中频电磁感应加热器设计

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1、摘要本文以感应加热为研究对象，简要介绍了感应加热的基本原理和特点，阐述了感应加热 技术的现状及其发展趋势。本文主要研究了感应加热器的设计方法。感应加热器是利用工件 中的涡流的焦耳效应将工件加热，这种加热方式具有效率高、控制精确、污染少等特点，在 工业生产中得到了广泛的应用。如何设置感应线圈的参数使之满足被加热工件中性能要求普 遍关注的问题。传统的设计方法是利用线圈在整个电路中的等效电阻地位，利用一系列电磁学公式计算 出线圈的性能参数。然而这种基于实验的系统设计方法却耗时费力，并且测量成本高。因此， 近似模拟方法对于感应加热器的设计和研究具有重要意义。本文的主要工作是建立感应加热器的近似设计方法

2、。从感应加热理论的一系列经过实 验数据修正过的理论曲线为依据，根据工艺要求得出相关物理参数，并通过计算得到感应器 的设计参数。关键词：第一章 绪论1.1 国内外感应加热的发展与现状 随着现代科学技术的发展，对机械零件的性能和可靠性要求越来越高，金属零件的性 能和质量除材料成分特新外，更与其加热技术密不可分。例如，加热速度的快慢不仅影响生 产效率而且影响产品的氧化程度，局部温度过冷或过热可能导致产品变形甚至损坏等。由于 感应加热具有热效率高，便于控制等优点，目前在金属材料加工，处理等方面得到广泛应用。在工业发达国家，感应加热研究起步较早，应用也更为广泛。1890 年瑞士技术人员发 明了第一台感应

3、熔炼炉开槽式有芯炉，1916 年美国人发明了闭槽式有芯炉，感应加热 技术开始进入实用化阶段。1966 年，瑞士和西德开始利用可控硅半导体器件研制感应加热 装置。从此感应加热技术开始飞速发展，并且被广泛用于生产活动中。在我国，感应加热技术起步比较晚，与世界发达国家相比存在较大的差距。直到80 年代 初，感应加热设备才有一定的应用，但因其与其它加热方式相比在节能和无环境污染等方面 的显著优势，近几年来得到了长足的发展，已经广泛应用于钢铁、石油、化工、有色金属、 汽车、机械、和军工产品的零部件热处理方面，且随着感应加热技术的进一步发展，其市场 应用前景将越来越广阔。金属感应热处理中的加热目标是将金属

4、加热到特定温度分布，比如热轧，不仅要求表面达 到一定的温度，而且要求工件加热温度均匀，即工件径向与轴向温差小。在此特定温度下进 行轧制既能保证能源的合理利用，又能使轧制力在正常范围内以方便轧制。又如在淬火加热 中，除了表面温度要求外，对加热层厚度也有不同要求。所有这些都要求加热功率、加热时 间等工艺参数选择合理。而在实际生产中，生产过程的复杂性以及人工控制的不精确性和随 机性，可能就会产生两种不希望出现的情况：一是加热功率过大，加热时间过短。虽然钢坯 的表面温度已达到要求，但钢坯内部却没达到工艺温度分布要求，将会影响后续工艺。如在 轧制过程中，如果钢坯没被加热透，硬度较大，不仅对热成型的成品、

5、半成品的质量造成很 大影响，损坏产品信誉，而且会使轧制钢坯的轧锟逐渐产生裂纹，严重缩短轧锟的寿命，导 致轧锟仅在短短数月甚至是一个月左右就不能再用。而轧锟成本一般比较高，会给工厂造成 较大的损失；二是加热功率过小，加热时间过长。这种情况不仅会增加氧化皮含量，而且浪 费能源。在能源价格日益上涨和能源危机日趋严重情况下，应尽可能避免这种现象发生，以 节约能源，造福后世。同时加热时间过长也会降低工厂的生产率，增加产品的成本。总而言之，加热炉内的加热温度，一方面影响加热炉的能耗和工件烧损，另一方面又影 响后续工艺。将工件温度控制在合理的范围内，既可保证产品的性能，又可使加热炉和后续 设备的总能耗最低。

6、因此，如何在复杂的生产过程中有效地控制加热温度是当前迫切需要解 决的问题。要有效地控制加热温度， 其中最关键的是在确定钢坯表面温度的同时，也确定 钢坯的芯部温度，然而就目前的测温技术而言，很难用仪器直接测量出被加热钢坯的芯部温 度。目前的做法是热处理完毕之后，在室温状态下通过解剖方法测定组织状态和残留应力分 布情况下来进行估算。这种算法不仅耗费大量人力、物力、和时间，而且所得的仅是某一零 件、某一具体工艺条件下的最后情况，很难获得直接推广应用的规律性成果。故目前感应加 热热处理工艺大多数还是建立在定性分析基础上，凭经验制定的，生产力迅速发展要求的高 质量、低成本相去甚远。1.2 感应加热的优点

7、1）加热速度快：用电磁感应加热时，温度上升的速度远比用石油或煤气加热的速度快得多；2）铁屑损耗少：快速加热能有效地降低材料损耗。而用煤气为燃料的装置，加热速度慢， 损耗很大；3）启动快：在有些加热装置中，有很多耐火材料，加热启动时它们吸收热量，即装置的热惯 性大。感应加热不存在这类问题，因而启动快；4）节能：不工作时感应加热电源可以关闭，因为感应加热启动快的特点，而对其他装置来说， 由于启动慢，不工作时，也必须维持一定的加热温度；5）生产效率高：由于加热时间短，感应加热可以提高生产效率，降低成本。除此之外，感 应加热还有便于控制、易于实现自动化、减少设备占地面积、工作环境安静、安全、洁净、 维

8、护简单等优点。第二章 感应加热基本原理2.1 感应加热原理及主要特点2.1.1 电磁感应与涡流发热感应加热实质是利用电磁感应在导体内产生的涡流发热来加热工件的电加 热，它是依靠感应器通过电磁感应把电能传递给被加热的金属，电能在金属内部 转变为热能，达到加热金属的目的。以加热圆柱形工件为例，其原理如图2.1, 电流通过线圈产生交变的磁场，当磁场内磁力通过待加热金属工件时，交变的磁 力线穿透金属工件形成回路，故在其横截面内产生感应电流，此电流称为涡流, 可使待加热工件局部迅速发热，进而达到工业加热的目的。11电塩感曲加外揀趣Fig 2.1 principle of clcc-tirrmagietk

9、 Qi4iKtK3i butgg感应加热基本原理可以用电磁定理和焦耳一楞次定理来描述，电磁感应定理内容为：当穿过任何一 闭合回路所限制的面的磁通量随时间发生变化时，在回路上就会产生感应电动势e:de =-dt需要加热的金属工件自成回路，在横截面内产生感应电流，此电流称涡流，并用表示If， 其值取决于感应电动势E和涡流回路的阻抗Z：I = E = Ef ZJR 2 + X 厶 2式中：E 感应电动势等效值；R 涡流回路内的电阻；X涡流回路内的感抗；L由于Z值很小，涡流If可以达到很高的数值，在此电流流动时，为克服导体本身的电阻而 产生焦耳热，因而能在极短时间里加热工件到很高的温度。感应电动势使工

10、件导体中产生涡流i，进而产生焦耳热Q。这一过程可用焦耳一楞次定律 表达为：Q 二 i2Rt(2.3)感应加热的加热过程是电磁感应过程和热传导过程的综合体现，电磁感应过程具有主导作 用，它影响并在一定程度上决定着热传导过程。热传导过程中所需要的热能是由电磁感应过 程中所产生的涡流功率提供的。应当指出，对磁铁材料来讲，除涡流产生热效应外，还有磁 滞热效应，但这部分热量比涡流产生的热量小得多，故在以后的讨论中我们将忽略此部分的 热量。2.1.2 集肤效应及透入深度众所周知，直流电流经导体时，电流在导体截面上是均匀分布的，而当给一个圆形断面直 导线通以交流电时，这时电流在导体截面上的分布将不再是均匀的

11、，导体表面上各点的电流 密度最大，而在导体中心轴线上电流密度最小，由外表面向内层以幂指数规律逐渐递减，这 种现象叫做集肤效应，也称表面效应或趋肤效应。在感应加热中，电源电流是交流电，工件 中的感应电流也是交流电流，因此同样具有集肤效应，在此效应作用下，工件中的电流密度 分布是不均匀的，以圆柱形工件为例，设表面的电流Io,沿工件半径方向x方向的电流密 度为：I = I e-x5(2.4)rD当x=5，-=曾，即为表面层密度的368%,把电流密度为Io/e的层称为电流透入 深度。可以计算出，在层中放出的能量为86.5%。在设计使用时，认为金属被加热的能量 先在 层产生，内层金属靠传热传导而被加热。

12、实际上工件表面 的地方，电流密度就差不 多降到零。电流透入深度可按下式计算： =50300式(2.5)中：P 工件的电阻率(O cm)，一般来说金属的温度越高，其电阻率越大，当温度从0oC升高到(850 900)0C时，钢的电阻率增加45 倍,而且可大致认为，在(850 900)。C温度范围内，各类钢的电阻率几乎相等，约为10-4O cm ；卩工件的相对磁导率，真空中和非铁磁性物质其取值1，磁铁性物质在居里点以下 时远大于1，居里点以上时接近1；f电源频率(Hz)；由式(2.5)可以看出，电流透入深度取决于电流频率f、零件材料的电阻率P和磁导 率卩。在材料P和卩一定时，可以通过调节f来调节5，

13、也就是说对于工件的加热厚度可 以方便的通过调节电源频率加以控制，频率越高，工件的加热厚度就越薄，这种性质在工业 金属热处理方面获得广泛的应用。需要说明的是，对磁铁物质而言，式2.5表示材料在失磁前的涡流透入深度，称为“冷 态的涡流透入深度”随材料温度的上升，会导致P增大和卩下降，从而使涡流分布平缓， 透入深度增大。当温度上升到磁性转变点时，由于其中卩急剧下降，可使涡流透入深度增 大几倍至几十倍。材料在失去磁性后的涡流透入深度称为“热态的涡流透入深度”，对于钢 铁材料在8000C热态时的涡流透入深度5热可按式2.6求出：5005 =热冷f2.1.3圆环效应圆环形的导体通过高频（或中频）交变电流时

14、所产生的磁场在环内空间集中，环外分散， 见图2.2。.环内的磁通不仅穿过环外空间，同时也穿过环形导体自身，这样就使环形导体外 侧交链的磁通多于内侧，于是环形导体外侧产生较大的感应电动势，迫使电流在环形导体内 侧的电流透入深度层中流过，这种现象称为电流的圆环效应或环状效应。环状效应使感应器 上的电流密度集到感应器内侧，对加热零件外表面十分有利，但对加热零件内孔时，此效应 使感应器电流远离加热零件表面，是有害的。如图2.2，在圆环导体中通以交流电时，所产生的磁通在环内空间集中，环外分散，最 大电流密度分布在环状导体内侧，这种现象叫环状效应，也叫圆环效应。圆环效应的实质是 环形感应器的临近效应。图2

15、.2圆环效应2.1.4透入式加热和传导式加热当感应线圈刚刚接通电源，工件温度开始明显升高前的瞬间，涡流在零件中的透入 深度是符合冷态分布式（2.5）的。由于越趋近零件表面涡流强度越大，因此表面升温也越 快。当表面出现已超过失磁温度的薄层时，加热层就被拆分成两层：外层的失磁层和与之毗 邻的未失磁层。失磁层内的材料导磁率卩的急剧下降，造成了涡流强度的明显下降，从而 使最大的涡流强度出现在失磁层和未失磁层的交界处。涡流强度分布的变化，使两层交界处 的升温速度比表面的升温速度更大，因此使失磁层不断向纵深移动，零件就这样得到逐层而 连续的加热，直到热透深度为止。这种加热方式称为透入式加热。热当失磁的高温

16、层厚度超过热态的涡流透入深度后，继续加热时，热量基本上是依靠 热在厚度为5的表层中析出，而在此层内越靠近表面，涡流强度和所得的能量越大。同时， 热由于热传导的作用，加热层的厚度将随时间的延长而不断增大。当零件的加热层厚度远远大 于材料在该电流频率下热态的涡流透入深度时，那么这种加热层就是主要依靠传导式方式获 得的，其加热过程及沿截面的温度分布特性与用外热源加热（如在炉内加热或火焰加热）的 基本相同，为热传导加热方式。热总是从温度高的地方向温度低的方向转移，称之为热传递。从微观来看，就是区域分 子受到外界能量冲击后，由能量高的区域分子传递至能量低的区域分子。热传递主要有三种 方式：传导、对流和辐射。固体的热传递方式就是热传导。热传导是