺線(xiàn)管感應(yīng)器

13、內(nèi)加熱不必加導(dǎo)磁體的原因。而對(duì)于內(nèi)孔加熱或平面加熱時(shí)，圓環(huán)效應(yīng)對(duì)加熱是不利的，這時(shí)可利用導(dǎo)磁體改變磁力線(xiàn)狀態(tài)，把電流由內(nèi)側(cè)驅(qū)趕到外側(cè)。   圖1-6 圓環(huán)效應(yīng)示意圖 （4）端部效應(yīng)分為坯料的端部效應(yīng)和感應(yīng)線(xiàn)圈的端部效應(yīng)。趨膚效應(yīng)描述了金屬坯料橫截面上的磁場(chǎng)分布，而端部效應(yīng)卻顯示了坯料和感應(yīng)線(xiàn)圈端部的磁場(chǎng)分布。它將影響沿坯料軸向的功率分布及坯料加熱溫度的分布情況。對(duì)于縱向磁場(chǎng)中的非磁性坯料，坯料的端部效應(yīng)使坯料端部吸收的功率增加，對(duì)于磁性坯料，端部效應(yīng)使其吸收的功率增加還是降低，取決于坯料的半徑、材料特性、頻率和磁場(chǎng)強(qiáng)度。感應(yīng)加熱是上述四種效應(yīng)的綜合應(yīng)用，感應(yīng)器線(xiàn)圈系統(tǒng)的作用表現(xiàn)為圓環(huán)效應(yīng)，坯料系統(tǒng)表現(xiàn)為趨膚效應(yīng)，兩者之間是鄰近效應(yīng)和端部效應(yīng)。   下期內(nèi)容簡(jiǎn)介：感應(yīng)加熱的電流頻率、功率、加熱時(shí)間的確定及等匝距、變?cè)丫喔袘?yīng)器的設(shè)計(jì)和計(jì)算舉例。參考文獻(xiàn)： 1湯景明. 感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用及其設(shè)備設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1975.2(俄)A. E. 斯洛霍茨基,C. E. 雷斯金. 機(jī)器零件感應(yīng)加熱用的感應(yīng)器 (設(shè)計(jì)與制造) 3(俄).斯路霍茨基(.),(俄).雷斯金(.)著 ，熊大章譯.感應(yīng)加熱器的計(jì)算