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感應(yīng)加熱的基礎(chǔ)
2018-09-03 00:00:00 來源：感應(yīng)加熱的基礎(chǔ) 點擊：1768 喜歡：0
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)加熱的惟一選擇。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，要經(jīng)過多次的能量轉(zhuǎn)換，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)備的途中，一部分電能也在升、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?a href="http://www.stephenharker.com" target="_blank">感應(yīng)加熱設(shè)備中轉(zhuǎn)變成磁場能，磁場能轉(zhuǎn)化為熱能使坯料加熱，又帶來新的損耗（見圖1）。
圖1鋼坯料感應(yīng)加熱能量分配圖
①發(fā)電廠輸出功率；②輸配電損失；③變頻器損失；④電容器損失；⑤感應(yīng)器線圈的損失功率△P1；⑥通過感應(yīng)器隔熱層的熱損失功率△PT；⑦’坯料加熱的平均有效功率PT
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。
1、高的單位功率和短的透熱時間
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）。這一特點給鍛造坯料的加熱帶來的好處是：
（1）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。
（2）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，既減少了電能的損耗，又利于有些局部加熱工件的鍛壓成形。
（3）節(jié)能、節(jié)材。
（4）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。
（5） 加熱速度快，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好的金相組織。
（6）設(shè)備啟動快?；鹧鏍t中有許多耐火材料，啟動時吸收大量熱能，即裝置的熱損大。不工作時，也必須
維持一定的溫度。
（7）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%）。
2、可重現(xiàn)性
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)、始鍛溫度和節(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。該特點給鍛造坯料的加熱帶來的好處是：
（1）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)。
（2）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，從根本上保證鍛件質(zhì)量。
（3） 便于同計算機、測溫裝置（如紅外測溫儀）、PID控溫裝置及半導(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)
溫度的精確控制及自動化，確保產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定。
（7）便于鍛壓工廠實行現(xiàn)代管理體系。
上述特點以及由此帶來的環(huán)境和勞動條件極大改善、人力節(jié)省和生產(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)加熱是當(dāng)今坯料鍛造加熱的最理想的手段，特別是對品種相對單一、批量特別大的坯料。
感應(yīng)加熱的基本原理
感應(yīng)加熱基于兩個基本物理現(xiàn)象：法拉第電磁感應(yīng)和焦耳效應(yīng)（見圖2）。
當(dāng)線圈中通過交變電流I1，則線圈周圍空間建立起交變磁場。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。法拉第電磁感應(yīng)定律確定：
式（1）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φ=φmsinωt，角頻率ω=2πf，則感應(yīng)電動勢的有效值為：
將坯料視為只有一匝的閉合回路。當(dāng)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)加熱就是利用渦流產(chǎn)生的熱能加熱金屬坯料。
焦耳效應(yīng)可用下式表述：
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)的規(guī)律向心部衰減，這種現(xiàn)象稱之為趨膚效應(yīng)。
趨膚效應(yīng)產(chǎn)生的原因：當(dāng)在金屬坯料兩端施以交流電壓U時，則金屬坯料內(nèi)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
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，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)。
（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)的作用表現(xiàn)為趨膚效應(yīng)，兩者之間是鄰近效應(yīng)和端部效應(yīng)。
