感应加热的基础

感应加热的基础李韵豪编者按：本刊从今年第一期开始，将刊登李韵豪同志的这篇《锻压工业中的感应加热》系列文章。这个系列将分别介绍感应加热的基础、感应加热的电流频率、功率、加热时间的确定及螺线管感应器等匝距及变匝距的设计和计算、整流变压器的选择和电源配置、电网谐波分析及抑制措施。还将分别介绍：碳钢温锻、冷切（“兰脆”下料）感应器的设计计算、铝坯料、铜坯料感应器的设计计算，空心圆柱体（管材）加热感应器的设计计算、局部U型、矩型、多工位感应器的设计计算、方形、异形及变断面感应器的设计与计算等。最后还将介绍锻压工厂采用感应加热的设计要点及感应加热设备的正确操作维修与管理、锻压工厂采用的感应加热的经济技术分析等。每次用5000-7500字介绍1～2个内容，读者全部读完后，可以参照相关内容和例题进行锻压工厂感应加热设备的规划和选型，对感应加热设备进行操作、维修和管理，并可对感应器进行必要的设计、计算。共12个题目，计划一年刊登完。1-1感应加热的特点感应加热没有诞生前，火焰炉是锻压工业加热的唯一选择。其实，如果单纯从经济性来说，火焰炉要优于任何电加热包括感应加热设备。这是因为，从电的发生到坯料被感应加热，经过了多次的能量转换过程。而每次转换都伴随着损耗。以火力发电为例，从燃料燃烧获得的热能转换为机械能和电能会损耗一部分能量；电能从发电厂出来到达感应加热设备的途中，一部分电能在升、降压变压器、高、低压传输线中转变为热能而消耗掉；剩下的电能在感应加热设备转变磁场能，磁场能转化为热能使坯料加热，又带来新的损耗。①发电厂输出功率；②输配电损失；③变频器损失；④电容器损失；⑤感应器线圈的损失功率△P1；⑥通过感应器隔热层的热损失功率△PT；⑦坯料加热的平均有效功率PT。图1-1钢坯料感应加热能量分配图但是，在锻压工业中，坯料的加热采用感应加热相对于火焰炉加热具有以下两个特点：特点一：感应加热具有高达500-1000kW/m2的单位功率（由于坯料中可建立起高的磁通密度和一定量的有效加热层深）和短的透热时间（由于热发自坯料自身）。这一特点给锻造坯料加热带来的好处是：①加热速度快，即使在空气中加热坯料表面的氧化、脱碳也非常少。锻后的零件有合理的流线分布，它可以使坯料获得较高的疲劳性能。用火焰炉加热，其氧化皮量为3%-4%，而用感应加热可控制在0.05%-0.5%；感应加热在加热区没有燃料生成物，因而可以获得比较洁净的坯料，这对坯料高品质制造是一个非常有益的因素。②短的加热时间有利于局部加热。加热区温度可以迅速建立，温度过渡区比较窄，这既减少了电能的损耗，又有利于有些局部加热工件的锻压成形。③节能、节材。④短的加热时间，使感应加热便于提高生产率，降低生产成本。⑤加热速度快，加热时间短，所获得的奥氏体晶粒细。感应加热的工件具有非常好的金相组织。⑥设备启动快。而火焰炉中有许多耐火材料，启动时吸收大量热能，即装置的热损耗大。不工作时，也必须维持一定的温度。⑦加热速度快，氧化皮生成极少，使模具寿命延长（有资料表明，仅由于感应加热氧化皮减少一项，可以使模具寿命提高30%）。特点二：感应加热具有可重现性，即对给定的坯料规格、材质、始锻温度、节拍，感应加热所需功率基本恒定。因此，可以用节拍来确定精确的加热温度，工艺重复性好，产品品质稳定。这一特点给锻造坯料加热带来的好处是：①由于设备紧凑，功率可调，感应加热设备可以同锻压设备组成生产线，做到同步生产。②采用感应加热方式在特定的功率、节拍条件下可以有效地防止坯料加热温度不够或过烧，从根本上保证锻件质量。③便于同计算机、测温装置（如红外测温仪）、PID控温装置、半导体变频器（如SCR、IGBT、MOSFET变频器）等组成一个闭环的温度控制系统，以实现温度的精确控制，并实现自动化，确保产品品质稳定。④便于锻压工厂实行现代管理体系。上述这些好处以及由此带来的环境和劳动条件极大改善，人力节省，生产占地减少等，使感应加热完全符合现代化生产的3S标准（SURE可靠、SAFE安全、SAVING节约）及3C标准（COOL低温、CLEAN清洁、CALM安静。）完全有理由这样说：感应加热，特别是品种相对单一，批量特别大的坯料的感应加热，是当今坯料锻造加热的最理想的手段。1-2感应加热的基本原理感应加热基于两个基本物理现象：法拉第电磁感应、焦耳效应。当线圈中通过交变电流I1，则在线圈周围空间建立交变磁场。处于该交变磁场中的金属坯料内产生出感应电动势E。①电源②涡流③金属坯料④感应线圈图1-2感应加热原理图法拉第电磁感应定律确定：式中：E——感应电动势n——感应线圈匝数Φ——磁通量t——时间式中的负号表示感应电动势的方向与磁通量变化率的方向相反。对于Φ=Φmsinωt，角频率为ω=2πf，则感应电动势的有效值为：E=4.44fnΦm（1-2）式中：f——电流频率将坯料视为只有一匝的闭合回路，当感应电动势产生时，该回路中产生交变的自成环路的环流——涡流I2。感应加热中就是利用涡流产生的热能来加热金属坯料。焦耳效应可用下式表述：Q=I22Rt（J）（1-3）它反映了涡流在金属坯料中所产生热的速率与坯料的电阻和涡流的平方成正比这样一种现象。消耗于金属坯料中的功率为：P=EI2COSφ=4.44fnφmI2cosφ（1-4）当其它参数不变时，功率P与频率f成正比，因此，提高频率，在相同体积中释放的能量增大，这就是感应加热中采用中、高频率的原因。1-3感应加热的电磁效应（1）趋肤效应线圈导体中的交变电流和金属坯料内的涡流在其横截面上的电流密度不均匀分布，最大电流密度出现在该横截面的表层，并以指数函数规律向心部衰减，这种现象称之为趋肤效应。图1-3电流密度沿表层分布趋肤效应产生的原因：当金属坯料两端施以交流电压U时，则在金属坯料中建立起交变电场。由于电磁感应，坯料中电流所形成的交变磁场又产生一个方向相反的感应电势e。由于坯料心部穿透的磁通比表面多，心部的感应电动势e1大于表面的感应电动势e2，即U-e1＜U-e2，故表面电流密度i2＞心部电流密度i1。图1-4坯料由表面及里的电流分布及功率分布电流密度分布可由下列公式表达：（1-5）其中：I——离表面距离为X处的电流密度有效值IO——表面处的电流密度有效值Δ——电流透入深度由于功率与电流是平方的关系，故：（1-6）如图1-4所示。可以看到约有63.2%的电流在厚度为Δ的表面层内流动，86.5%的感应功率在Δ的表面层内转化为热能。（a）（b）图1-5平行放置导体中的邻近效应现象可将电流透入深度Δ内的电流视为直流，这就大大地简化了感应加热的计算。经电磁理论推导，可求出：（1-7）其中：ρ——金属坯料的平均电阻率（Ωm）μr——金属坯料的相对磁导率f——电流的频率（Hz）（2）邻近效应通以交流电流的相邻两金属导体的电流密度要重新分布。当两导体的电流方向相反时，最大值出现在导体内侧，反之，最大值出现在导体外侧。这种现象称为邻近效应。邻近效应产生的原因：设在任何瞬间，两平行导体中的电流方向相反（图1-5a），在导体之间由两电流所建立的磁场方向相同，两导体间的总磁场增大，而两导体外侧的磁场减弱。位于导体外侧的电流“线”比内侧电流“线”交链较多的磁通，因而沿外侧的电流线比内侧感应的反电势大，外侧的电源电势与反电势之和较内侧低，因此，导体外侧电流密度较内侧小。如两平行导体的电流在任何瞬间方向相同（图1-5b）导体外侧电流密度较内侧大。（3）圆环效应当交变电流通过圆环形线圈时，最大电流密度出现在线圈导体的内侧，这种现象即是圆环效应。磁力线在环内较密集，环外分散，因此，外侧电流线较内侧穿透较多的磁通，反电势大，所以，外侧的总电势和电流密度较内侧小。圆环效应对圆柱体坯料外表面加热时起有利作用。这也是为什么坯料在螺线管感应器内加热不必加导磁体的原因。而对于内孔加热或平面加热时，圆环效应对加热是不利的，这时可利用导磁体改变磁力线状态，把电流由内侧驱赶到外侧。图1-6圆环效应示意图（4）端部效应分为坯料的端部效应和感应线圈的端部效应。趋肤效应描述了金属坯料横截面上的磁场分布，而端部效应却显示了坯料和感应线圈端部的磁场分布。它将影响沿坯料轴向的功率分布及坯料加热温度的分布情况。对于纵向磁场中的非磁性坯料，坯料的端部效应使坯料端部吸收的功率增加，对于磁性坯料，端部效应使其吸收的功率增加还是降低，取决于坯料的半径、材料特性、频率和磁场强度。感应加热是上述四种效应的综合应用，感应器线圈系统的作用表现为圆环效应，坯料系统表现为趋肤效应，两者之间是邻近效应和端部效应。下期内容简介：感应加热的电流频率、功率、加热时间的确定及等匝距、变匝距感应器的设计和计算举例。参考文献：[1]汤景明.感应加热技术应用及其设备设计经验[M].北京：机械工业出版社，1975.[2](俄)A.E.斯洛霍茨基,C.E.雷斯金.机器零件感应加热用的感应器(设计与制造)[3](俄)А.Е.斯路霍茨基(А.Е.Слуходкий),(俄)С.Е.雷斯金(С.Е.Рыскин)著，熊大章译.感应加热器的计算和设计[M].北京：机械工业出版社，1957.[4](英)约翰·戴维斯(J.Davies),，(英)彼得·辛普森(P.Simpson)著，张淑芳，等译感应加热手册[M].北京：国防工业出版社，1985.[5](俄)洛津斯基,М.Г.著，王东升，杨季豹译.感应加热的工业应用[M].上海：上海科学技术出版社，1962.[6](俄)(赖斯金(Рыскин,С.Е.)著，黄福万译穿透感应加热在工业中的应用[M].北京：国防工业出版社，1982..