感应加热电流频率、功率、加热时间的确定与螺线管感应参数计算

感应加热电流频率、功率、加热时间的确定与螺线管感应参数计算一、金属坯料加热过程中物理性质的变化坯料的电阻率和相对磁导率对频率确定以及感应器参数设计具有重要意义。以钢为例，图1所示为wC=0.4%～0.5%钢坯料的电阻率ρ2和一定的磁场强度下的相对磁导率μr与温度t的关系曲线。由式(1)和图1可以看出：钢在加热时，其电阻率ρ2和相对磁导率μr都发生变化：ρ2在15～800℃的温度区内，大约增加4倍。当温度超过800℃后，各类钢的电阻率几乎相等、并趋于一恒定值，即10-6Ωm。μr在650～700℃之前基本上只与磁场强度有关，而与坯料温度变化关系不大。当达到居里温度时，μr便阶跃式下降到1。此时，如果温度继续升高，磁导率不再变化。钢由初始温度加热至始锻温度分3个阶段：(1)冷态规范坯料由初始温度加热到居里温度的规范。此时ρ2与μr均为变量。该区为铁磁性材料区，平均温度t=650℃，ρ2可取0.6×10-6Ωm，μr1。(2)中间规范坯料表面温度达到800～900℃，加热层深度为0.5Δk，为部分铁磁材料区，ρ2=10-6Ωm，坯料表层μr1。(3)热态规范非磁性材料区。加热层深度≥Δk，ρ2=1.24×10-6Ωm，这是800～1300℃范围内电阻率的平均值，μr=1。二、电流频率的选择1.频率确定原则坯料感应加热时，频率的确定依据以下两项原则：(1)感应器的电效率不低于极限值的5%，相对频率：m2≥2.5。(2)在使坯料透热(即：使坯料断面上的温度尽可能达到均匀)的前提下，加热时间最短。根据电磁场的理论，当Δ=0.4R2时，有效加热层已到极限值，再降低频率，也不能使有效加热层增加，m2≤3.5。2.5≤m2≤3.5(2)表2中的频率型谱是按GB/T1980—1996《标准频率》制定的。为了促进我国电气设备技术水平的提高，在频率值方面与国际接轨，使感应加热设备在国际贸易中不受频率差异的阻碍，该标准频率采用了国际电工委员会IEC196《标准频率》。国内的感应加热设备、电热电容器、中频变压器的生产厂家都应认真执行该标准。2.注意事项选择频率应注意的事项：(1)如果一台设备加热多种规格的坯料，坯料的直径应尽量在公式规定的频率范围之内。如果不能满足，可用两个以上的频率分别对应满足。(2)一组不同直径的坯料，一般应按直径较小且批量较大的坯料来选择频率。这样，所有的坯料电效率不会受到影响。对于直径较大的坯料可能超出合理的频率范围(频率偏高)，但可以通过增加加热时间，即加长感应器来满足对坯料径向温差的要求。频率选择偏低，会造成电效率下降。如果低于电效率极限值的5%就不可取。(3)感应器居里温度以下区段，采用较低的频率加热，居里温度以上区段采用较高的频率加热。三、感应器的效率和功率电网输送给感应加热设备的功率包括两部分：一部分是供电系统(中频变频器、汇流排、电热电容器等)的功率损失；另外一部分是感应器线圈中的电损耗、热损耗和用于坯料加热的平均有效功率。中频变频器的额定功率分配如图2所示，我们将后一部分称之为中频变频器的额定功率P。因此，知道了感应器的效率就可以求出中频变频器的额定功率。感应器的总效率、电效率、热效率可以计算出来，也可以参考表4选取。从表4可以看出，钢在热锻时感应器的总效率可在0.55～0.65之间选取。四、加热时间纵向磁场中圆形截面金属坯料，不论电流频率如何低，电流透入的有效加热层深总是接近于0.4倍的坯料半径，即Δ2=0.4R2。而从有效加热层到坯料心部的继续加热必须靠金属本身的热传导，感应加热时的心表温差(径向温差)就是这样产生的。因此，在Δ2≥0.4R2的条件下，合理选择频率(见式3、4)，会使坯料表面与心部透热的路程最短。最短加热时间tk，可根据热传导微分方程的特解求得：钢加热到1300℃，心表温差ΔT为50℃时的最短加热时间简化公式的推导。对于式(18)，当设Δ2≈0，则α=1。查图3可得：S(1，1)=0.125S(1，0)=-0.125α=1、S(1，1)=0.125和S(1，0)=-0.125代入式(17)，得：tk是指坯料从进入感应器开始加热到离开感应器的时间。坯料离开感应器到锻压设备还有时间间隔。在这个时间间隔内，心表温差以大约1～2℃/s的速度继续均温。根据绝大多数钢种的加热规范要求，多采用式(20)计算加热时间。以上为等匝距感应器加热时间的确定。若采用变匝距感应器加热，可使加热时间大大缩短。所谓变匝距方式是指绕制感应器线圈的铜管(一般为矩形截面铜管)的轴向宽度(匝距)进料端较窄，出料端较宽，一般分为两级或三级。这种设计是因为所有线圈内通过相同的电流，磁场强度和单位功率在感应器进料端最大，会使温度很快升高。坯料表面温度升高到最终温度，需要经过总加热时间的10%～30%，即在占感应器总长10%～30%的范围内。由于心表温差大，金属的热传导速率快，实现了快速加热。