感應加熱

感應加熱

電磁感應加熱,或簡稱感應加熱,是加熱導體材料比如金屬材料的一種方法。它主要用於金屬熱加工、熱處理、焊接和熔化。

顧名思義,感應加熱是利用電磁感應的方法使被加熱的材料的內部產生電流,依靠這些渦流的能量達到加熱目的。感應加熱系統的基本組成包括感應線圈,交流電源和工件。根據加熱對象不同,可以把線圈製作成不同的形狀。線圈和電源相連,電源為線圈提供交變電流,流過線圈的交變電流產生一個通過工件的交變磁場,該磁場使工件產生渦流來加熱。

姜土林 趙長漢編著,感應加熱原理與套用,天津科技翻譯出版公司,1993年02月第1版,第1頁

基本介紹

  • 中文名:感應加熱
  • 外文名:induction heating
  • 性質:加熱
  • 幾秒鐘內:表面溫度上升到800-1000℃
  • 高頻:10KHZ以上
工藝簡介,感應加熱原理,原理,頻率選擇,經驗公式,具體套用,感應加熱設備,表面淬火,技術研究,

工藝簡介

感應加熱是一種相當新的工藝,它之所以獲得套用,主要是由於它獨特的性能。當迅速變化的電流流過金屬工件時,便產生集膚效應,它使電流集中於工件表層,在金屬表層上產生一個選擇性很高的熱源。法拉弟發現了集膚效應的這個優點,發現了電磁感應這個值得注意的現象。他也是感應加熱的奠基者。感應加熱不要求外部熱源,而是利用受熱工件自身作為熱源,這個方法也不要求工件與能源即感應線圈接觸。其他的性能,包括可以根據頻率選擇不同的加熱深度,根據線圈耦合設計而得到精確的局部加熱,以及很高的功率密集度,或者說很高的功率密度。
適於感應加熱的熱處理過程應充分利用這些特性,並按下列步驟設計出完整的設備。
首先,工藝要求必須與感應加熱的基本特性相符。本章將敘述工件中的電磁效應、合成電流的分布和吸收的功率。根據感應電流產生的加熱效應和溫度效應,以及在不同的頻率,不同的金屬和工件形狀下,溫度的分布狀況等這些知識,使用者和設計者,即可根據技術條件的要求決定其棄取。
第二,感應加熱的具體形式,必須按是否符合技術條件的要求而確定,還應廣泛掌握套用和發展情況,感應加熱主要的套用趨勢。
第三,感應加熱的適宜性和最好的使用方法確定之後,便可設計出感應器和供電系統。
感應加熱中的許多問題,與工程上的一些基本感性知識很相似,一般都是來源於實踐經驗。也可以這樣說,如果沒有對於感應器形狀、電源頻率和受熱金屬熱工性能的正確理解,就不可能設計出感應加熱器或系統。
感應加熱的作用,在不可見的磁場影響下,與火焰淬火是一樣的。例如,由高頻發生器產生的較高頻率(200000赫以上),一般能產生劇烈、快速和局部性的熱源,相當於小而集中的高溫氣體火焰的作用。反之,中頻(1000赫及10000赫)的加熱效果,比較分散和緩慢,熱量穿透較深,與比較大的和開闊的氣體火焰相似。

感應加熱原理

原理

感應加熱表面淬火是利用電磁感應原理,在工件表面層產生密度很高的感應電流,迅速加熱至奧氏體狀態,隨後快速冷卻得到馬氏體組織的淬火方法,。當感應圈中通過一定頻率的交流電時,在其內外將產生與電流變化頻率相同的交變磁場。金屬工件放入感應圈內,在磁場作用下,工件內就會產生與感應圈頻率相同而方向相反的感應電流。由於感應電流沿工件表面形成封閉迴路,通常稱為渦流。此渦流將電能變成熱能,將工件的表面迅速加熱。渦流主要分布於工件表面,工件內部幾乎沒有電流通過,這種現象稱為表面效應或集膚效應。感應加熱就是利用集膚效應,依靠電流熱效應把工件表面迅速加熱到淬火溫度的。感應圈用紫銅管制做,內通冷卻水。當工件表面在感應圈內加熱到一定溫度時,立即噴水冷卻,使表面層獲得馬氏體組織。
感應電動勢的瞬時值為:
式中:e——瞬時電勢,V;Φ——零件上感應電流迴路所包圍面積的總磁通,Wb,其數值隨感應器中的電流強度和零件材料的磁導率的增加而增大,並與零件和感應器之問的間隙有關。
為磁通變化率,其絕對值等於感應電勢。電流頻率越高,磁通變化率越大,使感應電勢P相應也就越大。式中的負號表示感應電勢的方向與
的變化方向相反。
零件中感應出來的渦流的方向,在每一瞬時和感應器中的電流方向相反,渦流強度取決於感應電勢及零件內渦流迴路的電抗,可表示為:
式中,I——渦流電流強度,A;Z——自感電抗,Ω;R——零件電阻,Ω;X——阻抗,Ω。
由於Z值很小,所以I值很大。
零件加熱的熱量為:
式中Q——熱能,J;t——加熱時間,s。
對鐵磁材料(如鋼鐵),渦流加熱產生的熱效應可使零件溫度迅速提高。鋼鐵零件是硬磁材料,它具有很大的剩磁,在交變磁場中,零件的磁極方向隨感應器磁場方向的改變而改變。在交變磁場的作用下,磁分子因磁場方向的迅速改變將發生激烈的摩擦發熱,因而也對零件加熱起一定作用,這就是磁滯熱效應。這部分熱量比渦流加熱的熱效應小得多。鋼鐵零件磁滯熱效應只有在磁性轉變點A2(768℃)以下存在,在A2以上,鋼鐵零件失去磁性,因此,對鋼鐵零件而言,在A2點以下,加熱速度比在A2點以上時快。

頻率選擇

感應加熱頻率的選擇:根據熱處理及加熱深度的要求選擇頻率,頻率越高加熱的深度越淺。
高頻(10KHZ以上)加熱的深度為0.5-2.5mm, 一般用於中小型零件的加熱,如小模數齒輪及中小軸類零件等。
中頻(1~10KHZ)加熱深度為2-10mm,一般用於直徑大的軸類和大中模數的齒輪加熱。
工頻(50HZ)加熱淬硬層深度為10-20mm,一般用於較大尺寸零件的透熱,大直徑零件(直徑300mm以上,如軋輥等)的表面淬火

經驗公式

感應加熱淬火表層淬硬層的深度,取決於加熱的厚度,而加熱的厚度又取決於交流電的頻率,一般是頻率高加熱深度淺,淬硬層深度也就淺。頻率f與加熱深度δ的關係,有如下公式:
式中:f為頻率,單位為Hz;δ為加熱深度,單位為毫米(mm)。

具體套用

感應加熱表面淬火具有表面質量好,脆性小,淬火表面不易氧化脫碳,變形小等優點,所以感應加熱設備在金屬表面熱處理中得到了廣泛套用。

感應加熱設備

感應加熱設備是產生特定頻率感應電流,進行感應加熱及表面淬火處理的設備。

表面淬火

將工件放在用空心銅管繞成的感應器內,通入中頻或高頻交流電後,在工件表面形成同頻率的的感應電流,將零件表面迅速加熱(幾秒鐘內即可升溫800~1000度,心部仍接近室溫)後立即噴水冷卻(或浸油淬火),使工件表面層淬硬。
與普通加熱淬火比較感應加熱表面淬火具有以下優點:
1、加熱速度極快,可擴大A體轉變溫度範圍,縮短轉變時間。
2、淬火後工件表層可得到極細的隱晶馬氏體,硬度稍高(2~3HRC)。脆性較低及較高疲勞強度。
3、經該工藝處理的工件不易氧化脫碳,甚至有些工件處理後可直接裝配使用。
4、淬硬層深,易於控制操作,易於實現機械化,自動化。

技術研究

現代感應加熱電源正朝著大功率,高頻化方向發展。這對現代電力電子器件來說是一個相當大的挑戰。傳統的方法是採用器件串並聯的方式,但這存在器件之間均流均壓閒難的問題,特別是當器件串並聯很多時,則需要保證精確的同步信號,以避免器件之間的環流損壞電力電子器件。但在很多情況下這很難精確保證。特別是當串並聯器件較多功率等級很大時,它的優良特性可有效地減少逆變橋並聯之間的環流,通過參數設計可以均衡各橋的功率分配,降低器件的損耗,從而有效地解決了逆變橋並聯中出現的一些問題,有利於感應加熱電源多橋並聯,提高輸出功率和可靠性。
感應加熱並聯模組環流分析
LLC諧振負載最大的優點是有利於感應加熱中的多機並聯,它不需要在逆變器之間附加任何元件,即使各橋的信號延時角度很大也能保證系統止常工作,抑制各橋之間的環流,調節各逆變器的輸出功率。
感應加熱設備未來特性
隨著感應熱處理生產線自動化控制程度及電源高可靠性要求的提高,必須加強加熱工藝成套裝置的開發。同時感應加熱系統正向智慧型化控制方向發展,具有計算機智慧型接口、遠程控制和故障自動診斷,小型化,適合野外作業,高效節能等控制性能的感應加熱電源系統正成為未來的發展目標。

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