陜西北辰億科透熱設(shè)備

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

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

這種加入方式和以往不同，感應(yīng)加熱是一種非接觸式加熱，感應(yīng)加熱裝置首先將電能轉(zhuǎn)換成感應(yīng)線圈中的磁場(chǎng)能，然后在通過(guò)磁場(chǎng)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�內(nèi)部產(chǎn)生的，加熱效率大為提高，同時(shí)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(shì)。

感應(yīng)電勢(shì)的幅值為了使工件上獲得更大的感應(yīng)電流可以通過(guò)增加感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)正比于dφ/dt，一種方法是加大電流即加大磁場(chǎng)強(qiáng)度，另一種就是增加電流變化的頻率，兩種方法都可以達(dá)到增加感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的效果，但是加大電流會(huì)加大感應(yīng)線圈中的銅損，降低了設(shè)備的電效率。

1.2 趨膚效應(yīng)

當(dāng)導(dǎo)體通上交流電時(shí)，沿導(dǎo)體截面上的電流分布是不均勻的，電流密度出現(xiàn)在導(dǎo)體的表面層，這種電流積聚現(xiàn)象稱作趨膚效應(yīng)�？梢赃@樣說(shuō)交變的電流在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小也是由里向外逐漸減弱的，反過(guò)來(lái)，電流密度在導(dǎo)體的橫截面由里向外是加強(qiáng)的。

由于趨膚效應(yīng)使得在工件中的感應(yīng)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(dǎo)的方式進(jìn)去的，因此若感應(yīng)加熱的功率很大，加熱時(shí)間很短，傳導(dǎo)方式根本來(lái)不及傳導(dǎo)到工件內(nèi)部，淬火等工藝中有嚴(yán)格的表面加熱要求，加熱時(shí)間很短，有時(shí)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(yīng)加熱發(fā)展過(guò)程

感應(yīng)加熱設(shè)備的發(fā)展要追溯到19世紀(jì)初期，隨著人們的電磁感應(yīng)現(xiàn)象認(rèn)識(shí)的加深，人們知道處于交變磁場(chǎng)中的導(dǎo)體會(huì)發(fā)熱，但是很長(zhǎng)時(shí)期，人們對(duì)這種發(fā)熱現(xiàn)象采取避免的措施，直到19世紀(jì)末期人們才開始利用這種現(xiàn)象進(jìn)行有目的的加熱，熔煉等，才有了現(xiàn)在的感應(yīng)加熱概念。。

感應(yīng)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(yù)熱設(shè)計(jì)

感應(yīng)加熱一般用于金屬加工前的預(yù)熱。通常在鍛造和擠壓工藝前，對(duì)鋼材、鋁合金和鈦鎳等稀有金屬進(jìn)行加工前預(yù)熱。棒料一般都是圓形、方形或者圓角方形的棒料。特別對(duì)于鋼件而言，由于感應(yīng)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(jìn)行預(yù)熱選型時(shí)，需要得到工作頻率和功率。那么需要了解下面的幾個(gè)參數(shù)。

2.1 工作頻率的選取

工作頻率的選取對(duì)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(shí)，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(dǎo)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(shuō)，電阻率隨著溫度的上升而加大，所以，穿透高層度會(huì)變深。對(duì)于非導(dǎo)磁體材料，穿透高層度通常會(huì)變深2-3倍。對(duì)于導(dǎo)磁體，可能隨著溫度的升高導(dǎo)致失磁，比如鐵在居里點(diǎn)770度左右，導(dǎo)磁率會(huì)很快下降到1，穿透高層度會(huì)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(gè)電阻代替工件與感應(yīng)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(shuō)，在工件上耗散的能量可以用I²R_eq表示，對(duì)實(shí)心棒來(lái)說(shuō)，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(guān)，因?yàn)楦鶕?jù)法拉第定律和歐姆定律，感應(yīng)電壓和渦流與N成正比。

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

A是與頻率有關(guān)的。

2.3 臨界頻率

K_R2這個(gè)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(shí)，會(huì)出現(xiàn)拐點(diǎn)。也就是說(shuō)，在0-4之間，提高頻率會(huì)帶來(lái)加工效率的明顯提升；超過(guò)4以后，提高頻率加工效率增加不明顯。這個(gè)頻率就被稱為臨界頻率。

對(duì)于圓棒，臨界頻率被定義為a/d=4的頻率。

對(duì)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(shí)候，會(huì)出現(xiàn)雙面抵消。這也是后來(lái)對(duì)薄板加熱改進(jìn)為“橫向磁場(chǎng)加熱”的原因。

如果只需要加熱一個(gè)薄板的一個(gè)面，需要選擇橫向磁場(chǎng)加熱方式，臨界頻率選擇稍微低一點(diǎn)，大約是圖7的臨界頻率除以100倍。橫向磁場(chǎng)加熱需要制作一個(gè)能夠?yàn)檎�板加熱均勻的感�?yīng)器，這需要特別制作。

2.4 電效率

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

感應(yīng)器電阻越小越好。這也是感應(yīng)器通常用銅管繞制的原因。當(dāng)然，如果用超導(dǎo)線更好。

由于資料不全，對(duì)于內(nèi)孔加熱的效率沒(méi)有明確描述，但文獻(xiàn)提到效率非常低。通常通過(guò)多繞線圈達(dá)到提**率的目的。

2.5 功率確定

透熱功率非常重要的指標(biāo)。在透熱中，能量密度應(yīng)該保持相應(yīng)低一些，以允許進(jìn)行從外從外層（通過(guò)較高電流密度可以較快地加熱）到里層的熱傳導(dǎo)。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(shí)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(gè)損耗可以通過(guò)減少感應(yīng)圈的電阻來(lái)減少。比如，采用高純度的銅管或是超導(dǎo)材料。這個(gè)損耗會(huì)導(dǎo)致感應(yīng)器發(fā)熱，必須進(jìn)行冷卻。

這里需要提到一個(gè)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(huì)出現(xiàn)過(guò)熱。