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感应加热的基础
2018-09-03 00:00:00 来源：感应加热的基础 点击：1729 喜欢：0
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惟一选择。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，要经过多次的能量转换，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，一部分电能也在升、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中转变成磁场能，磁场能转化为热能使坯料加热，又带来新的损耗（见图1）。
图1钢坯料感应加热能量分配图
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
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。
1、高的单位功率和短的透热时间
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的加热带来的好处是：
（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，既减少了电能的损耗，又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，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。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%）。
2、可重现性
感应加热具有可重现性，即对给定的坯料规格、材质、始锻温度和节拍，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。该特点给锻造坯料的加热带来的好处是：
（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控温装置及半导体变频器（ 如SCR、IGBT、MOSFET变频器）等组成一个闭环的温度控制系统，以实现
温度的精确控制及自动化，确保产品品质稳定。
（7）便于锻压工厂实行现代管理体系。
上述特点以及由此带来的环境和劳动条件极大改善、人力节省和生产占地减少等，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：感应加热是当今坯料锻造加热的最理想的手段，特别是对品种相对单一、批量特别大的坯料。
感应加热的基本原理
感应加热基于两个基本物理现象：法拉第电磁感应和焦耳效应（见图2）。
当线圈中通过交变电流I1，则线圈周围空间建立起交变磁场。处于该交变磁场中的金属坯料内产生出感应电动势E。法拉第电磁感应定律确定：
式（1）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ω=2πf，则感应电动势的有效值为：
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。感应加热就是利用涡流产生的热能加热金属坯料。
焦耳效应可用下式表述：
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，并以指数函数的规律向心部衰减，这种现象称之为趋肤效应。
趋肤效应产生的原因：当在金属坯料两端施以交流电压U时，则金属坯料内建立起交变电场。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
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，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。
（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，坯料系统的作用表现为趋肤效应，两者之间是邻近效应和端部效应。
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