陜西北辰億科透熱設備

1 感應加熱發(fā)展                                                       1.1 感應加熱原理

感應加熱是根據(jù)電磁感應原理，利用工件中的渦流（交變的感應電流）產(chǎn)生的熱量對工件進行加熱的。過程就是，電源通過給感應線圈通入交變電流，從而產(chǎn)生交變的磁場，放入在感應線圈中的工件就產(chǎn)生了感應電動勢E，及感應電流I，I使得工件發(fā)熱，功率為P，這就是感應加熱的基本原理。

這種加入方式和以往不同，感應加熱是一種非接觸式加熱，感應加熱裝置首先將電能轉(zhuǎn)換成感應線圈中的磁場能，然后在通過磁場耦合到被加熱工件中，轉(zhuǎn)變成了熱能�？梢钥闯黾訜崾菑墓ぜ䞍�(nèi)部產(chǎn)生的，加熱效率大為提高，同時這種加熱方式工作環(huán)境好，相比傳統(tǒng)方式有很大的優(yōu)勢。

感應電勢的幅值為了使工件上獲得更大的感應電流可以通過增加感應電動勢，而感應電動勢正比于dφ/dt，一種方法是加大電流即加大磁場強度，另一種就是增加電流變化的頻率，兩種方法都可以達到增加感應電動勢的效果，但是加大電流會加大感應線圈中的銅損，降低了設備的電效率。

1.2 趨膚效應

當導體通上交流電時，沿導體截面上的電流分布是不均勻的，電流密度出現(xiàn)在導體的表面層，這種電流積聚現(xiàn)象稱作趨膚效應�？梢赃@樣說交變的電流在導體中產(chǎn)生感應電動勢，感應電動勢的大小也是由里向外逐漸減弱的，反過來，電流密度在導體的橫截面由里向外是加強的。

由于趨膚效應使得在工件中的感應電流分布不均，從而引起工件中每一部分的發(fā)熱量不均，靠近表面得大量電能轉(zhuǎn)換為熱能，而內(nèi)部電流小，發(fā)熱也很小，內(nèi)部的溫度上升主要是靠外表面能量以傳導的方式進去的，因此若感應加熱的功率很大，加熱時間很短，傳導方式根本來不及傳導到工件內(nèi)部，淬火等工藝中有嚴格的表面加熱要求，加熱時間很短，有時候工件表面的溫度很高了，已經(jīng)燒紅了，甚至融化了，而內(nèi)部任然是黑色。

1.3 感應加熱發(fā)展過程

感應加熱設備的發(fā)展要追溯到19世紀初期，隨著人們的電磁感應現(xiàn)象認識的加深，人們知道處于交變磁場中的導體會發(fā)熱，但是很長時期，人們對這種發(fā)熱現(xiàn)象采取避免的措施，直到19世紀末期人們才開始利用這種現(xiàn)象進行有目的的加熱，熔煉等，才有了現(xiàn)在的感應加熱概念。。

感應加熱頻率的選擇：根據(jù)熱處理及加熱高層度的要求選擇頻率，頻率越高加熱的高層度越淺。

　　高頻(10KHZ以上)加熱的高層度為0.5-2.5mm, 一般用于中小型零件的加熱，如小模數(shù)齒輪及中小軸類零件等。

　　中頻(1~10KHZ)加熱高層度為2-10mm，一般用于直徑大的軸類和大中模數(shù)的齒輪加熱。

工頻(50HZ)加熱淬硬層高層度為10-20mm，一般用于非常大尺寸零件的透熱，大直徑零件（直徑300mm以上，如軋輥等）的表面淬火。

2 預熱設計

感應加熱一般用于金屬加工前的預熱。通常在鍛造和擠壓工藝前，對鋼材、鋁合金和鈦鎳等稀有金屬進行加工前預熱。棒料一般都是圓形、方形或者圓角方形的棒料。特別對于鋼件而言，由于感應加熱工藝的加熱速度快，所產(chǎn)生的氧化皮量少，從而使材料的損耗減少到低程度。

在進行預熱選型時，需要得到工作頻率和功率。那么需要了解下面的幾個參數(shù)。

2.1 工作頻率的選取

工作頻率的選取對透熱的均勻性和節(jié)能都有非常重要的意義。

2.1.1. 穿透高層度

在選擇合適的工作頻率時，首先需要了解穿透高層度的概念。

穿透高層度指的是，大約86%的能量集中的高層度。

需要注意的是，由于電阻率和導磁率的變化，穿透高層度隨著溫度的變化而變化。通常電阻率是正溫度系數(shù)，也就是說，電阻率隨著溫度的上升而加大，所以，穿透高層度會變深。對于非導磁體材料，穿透高層度通常會變深2-3倍。對于導磁體，可能隨著溫度的升高導致失磁，比如鐵在居里點770度左右，導磁率會很快下降到1，穿透高層度會增加20倍左右。

2.2 等效電阻

等效電阻，可以慣稱為工件電阻，用一個電阻代替工件與感應器線圈串聯(lián)，如果電阻上耗散的熱能和渦流在工件上的產(chǎn)生的熱能相等，則稱該電阻為等效電阻。也就是說，在工件上耗散的能量可以用I²R_eq表示，對實心棒來說，等效電阻R_eq等于N²與電流穿透高層度1mm薄管電阻的乘積：

其中，ρ為工件的電阻率；

а為圓棒直徑；

A為管的載面積(等于d*w)；（原書就非常不清楚定義）

      K_R2是等效套管內(nèi)外徑間電路參數(shù)變化的常量；

      R_eq與線圈匝數(shù)N有關，因為根據(jù)法拉第定律和歐姆定律，感應電壓和渦流與N成正比。

從上式中可以看出，當工件直徑和材料確定后，就剩下A、感應器圈數(shù)和K_R2.。

A是與頻率有關的。

2.3 臨界頻率

K_R2這個參數(shù)是直徑ａ和穿透高層度ｄ之比的函數(shù)，稱為工件電阻系數(shù)。

在a/d=4時，會出現(xiàn)拐點。也就是說，在0-4之間，提高頻率會帶來加工效率的明顯提升；超過4以后，提高頻率加工效率增加不明顯。這個頻率就被稱為臨界頻率。

對于圓棒，臨界頻率被定義為a/d=4的頻率。

對于雙面透熱的薄板，臨界頻率被定義為a/d=2.25的頻率。需要注意的是，薄板在低于臨界頻率的時候，會出現(xiàn)雙面抵消。這也是后來對薄板加熱改進為“橫向磁場加熱”的原因。

如果只需要加熱一個薄板的一個面，需要選擇橫向磁場加熱方式，臨界頻率選擇稍微低一點，大約是圖7的臨界頻率除以100倍。橫向磁場加熱需要制作一個能夠為整板加熱均勻的感應器，這需要特別制作。

2.4 電效率

由于電源輸出是通過感應器耦合到工件，所以電效率就成為了一個重要參數(shù)。

感應器電阻越小越好。這也是感應器通常用銅管繞制的原因。當然，如果用超導線更好。

由于資料不全，對于內(nèi)孔加熱的效率沒有明確描述，但文獻提到效率非常低。通常通過多繞線圈達到提**率的目的。

2.5 功率確定

透熱功率非常重要的指標。在透熱中，能量密度應該保持相應低一些，以允許進行從外從外層（通過較高電流密度可以較快地加熱）到里層的熱傳導。在忽略溫度梯度的影響后，吸收的能量取決于所需的溫升ΔT，單位時間內(nèi)加熱的總重量，以及材料的比熱。

   線圈損耗就是線圈上的損耗。這個損耗可以通過減少感應圈的電阻來減少。比如，采用高純度的銅管或是超導材料。這個損耗會導致感應器發(fā)熱，必須進行冷卻。

這里需要提到一個概念，功率密度，也就是，單位面積上的功率。功率密度太大，工件會出現(xiàn)過熱。