感應(yīng)加熱時電流趨膚效應(yīng)分析

感應(yīng)加熱時電流趨膚效應(yīng)分析

加熱具有效率高、加熱快、氧化少、占地面積小、環(huán)境保護(hù)、能耗低等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于pc鋼桿、預(yù)制鋼絲、彈簧鋼絲、氧化鋅鋼、旋轉(zhuǎn)帶等產(chǎn)品的生產(chǎn)。為了使感應(yīng)加熱既能滿足工藝要求,又能降低能耗,并充分發(fā)揮加熱電源的能力,正確地設(shè)計(jì)感應(yīng)加熱爐的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)十分重要。1加熱設(shè)備的特點(diǎn)1.1中小企業(yè)內(nèi)部流的圈感應(yīng)加熱就是把被加熱工件置于通有交流電流的線圈中,在交變磁場的作用下被加熱工件內(nèi)部會產(chǎn)生感應(yīng)電勢,感生電勢產(chǎn)生渦流,依靠渦流的能量使工件得到加熱,如圖1所示。1.2小到半導(dǎo)體表層電流密度的確定鋼絲的熱處理要求其橫截面溫度基本均勻一致,但在感應(yīng)加熱過程中,交變磁場在導(dǎo)體內(nèi)部引起的渦流在導(dǎo)體橫截面上的分布是不均勻的,電流主要集中在導(dǎo)體表面,稱之為趨膚效應(yīng),如圖2所示。電流的頻率愈高,趨膚效應(yīng)越明顯。工程上規(guī)定,導(dǎo)體中的電流密度減小到導(dǎo)體表層電流密度的1/e(e為自然底數(shù)e≈2.71828183)處的深度δ為電流穿透層,在穿透層δ內(nèi)產(chǎn)生的能量為進(jìn)入金屬表面能量的86.4%。透入電流深度δ=503ρμrf???√?(1)δ=503ρμrf?(1)式(1)中:δ為電流穿透層厚度,m;ρ為鋼絲電阻率,Ω·m;μr為鋼絲相對導(dǎo)磁率;f為電流頻率,Hz。由于趨膚效應(yīng),電流密度從鋼絲表面到心部逐漸減小,鋼絲心部加熱相對不足,其溫度總是比表面上升得慢,鋼絲心部的加熱主要依靠熱傳導(dǎo)作用,因此,在感應(yīng)加熱中必須充分考慮頻率、加熱時間、合理的均溫措施和均溫時間,以達(dá)到心部和表面溫度相一致的目的。另外,感應(yīng)加熱時的熱能損失是由于鋼絲表面的熱輻射和對流產(chǎn)生的,分析表明,在低溫時對流是熱損失的主要方式,但在高溫加熱工況下熱輻射遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱對流的損失。1.3流深度d的影響鋼絲感應(yīng)加熱屬于穿透加熱,頻率的選擇主要考慮2個因素:感應(yīng)加熱爐的加熱效率和鋼絲橫截面的溫度均勻性。這2個因素主要反映在透入電流深度δ和鋼絲直徑D的關(guān)系上:當(dāng)D>6δ時,感應(yīng)加熱器的效率不會增加更多,反而會因?yàn)閭鬏敁p耗的加大、加熱時間延長、熱損耗加大等引起整個加熱系統(tǒng)效率的降低;當(dāng)D<3δ時,雖然能夠減小鋼絲心部和表面溫度差,但感應(yīng)器的效率急劇降低,所以對于鋼絲感應(yīng)加熱,透入電流深度δ和鋼絲直徑D最佳的比例為6>D/δ>3。為方便設(shè)計(jì),列出了加熱不同非磁性材料的線材、不同加熱頻率對應(yīng)的最小直徑,見表1。1.4感應(yīng)加熱頻率的選擇對于鋼絲等磁性材料的加熱,到達(dá)居里溫度點(diǎn)以上時,磁性材料相對導(dǎo)磁率μr變化非常大。如中碳鋼的居里溫度點(diǎn)約為760℃,溫度超過居里點(diǎn),μr=1,而在居里溫度點(diǎn)以下,相對導(dǎo)磁率的值隨磁場強(qiáng)度H不同而不同,一般μr為10～100,在相同的溫度下,磁場強(qiáng)度越大,相對磁導(dǎo)率越小,如圖3所示,因而鋼絲的感應(yīng)加熱過程分為2個階段。居里溫度點(diǎn)以下時,鋼絲的導(dǎo)磁率較高,電流透入深度較小,趨膚效應(yīng)顯著,根據(jù)公式(1),要使感應(yīng)器的效率提高,可采用較低的感應(yīng)加熱頻率,以提高電流穿透層加熱深度。在加熱的初始階段,溫度升高導(dǎo)致材料電阻率增加,電流透入深度有微小增加。隨著溫度的進(jìn)一步提高,超過550℃以后,相對導(dǎo)磁率開始明顯下降,從而引起電流透入深度增加。當(dāng)加熱溫度接近居里點(diǎn)時,鋼絲變?yōu)榉谴判圆牧?相對導(dǎo)磁率突然下降,接近于1,電流透入深度將劇烈增大(15倍以上),渦流強(qiáng)度急劇下降,感應(yīng)器和工件的耦合變差,即感應(yīng)器向工件傳遞能量的能力下降,從而導(dǎo)致感應(yīng)器的加熱效率降低非常多,此時,應(yīng)提高加熱頻率以提高加熱效率。由以上分析,對于磁性材料加熱到居里點(diǎn)以上溫度的工況,應(yīng)選用雙頻加熱的方式,即在加熱初始階段,鋼絲仍保持磁性材料特性時采用低頻加熱,頻率選擇見表2。在最終階段,鋼絲已經(jīng)變?yōu)榉谴判圆牧?使用高頻加熱更為有效,其頻率的選擇參見表1中的不銹鋼品種。2由卡盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)2.1感應(yīng)加熱爐結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響分析感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)很大程度上決定了感應(yīng)加熱爐的系統(tǒng)效率和使用壽命,特別是感應(yīng)器內(nèi)徑與鋼絲外徑之間的空氣間隙對感應(yīng)器的效率影響很大。小的空氣間隙意味著鋼絲和感應(yīng)器之間有好的電磁耦合,即感應(yīng)器給鋼絲傳輸能量的能力強(qiáng),因此有高的傳遞效率。但是,鋼絲在感應(yīng)器內(nèi)移動時,又必須留有足夠的空氣間隙,使得鋼絲不致碰擦銅管線圈產(chǎn)生短路。鋼絲的傳動方式、張力大小、直徑和銅管外形尺寸、絕緣材料厚度以及感應(yīng)器安裝方式等因素決定了鋼絲能否與感應(yīng)器之間保持良好的同心度,使鋼絲平穩(wěn)地通過感應(yīng)器。顯著影響感應(yīng)器效率和輸出功率的結(jié)構(gòu)參數(shù)還包括感應(yīng)器的匝間距和長度。一方面,緊湊的匝間距會減少感應(yīng)器的漏磁,增加磁場強(qiáng)度,從而影響磁性材料的相對導(dǎo)磁率;另一方面,感應(yīng)器軸向的磁場分布是不均勻的,端部的磁場強(qiáng)度只有中間的一半,增加感應(yīng)器的長徑比,可以減小端部的磁場泄漏,從而提高感應(yīng)器的效率,因此,長而緊湊的感應(yīng)器相對于短而稀疏的感應(yīng)器效率更高,特別是加熱非磁性材料的鋼絲時,推薦感應(yīng)器的長度至少是其內(nèi)徑的5倍。感應(yīng)加熱爐長度、間距、保溫段長度決定了加熱時間和保溫時間,也就決定了鋼絲的橫截面溫度(表面溫度、心部溫度及心表溫差)的分布。20世紀(jì)90年代以前,感應(yīng)加熱爐設(shè)計(jì)主要通過基于變壓器原理的等效電路模型及經(jīng)試驗(yàn)修正的經(jīng)驗(yàn)公式的方法,應(yīng)用簡單公式分析和半數(shù)字化解析方法進(jìn)行。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代感應(yīng)加熱設(shè)計(jì)能夠利用高效的數(shù)值分析方法,得到近似精確的電磁場、溫度場解,從而對工藝參數(shù)和感應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。圖4為利用一維有限差分法,對鋼棒連續(xù)生產(chǎn)線加熱過程中鋼棒橫截面溫度進(jìn)行的數(shù)值計(jì)算,并采用共軛梯度法對感應(yīng)加熱爐長度、間距、磁場強(qiáng)度等工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。2.2應(yīng)力加熱爐結(jié)構(gòu)及工作原理圖5為PC鋼棒生產(chǎn)線的感應(yīng)加熱爐。該生產(chǎn)線可生產(chǎn)?7.1～12.6mm規(guī)格的PC鋼棒,生產(chǎn)線運(yùn)行速度為100m/min,產(chǎn)量約3t/h,其中淬火加熱段由3臺感應(yīng)加熱爐組成,回火加熱段用1臺感應(yīng)加熱爐。圖5a為PC鋼棒生產(chǎn)線感應(yīng)加熱爐負(fù)載柜的外形,主要由感應(yīng)器,匹配電熱電容器、匯流通水母排、水分配器、低水壓保護(hù)等裝置組成。其中感應(yīng)器采用通水紫銅管繞制,內(nèi)置耐高溫云母管,每臺感應(yīng)加熱爐由多段感應(yīng)器串并聯(lián)組成,每段感應(yīng)器之間加裝定位導(dǎo)向裝置,以保證PC鋼棒運(yùn)行穩(wěn)定。圖5b為?9.0mm鋼棒淬火段第1段加熱爐結(jié)構(gòu)示意圖,感應(yīng)器為螺旋管感應(yīng)器,8個感應(yīng)器串聯(lián),感應(yīng)器內(nèi)徑26mm,外徑46mm,長度244mm,匝數(shù)16。加熱爐頻率和阻抗匹配選擇合理,對于相近規(guī)格的鋼棒通用性好