感应加热在锻打透热上的应用

北辰亿科  高欢欢

1.绪论

生产制造行业是个竞争异常激烈的行业，所有成功的制造业者比以往任何时候更专注于采用更高效和更经济的方法进行生产。感应加热在锻造这个行业扮演着非常重要的角色。感应加热不仅在加热的成本和效率上比传统的加热设备高很多，而且不论是生产环境还是对环境的污染都更小，感应加热在众多的加工制造行业中有非常广的应用和发展空间。

2.锻造及感应加热介绍

2.1 锻造简介

今日所称的锻造概念，包括自由锻、模锻、挤压、轧制、冷镦、冷冲和辗扩等诸多工艺方法，除冷镦、冷冲在常温下进行外，不论采用何种锻造方法，都要将欲进行锻造的金属坯料进行预先加热，以使金属具有良好的塑性，较低的变形抗力。经过锻造的金属，组织更为致密，具有更高的力学性能。

一般金属锻造坯料的加热温度，取决于金属的再结晶温度。锻造的温度与金属的性质密切相关。钢的再结晶温度约在460℃左右。300-800℃一般称为温锻；钢的热锻依据合金的差异一般介于800-1200℃。而对于铝及铝合金，一般的锻造温度在400℃左右；铜与铜合金的锻造温度在750-900℃；钛及钛合金的锻造温度通常都要高于1000℃。

 

图1 坯料加热

 

不言而喻，金属坯料锻造之前必须对坯料加热。凡是能使金属温度升高的至锻造工艺要求的热源都可以利用，但选择加热设备仍需考略能源的经济性，加热设备建造的投入成本，加热温度控制的可能性、稳定性，以满足环保所提出的要求。

       2.2 感应加热介绍

感应加热多数用于工业金属零件表面淬火、金属熔炼、棒料透热、刀具焊接等多个领域，是使工件内部产生一定的感应电流，形成涡流，迅速加热零件表面，达到表面迅速加热，甚至透热融化的效果。

图2 感应加热

 

1）感应加热可以使金属物体瞬间被加热到所需的温度；

2）感应加热不需要象其它加热方式那样，先产生高温后再去加热金属物体，它可以在金属物中直接产生高温；

3）感应加热不但可以使金属物体整体加热，也可以选择性地对每个部位进行局部加热；

4）感应加热是一种加热方式的革命，同样是电能加热，它却可以比电炉、电烘箱等节电百分之四十。

感应加热的基本原理是将工件放在一个由铜管制成的感应器内，感应器中通入一定频率的交流电，在感应器周围将产生一个频率相同的交变磁场，于是工件内就会产生同频率的感应电流，这个电流在工件内形成回路，称为涡流。此涡流能使电能变为热能加热工件。涡流在工件内分布是不均匀的，表面密度大，心部密度小。通入感应器的电流频率愈高，涡流集中的表层愈薄，这种现象称为集肤效应。由于集肤效应使工件表面迅速被加热，应用在锻打透热上时，加热频率需依据坯料的尺寸来确定，一般为中频，使得表面和心部温差不至于过大。

3.锻压主要组成及参数计算

3.1 加热设备主要组成

锻压生产中的感应加热设备大多由以下三部分组成：

（1）电源  锻压生产中的多数为10KHZ以下，功率为200-3000KW，在数字加热电源出现前，模拟机电源主开关元件多以晶闸管为主，体积大，不便于自动化生产。数字加热电源体积小，控制精度高，可与其他控制系统连接，实现自动化生产。

图3 全数字感应加热电源

 

（2）感应加热炉  加热炉主要为铜管绕制的感应线圈和密封耐高温结构组成，作用是将电能转化为热能使坯料升温。

 

图4 加热炉

 

（3）控制和操作系统  锻压生产中控制和操作系统多以PLC加操作面板来执行生产节拍。智能化、自动化控制，保证高的生产精度及效率。

3.2 参数计算

锻造生产中主要计算加热电源的功率和频率。

（1）功率计算

透热功率非常重要的指标。在透热中，能量密度应该保持相应低一些，以允许进行从外从外层（通过较高电流密度可以较快地加热）到里层的热传导。在忽略温度梯度的影响后，吸收的能量取决于所需的温升ΔT，单位时间内加热的总重量m ，以及材料的比热Cm。

P₁=Cm*m*ΔT/s

其中，P₁为加工所需要的总功率，单位为 kJ / s ；Cm为金属比热，单位为

kJ/（kg*℃）；m为被加热的质量，单位为kg；T 为需要加热的温升，单位为℃ 。

这里的P₁是加工总功率，还需要考虑热辐射P₂和线圈损耗P₃。当然，在快速加热的场合，可以忽略热辐射P₂。

热辐射P₂=Aeσ(T₁⁴-T₂⁴)，其中，A₁是工件表面积，e 是工件表面辐射率，σ是斯潘特-玻尔兹曼常数，T₁和T₂分别为工件和环境温度，单位为K式温度（K 式温度为绝对温度273.15 摄氏度）。在200摄氏度到595摄氏度区间，钢的辐射率为0.8。

线圈损耗P₃就是线圈上的损耗。这个损耗可以通过减少感应圈的电阻来减少。比如，采用高纯度的铜管或是超导材料。这个损耗会导致感应器发热，必须进行冷却。

电源功率P=（P₁ P₂ P₃）*n，n为加热效率，不同的材质加热效率不同。如钢的加热效率约为0.6。

（2）频率计算

工作频率的选取对透热的均匀性和节能都有非常重要的意义。在选择合适的工作频率时，首先需要了解穿透深度的概念。

穿透深度指的是，大约86%的能量集中的深度。

d=50300

其中，d是穿透深度，单位是c；P1为工作温度下的感应器电阻率，单位为Ω· cm；f 为工作频率，单位为Hz；u₁为感应圈的相对磁导率，无单位。

需要注意的是，由于电阻率和导磁率的变化，穿透深度随着温度的变化而变化。通常电阻率是正温度系数，也就是说，电阻率随着温度的上升而增大，所以，穿透深度会变深。对于非导磁体材料，穿透深度通常会变深2-3 倍。对于导磁体，可能随着温度的升高导致失磁，比如铁在居里点770 度左右，导磁率会很快下降到1，穿透深度会增加20 倍左右。

直径ａ和穿透深度ｄ之比的函数，称为工件电阻系数。当a/d=4时，此时的临界频率为最佳加热频率。

4.结语

在这个高速发展的工业化进程中，高生产效率和高质量产品是所有生产型企业共同追求的目标。时间就意味着效益，品质决定能走多远，感应加热凭借其独特的优势在热处理加工行业被广泛应用。随着更加智能化、小型化加热电源的发展，在各个热处理行业都有着重大意义，如锻造、焊接、淬火、退火等，搭配相应的机械装置，能够完全实现自动化生产。随着新技术的出现，相信未来感应加热也会走的更远。