《关于感应加热的效率和温度问题.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《关于感应加热的效率和温度问题.pdf（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、3 卷 1期1 9 8 4 . 1 冶 金 能滚 关于感应加热的效率和温度问题 陈汉民 (湖南省钢铁冶金设计院) . . 1 . 前 言 感应加热是一种后 起之秀的加热设备 。 国外在有 色金 属和黑 色金 属的加热 和熔炼方 面已得到广泛 的应用 。 我民近 2 年来也得 到较快的发展 , 这是由于感应加 热 具有 如下 的优点 。 (1) 加热速度快 , 感 应加热比火焰炉 、 电 阻炉加热要快2 0 5 0倍 。 在这样快的加 热速 度下 , 处理后的工件 , 晶粒较细 , 强 度 和韧性较高 , 因而延长了工件的使用寿 介 。 ( 2)氧化损失少 。 由于加 热速 度 快 , 黑 色金
2、属加 热到锻造 或轧 制温 度而形成的氧 化 铁 皮 只有 1%左 右, 而火焰 炉 、 电阻 炉加热 形成的氧 化铁 皮达 3%左 右, 因而可节省金 属 2% 。 (3) 占地面积小 。 感应加热炉和 火焰 、 电 阻炉相比 , 占地面积要 小得多 , 并 对厂房 的高度和跨度没壳 一 特殊的要求 , 可以节省 基 建投 资 。 (幻经济效益好 。 长大工件进行连续淬 火或焊缝进行回火热处理后的变 形量很 小 , 一般不需要校正 、 氧 化铁皮很少 , 可以不进 行清理 , 从而降低了生产成本 。 (5)劳 动 条件好 、 生产率高 。 加热是 利 用工件本身的涡流发 热 , 没 有 有害
3、 气体 产 生 , 加热装置可以布 置在生产线上 , 便 于实 现机械化和自动化 。 感 应加热的缺点主要是使用范围受 工件 几何形状的限制 , 不能象火焰炉 、 电阻炉 那 样可以处理各种形状的工件 。 它主要用于圆 柱形或扁形工件的加热和热处理 。 机械工 业 、 汽车工业和有 色金属加 工工业应用得比 较广泛 。 2 . 使用符号 I 。一 感应器电流 , I I 砰一 工件 电汽 , I 乙 。一感 应器 的等效 电流深度,C m 色 二一工件的等效 电流深度 , 。m d二一工件外径 , c m d c 一感 应器 内径 , c m 扬一工件 长度 , c m E 。一感应器 端电压
4、 , V 凡 。一工件 电阻, 。 f一I C 和I , 的频 率 , H z p二一工件的电阻 系数 , Q 一 c m 扛, 一工件导 磁率 ; N 。一 感应器匝数 ; 广二一工 件功率 , kw p 一 线圈 电阻 系数 , Q 一c m P c 一 线 圈功 率损 失 , kw R : 一 线圈电阻 , Q 3 . 感应 器加热的效率问厄 在感 应加热过程中 , 由于集肤效 应 , 感应 图1 理想工件中的电流深度 4 2 冶 金 能源 3 卷 1 期19 8 4 . 1 电流 即涡 流在 被 加热工件的表面层流动 , 使 工件发 热 , 如 图 1 所示 。 电流的穿 透深 度 由
5、下 式决定 : 各一50 30 了价 , m (1 ) 由于工件相当于一个短路的变压器的次 级 , 匝数为 1 , 故线圈和 工件之间的安匝关 系 为 : I e N c 二 I ;, , 安匝 (2) : - I i s件电阻是在 断面 为 乙 二场 、 长 为 二d二 (近 似)的路径 上通以等 效电流时的电限 , 其数值为 : . R 牙 p评兀d邵 各牙 .r 甲 (3) 根据( 2)式和(3)式 就可以求得工件的 感应 功 率为 : 户二 二 I汤R 、x 10 一3 I吕N 丢p ;。二d; 。X 1 0 - 冬 那 了;厂 kW (4) 线圈的损耗 (即铜损)为 : P: = I
6、丢尸 。只 10 一“, kw ( 5) 线圈的有效电阻为 : R c即, d 入 二 。 。. 车 八 、, p _ 二d。 一V 丢 己 l 。 , . (6) 将( 6)式代 入(5)式得 : Pc = 片刀吕 P . _ 二己二丫 1。 一3 己 c l 、 、 l 交入 (7) 感应器需要的总功 率 为 : P 二 广邵 + Pc , kw 感应加 热的损耗主 要 是铆损 , 小 , 可以不考虑 , 故电效率为 : (8) 钾损很 叮; “ 广见_ 力即+ 九_ (9) 这些就是感应 加热的基 本方程 , 它给出 了线 圈的安匝和加 热工 件所必需的总 功率 。 除电效 率 外 ,
7、还有一个热效率 月2 , 这 是 因 为工件在 加 热过程 中存在 着热 损失 。 总 效率等于电效 率 乘热 效率 、 即 月 = 门、 刀: 。 感应器 的总效 率 月 一般为5 0一6 0 % 。 感应器 设计得好否 , 主 要 表现在电效 率 、 热 效率与功率因数 c o s 小上 , 这 三者 之 间 是有矛盾的 , 所以在 设计感应器时必须 全 面 地进行考虑 , 以使 感应器具有较高的总效 率 。 从前面的基 本方程式来看 , 穿 透深度乙 直接 与 夕二 、 Pc 、 有关 , 而电流频 率j又直 接 与各有关 , 因此金 属在感应 加 热时 , 其 效率的高低基本上决 定于
8、电流频 率的正确选 择 。 由于感应电流只沿着被 加热 工件的表面 流动 , 所以热 量也仅 产生在这一层 , 这对工件 的表面淬火很适 合 , 而挤压或锻 造毛坯 则要 求其整个 断面 均 匀加热 , 这时 , 在 电流穿透 深度以下的金属层仅能从被加热层 以导热方 式 来加热 。 这 样的传 热需 要较 长的时间 , 这 就增加了被加热工件散入四周介质的热 损 失 , 即降低了热效率 。 为了提 高感应器的热 效 率 , 必须缩短加热时间 , 其方法是降低 电 流 的频率 , 也就是增加被加热工件 内的电汽 穿透深度 。 金属古进 行锻造 、 冲压 、 挤压毛坯的穿 透 加 热时 , 任
9、何断面尺寸的圆柱形工件 , 当 直径与 电流穿透 深 度之比在 3一5 的范围内 时 , 感应器的总效率达到 最 大值 。 实际上 , 被 加 热工件的直 径与 电 流穿透 深度之比在 2 . 5一6的范围内 , 爪 选用的电流频率已能满 足要求 , 见图 2 。 对于各种 直径圆柱 形 工件的感应 加热 , 利川上述的比值能算出电 流颊 率的合理应用 范围 , 见表 1 。 表 1 钥 坯直 径 与合理 电流频 率的关系 电 普 严 率 。5。 ,。 25。 :。 1 2 。 钢坯直径 Ulm 1 5 0 一7 0 16 0501203 0一80 154 0 . 2 0 翻 一 能 一 3
10、卷 l 期一9 84 . 1 冶 金 厂厂一 一F砚 砚一 一一一!一 一 一一厂, , 厂勺 勺匡二二 厂二二 二二口 口 一一一 一户叹 叹砚 二 二J 于于 户千千 行三三 巨困困巴 巴巴, ,巴巴巴巴 厂厂厂广广厂二 二 团团凡凡压 二 二口 口!困 困口口L 二 二 口口口口 口口口曰曰7 7 7口口闷闷口口网网网网目目口口口口口口 厂厂一 一厂二 二 睡尹 尹【 一一!一一一一尸甲 甲 石 刁刁 曰曰【习 习 口口口口 口口口口口口口口口口口口口口口图图口口口口口口口口 口口仁卫 卫口 口口口口口口口口口口口仁卫 卫口 口口口 巨巨巨巨巨口口巨巨口口巨巨口口口口口口口口口口口口 口
11、口口口口门 门臼 臼口口曰曰曰曰曰曰厂厂曰曰口口 口口口口口 口 口口口口口口口门门口口口口口口口口 . 图 2 . , 二“ 、 d , , 一 二L 一 提断之 艺召 告剑 双平勺 一石一 优】 且明天示 O 1一电效率.2一热效 率,3一总 效率 。 (d一 工件直径 , 乙一热态的钢 内电流穿透深度) . 对铁磁性材料的 工件进行感 应加热 时 , 为了提高加热速度和 减少单位能量消耗 , 可 以利用两种 频 率的电流 , 开始时 , 即在 金 属 加 热到磁性转 变点(居里点) 以前 , 采用较 低的频 率 ; 在磁性转 变点日后 , 按 上述原则 选择频率 。 但是在感 应加 热中
12、 , 只有当能够 证明这种双频 加 热是经 济的 , 并且不需 要复 杂装置的时候才能采用 。 矩形断 面的工件在选取 电流频 率时 , 可 以利用 圆柱 形 工件的那些 关系 , 但必须 把断 面的短边当作圆柱形下件的直径 。 管 子 感应加热时 , 选择 电流倾率必须 遵 循两个条件 : f) 30户00 d “ 0 . 35各 a 袋各 式中 : d 一 管子内径 , 。m a 一 管壁厚 度 , c m 各一居里点后的电流穿透深度 , Cnl o 由于被加热工件的工 艺和大小 要求 , 电 流频率可分为低频 、 中频和高频 三大 类 。 一 般认为频率在 1 0 001 - -12以下
13、的为 低频 , 100 0 一10 0 OOH z 的范围为 中频 , 10 0 0 OH z 以上的 为高频 。 低频感应加 热主要用作大断 面工件 的表面淬火 、 退火 、 调质处理 , 锻造和冲压毛 坯的加热 。 中领感 应加 热主 要用作表 面淬 火 、 退 火 、 锻造和冲压毛 坯的加热 。 高频感 应加 热 主要用作表面淬火与焊接 。 工频 感应加 热就 是利甲电厂供给的频 率为 5 0H z 的电源直 接 进行感 应加热 。 中频 感应 加热是经 过 中频 发 电机 供给频 率为 100 0 、 2 500 与 SO0 0H z 的 电 i交或用可 控硅变 频器供给的 电流进行感
14、 应 加热 。 高频 感应加 热是通过电子竹振荡器来 供给频率为 ZCo一3。收H z 的电流进行感应 加热 。 由以上所述可以石出 , 电流频 率j与 电 效率 、 热效 率的关系是很大的 , 而功率因数 c o s 小与电效 率 、 热效 率的关系是 这样 : 线圈 和工件之间的间 隙减小 , 则可以减少空隙中 的漏磁和磁阻 , 也 就是减小了电抗 , 从而提 高了感应器 的功率因数和电效率 , 但 由于间 隙减 小 , 势必使隔热层减 薄 , 这就会导 致 热 效 率降低 , 因此 需要 作详 细的计算 , 才能得 出利弊的结 果 。 现在 , 国内外 都在 对隔 热套 筒的材 料和结构
15、进行研 究 , 想达到 使隔热套 筒的壁又 薄又 具 有 良好的隔热 性能 , 同时使 用寿命长 , 这样 , 就能收到良好的经 济效 果 。 4 . 感应加热 的温 度 均匀性问题 感 应器分为单相和三相两种 。 单忆感 应 器是 三相电源的一相供 电 , 功率小可以使 用 , 功率 大就 会使 三相负荷 严重不平衡 , 就 需 要搞 三相平衡器 , 使 三相供 电平 衡 。 三 相 平衡器 比较 复 杂 , 一次投资 大 , 占 地 面积 大 , 在 经 济上不合适 。 而 三相感 应器是 三和 电源 同时供 电 , 三相负荷 平衡 , 功 率不受限 制 。 但是前者的电效率 , 功率因数
16、 , 温 度均 匀性都比后者 好 , 特别是温度 均匀性 。 现在 使用的感应器多数是三 相的 , 但三相感应器 存在 一个突出的I o f题就是 在感应器长 度上的 温度分布不均 匀 , 直接对 被加 热工件 !勺 产品 质量产生影响 。 如何解决这个问题 , 笔者 曾 做过一些工作 , 现论述如下 : 44 冶金能源 3 卷 1 期1984 . 1 三相圆环形感应器的三个线 圈的接线方 式可用星形或 三角形接法 。 导了滋体共有四个 极 , 这四个极形成三相的插 座 , 线 圈就放 在 插座里 , 中间相的极同两边相 的 相应极是共 用的 , 如图 3 所示 。 在该 图上还表 示出 了三 相圆环型感应器与中间线 圈不反相的条件下 相应的磁场强度H的分布情况 , 在磁极下 面 的磁场强度H 较小 。 用这样的感应器对工件 作固定加热 时 , 位于磁场 强 度较小处的工件 表面温度较低 , 这时 工件加热的温度均匀性 是个不利因素 。 相的相位差为6
