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、加熱時間的確定及螺線管感應(yīng)器等匝距及變匝距的設(shè)計和計算、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)計計算、鋁坯料、銅坯料感應(yīng)器的設(shè)計計算，空心圓柱體（管材）加熱感應(yīng)器的設(shè)計計算、局部U型、矩型、多工位感應(yīng)器的設(shè)計計算、方形、異形及變斷面感應(yīng)器的設(shè)計與計算等。最后還將介紹鍛壓工廠采用感應(yīng)加熱的設(shè)計要點及感應(yīng)加熱設(shè)備的正確操作維修與管理、鍛

2、壓工廠采用的感應(yīng)加熱的經(jīng)濟技術(shù)分析等。每次用5000-7500字介紹12個內(nèi)容，讀者全部讀完后，可以參照相關(guān)內(nèi)容和例題進行鍛壓工廠感應(yīng)加熱設(shè)備的規(guī)劃和選型，對感應(yīng)加熱設(shè)備進行操作、維修和管理，并可對感應(yīng)器進行必要的設(shè)計、計算。共12個題目，計劃一年刊登完。 1-1感應(yīng)加熱的特點感應(yīng)加熱沒有誕生前，火焰爐是鍛壓工業(yè)加熱的唯一選擇。其實，如果單純從經(jīng)濟性來說，火焰爐要優(yōu)于任何電加熱包括感應(yīng)加熱設(shè)備。這是因為，從電的發(fā)生到坯料被感應(yīng)加熱，經(jīng)過了多次的能量轉(zhuǎn)換過程。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)換為機械能和電能會損耗一部分能量；電能從發(fā)電廠出來到達感應(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)變磁場能，磁場能轉(zhuǎn)化為熱能使坯料加熱，又帶來新的損耗。  發(fā)電廠輸出功率；輸配電損失；變頻器損失；電容器損失；感應(yīng)器線圈的損失功率P1；通過感應(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)加熱相對于火焰爐加熱具有以下兩個特點：特點一：感應(yīng)加熱具有高達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）和短的透熱時間（由于熱發(fā)自坯料自身

4、）。這一特點給鍛造坯料加熱帶來的好處是：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)沒有燃料生成物，因而可以獲得比較潔凈的坯料，這對坯料高品質(zhì)制造是一個非常有益的因素。短的加熱時間有利于局部加熱。加熱區(qū)溫度可以迅速建立，溫度過渡區(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，加熱時間短，所獲得的奧氏體晶粒細。感應(yīng)加熱的工件具有非常

5、好的金相組織。設(shè)備啟動快。而火焰爐中有許多耐火材料，啟動時吸收大量熱能，即裝置的熱損耗大。不工作時，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（有資料表明，僅由于感應(yīng)加熱氧化皮減少一項，可以使模具壽命提高30%）。特點二：感應(yīng)加熱具有可重現(xiàn)性，即對給定的坯料規(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。這一特點給鍛造坯料加熱帶來的好處是：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，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燒，從根本上保

6、證鍛件質(zhì)量。便于同計算機、測溫裝置（如紅外測溫儀）、PID控溫裝置、半導(dǎo)體變頻器（如SCR、IGBT、MOSFET變頻器）等組成一個閉環(huán)的溫度控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)溫度的精確控制，并實現(xiàn)自動化，確保產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定。便于鍛壓工廠實行現(xiàn)代管理體系。上述這些好處以及由此帶來的環(huán)境和勞動條件極大改善，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標準（SURE可靠、SAFE安全、SAVING節(jié)約）及3C標準（COOL低溫、CLEAN清潔、CALM安靜。）完全有理由這樣說：感應(yīng)加熱，特別是品種相對單一，批量特別大的坯料的感應(yīng)加熱，是當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、于兩個基本物理現(xiàn)象：法拉第電磁感應(yīng)、焦耳效應(yīng)。當線圈中通過交變電流I1，則在線圈周圍空間建立交變磁場。處于該交變磁場中的金屬坯料內(nèi)產(chǎn)生出感應(yīng)電動勢E。 電源 渦流 金屬坯料 感應(yīng)線圈 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)電動勢n 感應(yīng)線圈匝數(shù)磁通量t 時間 式中的負號表示感應(yīng)電動勢的方向與磁通量變化率的方向相反。對于=msint，角頻率為=2f，則感應(yīng)電動勢的有效值為： 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，當感應(yīng)電動勢產(chǎn)生時，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） 當其它參數(shù)不變時，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：當金屬坯料兩端施以交流電壓U時，則在金屬坯料中建立起交變電場。由于電磁感應(yīng)，坯料中電流所形成的交變磁場又產(chǎn)生一個方向相反的感應(yīng)電勢e。由于坯料心部穿透的磁通比表面多，心部的感應(yīng)電動勢e1大于表面的感應(yīng)電動勢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：           （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，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，這就大大地簡化了感應(yīng)加熱的計算。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。當兩導(dǎo)體的電流方向相反時，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、電流所建立的磁場方向相同，兩導(dǎo)體間的總磁場增大，而兩導(dǎo)體外側(cè)的磁場減弱。位于導(dǎo)體外側(cè)的電流“線”比內(nèi)側(cè)電流“線”交鏈較多的磁通，因而沿外側(cè)的電流線比內(nèi)側(cè)感應(yīng)的反電勢大，外側(cè)的電源電勢與反電勢之和較內(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)當交變電流通過圓環(huán)形線圈時，最大電流密度出現(xiàn)在線圈導(dǎo)體的內(nèi)側(cè)，這種現(xiàn)象即是圓環(huán)效應(yīng)。磁力線在環(huán)內(nèi)較密集，環(huán)外分散，因此，外側(cè)電流線較內(nèi)側(cè)穿透較多的磁通，反電勢大，所以，外側(cè)的總電勢和電流密度較內(nèi)側(cè)小。圓環(huán)效應(yīng)對圓柱體坯料外表面加熱時起有利作用。這也是為什么坯料在螺線管感應(yīng)器

13、內(nèi)加熱不必加導(dǎo)磁體的原因。而對于內(nèi)孔加熱或平面加熱時，圓環(huán)效應(yīng)對加熱是不利的，這時可利用導(dǎo)磁體改變磁力線狀態(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分布，而端部效應(yīng)卻顯示了坯料和感應(yīng)線圈端部的磁場分布。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。對于縱向磁場中的非磁性坯料，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、頻率和磁場強度。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)容簡介：感應(yīng)加熱的電流頻率、功率、加熱時間的確定及等匝距、變匝距感應(yīng)器的設(shè)計和計算舉例。參考文獻： 1湯景明. 感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用及其設(shè)備設(shè)計經(jīng)驗M.北京：機械工業(yè)出版社，1975.2(俄)A. E. 斯洛霍茨基,C. E. 雷斯金. 機器零件感應(yīng)加熱用的感應(yīng)器 (設(shè)計與制造) 3(俄).斯路霍茨基(.),(俄).雷斯金(.)著 ，熊大章譯.感應(yīng)加熱器的計算