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发热芯的原理

来源:三来司 发布时间:2013-7-14 10:09:05

电磁感应式加热的分类与区别 

英国物理学家法拉第的电磁感应定律告诉我们磁可以生电,丹麦的自然哲学家奥斯特的右手定则(安培定则)告诉我们电可以生磁。然而无论是磁生电还是电生磁,所针对的物体必须具有良好的导电、导磁或既导电又导磁的的特性。由于通常只有金属材料才能符合条件,而非金属材料中则只有石墨等极少数物质符合条件。因此电磁感应加热技术主要应用于对金属材料和石墨的加热。 
那么,热量是如何产生的呢?设备输出的交变电流,通过电感线圈(感应圈)转换成交变磁场后,作用于处于电磁场中的金属工件(或石墨)上。这时在工件中便会自然地产生许多闭合的旋转电流(涡流),该电流极大(相当于短路电流).由于电流具有热效应(Q=I*I*R*T),所以自然会产生了很多的热量。另外,工件内部还存在着一种磁滞损耗,它也会使工件内部产生一定的热量。因此,工件便会在极短的时间(多以秒计)内急剧升温.如果需要,可使任何金属材料达到熔点,石墨达到升华。 
     根据设备所输出的交变电流的频率高低不同,可将感应加热技术按工作频率分为五类:低频感应加热,中频感应加热,超音频感应加热,高频感应加热和超高频感应加热。               由于交变电流在导体中流动时存在着趋肤效应,即,随着电流的频率升高,电流会趋向于导体的表层流过。因此,这五种感应加热方式便有了不同的特性. 
    
   特性比较: 
低频感应加热方式 
  频率最低,频率范围:工频(50HZ)至1KHZ 左右,常用的频率多为工频。相对加热深度最深,加热厚度最大,约10-20mm;。主要用于对大工件的整体加热、退火、回火和表面淬火等。 
中频感应加热方式 
  频率范围:一般1KHZ20KHZ左右,典型值是8KHZ左右。加热深度、厚度约3-10mm。多用于较大工件,大直径轴类,大直径厚壁管材,大模数齿轮等工件的加热、退火、回火、调质和表面淬火及较小直径的棒材红冲、煅压等。 
超音频感应加热方式 
  频率范围:一般20KHZ40KHZ左右(因为音频频率为20HZ20KHZ,所以称它为超音频)。加热深度、厚度,约2-3mm。多用于中等直径的工件深层加热、退火、回火、调质,较大直径的薄壁管材加热、焊接、热装配,中等齿轮淬火等。 
高频感应加热方式 
  频率范围:一般40KHZ200KHZ左右,常用40KHZ80KHZ。加热深度、厚度,约1-2mm。多用于小型工件的深层加热、红冲、煅压、退火、回火、调质,表面淬火,中等直径的管材加热和焊接、热装配,小齿轮淬火等。 
超高频感应加热方式 
  频率相对最高,频率范围:一般200KHZ以上,可高达几十MHZ。加热深度、厚度最小,约0.1-1mm。多用于局部的极小部位或极细的棒材淬火、焊接,小型工件的表面淬火等。 

    感应式加热的主要优点和缺点: 

1)对工件无需整体加热,可有选择性地进行局部加热,因而电能消耗少,工件变形小。 
2)加热速度快,可使工件在极短的时间内达到所需温度,甚至1秒以内。从而使工件的表面氧化和脱碳都较轻,大多数工件都无须气体保护。 
3)可根据需要通过调整设备的工作频率和功率,对表面淬硬层进行调控。从而使淬硬层的马氏体组织较细,硬度、强度和韧性都比较高。 
4)经感应加热方式热处理后的工件,表面硬层下有较厚的韧性区域,具有较好的压缩内应力,使工件的抗疲劳和破断能力都更高。

5)加热设备便于安装在生产线上,易于实现机械化和自动化,便于管理,可有效地减少运输,节约人力,提高生产效率。 
6)一机多用。即可完成淬火、退火、回火、正火、调质等热处理工艺,又可完成焊接、熔炼、热装配、热拆卸及透热成形等工作。 
7)使用方便、操作简单、可随时开启或停止。且无须预热。 
8)即可手动操作,也可半自动和全自动操作;即可长时间地连继工作,亦可即用即停随机使用。有利于设备在供电低谷电价优惠期的使用。 
9)电能利用率高,环保节能,安全可靠,工人工作条件好,国家提倡。等等
虽然,它也存在着一些缺点。例如,设备比较复杂,一次投入的成本相对较高,感应部件(感应圈)互换性和适应性较差,不宜于在一些形状复杂的工件上应用等。但它的综合指标好,优点明显多于缺点。所以,感应式加热是目前金属加工的一种主要工艺。是取代煤炭加热、油料加热、燃气加热,以及电炉加热、电烘箱加热等加热方式的理想选择。 

    感应加热设备的选择 

如何选择、选用感应加热设备呢?主要要从几个方面考虑: 
被加热的工件形状和尺寸 
    工件大、棒料、实材,应选用相对功率大,频率低的感应加热设备;工件小、管材、板材、齿轮等,则选用相对功率小,频率高的感应加热设备。 
需要加热的深度和面积 
    加热深度深,面积大,整体加热,应选用功率大,频率低的感应加热设备;加热深度浅,面积小,局部加热,选用相对功率小,频率高的感应加热设备。 
所需的加热速度 
    需要的加热速度快,应选用功率相对较大,频率相对较高的感应加热设备。 
4)设备的连继工作时间 
    连续工作时间长,相对选用功率略大的感应加热设备。 
5)感应部件与设备的连线距离 
    连线长,甚至需要使用水冷电缆连接,应相对选用功率较大的感应加热设备。 
6)工艺要求 
    一般来说,淬火、焊接等工艺,相对可以功率选小一些,频率选高一些;退火、回火等工艺,相对功率选大一些,频率选低一些;红冲、热煅、熔炼等,需要透热效果好的工艺,则功率应选得更大,频率选得更低。 
7)工件的材料 
    金属材料中熔点高的相对选用功率大一些,熔点低的相对选用功率小一些;电阻率小的选用功率大一些,电阻率大的选用功率小一些。等等。

 感应加热技术目前对金属材料加热效率最高、速度最快,且低耗环保。它已经广泛应用于各行各业对金属材料的热加工、热处理、热装配及焊接、熔炼等工艺中。它不但可以对工件整体加热,还能对工件局部的针对性加热;可实现工件的深层透热,也可只对其表面、表层集中加热;不但可对金属材料直接加热,也可对非金属材料进行间接式加热。等等。因此,感应加热技术必将在各行各业中应用越来越广泛。 
     用感应电流使工件局部加热的表面热处理工艺。这种热处理工艺常用于表面淬火,也可用于局部退火或回火,有时也用于整体淬火和回火。20世纪30年代初,美国、苏联先后开始应用感应加热方法对零件进行表面淬火。随着工业的发展,感应加热热处理技术不断改进,应用范围也不断扩大。

 
  基本原理 将工件放入感应器(线圈)内,当感应器中通入一定频率的交变电流时,周围即产生交变磁场。交变磁场的电磁感应作用使工件内产生封闭的感应电流——涡流。感应电流在工件截面上的分布很不均匀,工件表层电流密度很高,向内逐渐减小这种现象称为集肤效应。工件表层高密度电流的电能转变为热能,使表层的温度升高,即实现表面加热。电流频率越高,工件表层与内部的电流密度差则越大,加热层越薄。在加热层温度超过钢的临界点温度后迅速冷却,即可实现表面淬火。 
  分类 根据交变电流的频率高低,可将感应加热热处理分为超高频、高频、超音频、中频、工频 5类。

① 超高频感应加热热处理所用的电流频率高达27兆赫,加热层极薄,仅约0.15毫米,可用于圆盘锯等形状复杂工件的薄层表面淬火。

② 高频感应加热热处理所用的电流频率通常为200300千赫,加热层深度为0.52毫米,可用于齿轮、汽缸套、凸轮、轴等零件的表面淬火。

③ 超音频感应加热热处理所用的电流频率一般为2030千赫,用超音频感应电流对小模数齿轮加热,加热层大致沿齿廓分布,粹火后使用性能较好

④ 中频感应加热热处理所用的电流频率一般为2.510千赫,加热层深度为28毫米,多用于大模数齿轮、直径较大的轴类和冷轧辊等工件的表面淬火。

⑤ 工频感应加热热处理所用的电流频率为5060赫,加热层深度为1015毫米,可用于大型工件的表面淬火。 
  特点和应用 感应加热的主要优点是:不必整体加热,工件变形小,电能消耗小。无公害。加热速度快,工件表面氧化脱碳较轻。表面淬硬层可根据需要进行调整,易于控制。加热设备可以安装在机械加工生产线上,易于实现机械化和自动化,便于管理,且可减少运输,节约人力,提高生产效率。淬硬层马氏体组织较细,硬度、强度、韧性都较高。表面淬火后工件表层有较大压缩内应力,工件抗疲劳破断能力较高。 
  感应加热热处理也有一些缺点。与火焰淬火相比,感应加热设备较复杂,而且适应性较差,对某些形状复杂的工件难以保证质量。 
  感应加热广泛用于齿轮、轴、曲轴、凸轮、轧辊等工件的表面淬火,目的是提高这些工件的耐磨性和抗疲劳破断的能力。汽车后半轴采用感应加热表面淬火,设计载荷下的疲劳循环次数比用调质处理约提高10倍。感应加热表面淬火的工件材料一般为中碳钢。为适应某些工件的特殊需要,已研制出供感应加热表面淬火专用的低淬透性钢。高碳钢和铸铁制造的工件也可采用感应加热表面淬火。淬冷介质常用水或高分子聚合物水溶液。  
  设备 感应加热热处理的设备主要由电源设备、淬火机床和感应器组成。 电源设备的主要作用是输出频率适宜的交变电流。高频电流电源设备有电子管高频发生器和可控硅变频器两种。中频电流电源设备是发电机组。一般电源设备只能输出一种频率的电流,有些设备可以改变电流频率,也可以直接用50赫的工频电流进行感应加热。  
  电源设备的选择与工件要求的加热层深度有关。加热层深的工件,应使用电流频率较低的电源设备;加热层浅的工件,应使用电流频率较高的电源设备。选择电源设备的另一条件是设备功率。加热表面面积增大,需要的电源功率相应加大。当加热表面面积过大时或电源功率不足时,可采用连续加热的方法,使工件和感应器相对移动,前边加热,后边冷却。但最好还是对整个加热表面一次加热。这样可以利用工件心部余热使淬硬的表层回火,从而使工艺简化,还可节约电能。 
  感应加热淬火机床的主要作用是使工件定位并进行必要的运动。此外还应附有提供淬火介质的装置。淬火机床可分为标准机床和专用机床,前者适用于一般工件,后者适用于大量生产的复杂工件。  
  进行感应加热热处理时,为保证热处理质量和提高热效率,必须根据工件的形状和要求,设计制造结构适当的感应器。常用的感应器有外表面加热感应器、内孔加热感应器、平面加热感应器、通用型加热感应器、特型加热感应器、单一型加热感应器、复合型加热感应器,熔炼加热炉等。

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