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感應加熱的基礎
2018-09-03 00:00:00 來源：感應加熱的基礎 點擊：1887 喜歡：0
感應加熱的特點
感應加熱沒有誕生前，火焰爐是鍛壓工業加熱的惟一選擇。其實，如果單純從經濟性來說，火焰爐要優于任何電加熱包括感應加熱設備。這是因為，從電的發生到坯料被感應加熱，要經過多次的能量轉換，而每次轉換都伴隨著損耗。以火力發電為例，從燃料燃燒獲得的熱能轉換為機械能和電能會損耗一部分能量；電能從發電廠出來到達感應加熱設備的途中，一部分電能也在升、降壓變壓器、高、低壓傳輸線中轉變為熱能而消耗掉；剩下的電能在感應加熱設備中轉變成磁場能，磁場能轉化為熱能使坯料加熱，又帶來新的損耗（見圖1）。
圖1鋼坯料感應加熱能量分配圖
①發電廠輸出功率；②輸配電損失；③變頻器損失；④電容器損失；⑤感應器線圈的損失功率△P1；⑥通過感應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，在鍛壓工業中，坯料的加熱采用感應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%，而感應加熱可控制在0.05%-0.5%；感應加熱在加熱區沒有燃料生成物，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。加熱區溫度可以迅速建立，溫度過渡區比較窄，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）節能、節材。
（4）短的加熱時間，使感應加熱便于提高生產率，降低生產成本。
（5） 加熱速度快，時間短，所獲得的奧氏體晶粒細。感應加熱的工件具有非常好的金相組織。
（6）設備啟動快。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，僅由于感應加熱氧化皮減少一項，可以使模具壽命提高30%）。
2、可重現性
感應加熱具有可重現性，即對給定的坯料規格、材質、始鍛溫度和節拍，感應加熱所需功率基本恒定。因此，可以用節拍來確定精確的加熱溫度，工藝重復性好，產品品質穩定。該特點給鍛造坯料的加熱帶來的好處是：
（1）由于設備緊湊，功率可調，感應加熱設備可以同鍛壓設備組成生產線，做到同步生產。
（2）采用感應加熱方式在特定的功率、節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控溫裝置及半導體變頻器（ 如SCR、IGBT、MOSFET變頻器）等組成一個閉環的溫度控制系統，以實現
溫度的精確控制及自動化，確保產品品質穩定。
（7）便于鍛壓工廠實行現代管理體系。
上述特點以及由此帶來的環境和勞動條件極大改善、人力節省和生產占地減少等，使感應加熱完全符合現代化生產的3S標準（SURE可靠、SAFE安全、SAVING節約）及3C標準（COOL低溫、CLEAN清潔、CALM安靜）。完全有理由這樣說：感應加熱是當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。
感應加熱的基本原理
感應加熱基于兩個基本物理現象：法拉第電磁感應和焦耳效應（見圖2）。
當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產生出感應電動勢E。法拉第電磁感應定律確定：
式（1）中的負號表示感應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，則感應電動勢的有效值為：
將坯料視為只有一匝的閉合回路。當感應電動勢產生時，該回路中產生交變的自成環路的環流——渦流I2。感應加熱就是利用渦流產生的熱能加熱金屬坯料。
焦耳效應可用下式表述：
感應加熱的電磁效應
（1）趨膚效應
線圈導體中的交變電流和金屬坯料內的渦流在其橫截面上的電流密度不均勻分布，最大電流密度出現在該橫截面的表層，并以指數函數的規律向心部衰減，這種現象稱之為趨膚效應。
趨膚效應產生的原因：當在金屬坯料兩端施以交流電壓U時，則金屬坯料內建立起交變電場。由于電磁感應，坯料中電流所形成的交變磁場又產生一個方向相反
圓環效應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器內加熱不必加導磁體的原因。而對于內孔加熱或平面加熱，圓環效應對加熱是不利的，這時可利用導磁體改變磁力線狀態，把電流由內側驅趕到外側。
（4）端部效應
分為坯料的端部效應和感應線圈的端部效應。趨膚效應描述了金屬坯料橫截面上的磁場分布，而端部效應卻顯示了坯料和感應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，坯料的端部效應使坯料端部吸收的功率增加；對于磁性坯料，端部效應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。感應加熱是上述四種效應的綜合應用，感應器線圈系統的作用表現為圓環效應，坯料系統的作用表現為趨膚效應，兩者之間是鄰近效應和端部效應。
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