中頻電磁感應(yīng)正火及感應(yīng)加熱發(fā)生器基本原理

中頻電磁感應(yīng)正火及感應(yīng)加熱發(fā)生器基本原理附錄A.1中頻電磁感應(yīng)正火基本原理A.1.1感應(yīng)加熱原理是通過仿形感應(yīng)線圈，發(fā)生器為感應(yīng)線圈產(chǎn)生交變的電流，從而線圈產(chǎn)生交變的磁場，再利用交變磁場在工件上產(chǎn)生渦流達(dá)到加熱的效果。通過改進(jìn)電磁感應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計，能同時進(jìn)行雙股鋼軌同時感應(yīng)正火。改進(jìn)循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，實現(xiàn)恒水溫持續(xù)不間斷感應(yīng)正火。改進(jìn)感應(yīng)線圈開合結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)感應(yīng)線圈快速拆裝。參見圖A.1.1-1所示。圖A.1.1-1感應(yīng)加熱原理圖A.1.2說明：紫色圓環(huán)代表線圈，紅色圓環(huán)為工件（例如鋼管、鐵軌等），在線圈中施加交變電流后，可在工件上產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)而使工件發(fā)熱。在工程應(yīng)用時，為了提高加熱效率，有如下幾個基本要素：1需要較高的頻率，常為數(shù)千赫茲以上2需要很大的線圈電流，常為數(shù)百安培至數(shù)千安培3加熱功率和溫度需要按照一定的熱處理工藝進(jìn)行控制4線圈需要根據(jù)工件的形狀、不同的工藝設(shè)計形狀和圈數(shù)感應(yīng)加熱的原理：當(dāng)交變電流通入感應(yīng)圈時，感應(yīng)圈內(nèi)就會產(chǎn)生交變磁通，使感應(yīng)圈內(nèi)的工件受到電磁感應(yīng)電勢，設(shè)工件的等效匝數(shù)為，則感應(yīng)電勢：（A.1.2-1）如果磁通是交變的，設(shè)，則（A.1.2-2）工程上常用有效值簡化計算：用代入（f為頻率），且正弦波的峰值為有效值的1.414倍，則有效值為：（A.1.2-3）感應(yīng)電勢E在工件中產(chǎn)生感應(yīng)電流使工件內(nèi)部開始加熱，其焦耳熱為：（單位卡）（A.1.2-4）焦耳熱公式是：（1焦耳＝0.24卡）式中：——感應(yīng)電流有效值（安）；R——工件電阻（歐）；t——時間（秒）。感應(yīng)加熱（加熱工件表面）與燃?xì)饧訜?，電阻爐加熱等其它的加熱方式不同，它把電能直接作用于工件上，使工件發(fā)熱。而其它的加熱方式是通過熱傳導(dǎo)、熱輻射等間接的方式使工件發(fā)熱。因此感應(yīng)加熱的效率更高，能量密度大，可控性好。感應(yīng)電勢和發(fā)熱功率不僅與頻率和磁場強(qiáng)弱有關(guān)，而且與工件的截面大小、截面形狀等有關(guān)，還與工件本身的導(dǎo)電、導(dǎo)磁特性等有關(guān)。金屬中產(chǎn)生的加熱功率為：（A.1.2-5）其中：R為工件的等效電阻。由于工件的等效電阻R不僅與工件材質(zhì)的電導(dǎo)率成反比，還與工件的截面大小、截面形狀等有關(guān)，在交變電流下，還與導(dǎo)磁特性有關(guān)，在高溫下，還與電阻溫度系數(shù)、磁導(dǎo)率與溫度的關(guān)系有關(guān)。由此可見，感應(yīng)發(fā)熱功率與很多因素有關(guān)，它們主要有：1頻率2線圈圈數(shù)和寬度3施加在線圈上的電流大小4工件截面積和形狀5工件材質(zhì)的電磁特性及溫度系數(shù)特性在感應(yīng)加熱設(shè)備中存在著三個效應(yīng)——集膚效應(yīng)、近鄰效應(yīng)和圓環(huán)效應(yīng)。集膚效應(yīng)：當(dāng)交變電流通過導(dǎo)體時，沿導(dǎo)體截面上的電流分布是不均勻的，最大電流密度出現(xiàn)在導(dǎo)體的表面層，這種電流集聚的現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)。近鄰效應(yīng)——當(dāng)兩根通有交流電的導(dǎo)體靠得很近時，在互相影響下，兩導(dǎo)體中的電流要重新分布。當(dāng)兩根導(dǎo)體流的電流是反方向時，最大電流密度出現(xiàn)在導(dǎo)體內(nèi)側(cè)；當(dāng)兩根導(dǎo)體流的電流是同方向時，最大電流密度出現(xiàn)在導(dǎo)體外側(cè)，這種現(xiàn)象稱為近鄰效應(yīng)。圓環(huán)效應(yīng)：若將交流電通過圓環(huán)形線圈時，最大電流密度出現(xiàn)在線圈導(dǎo)體的內(nèi)側(cè)，這種現(xiàn)象稱為圓環(huán)效應(yīng)。感應(yīng)加熱電源就是綜合利用這三種效應(yīng)的設(shè)備。在感應(yīng)線圈中置以金屬工件，感應(yīng)線圈兩端加上交流電壓，產(chǎn)生交流電流，在工件中產(chǎn)生感應(yīng)電流，此兩電流方向相反，情況與兩根平行母線流過方向相反的電流相似。當(dāng)電流和感應(yīng)電流相互靠攏時，線圈和工件表現(xiàn)出鄰近效應(yīng)，結(jié)果，電流集聚在線圈的內(nèi)側(cè)表面，電流聚集在工件的外表面。這時線圈本身表現(xiàn)為圓環(huán)效應(yīng)，而工件本身表現(xiàn)為集膚效應(yīng)。交變磁場在導(dǎo)體中感應(yīng)出的電流亦稱為渦流。工件中產(chǎn)生的渦流由于集膚效應(yīng)，沿橫截面由表面至中心按指數(shù)規(guī)律衰減，工程上規(guī)定，當(dāng)渦流強(qiáng)度從表面向內(nèi)層降低到其數(shù)值等于最大渦流強(qiáng)度的1/e，該處到表面的距離△稱為電流透入深度。由于渦流所產(chǎn)生的熱量與渦流的平方成正比，因此由表面至芯部熱量下降速度要比渦流下降速度快的多，可以認(rèn)為熱量大部分集中在厚度為△的薄層中。透入深度△由下式確定：（A.1.2-6）式中:ρ—工件電阻率（Ωm）；μ?！婵沾艑?dǎo)率4π×10(H/m)；μ—工件磁導(dǎo)率(H/m)；—工件相對磁導(dǎo)率；ω—角頻率(rad/s)；f—頻率(Hz)。將μ。和π的數(shù)值代入，即可得公式:（A.1.2-7）從上式可以看出，當(dāng)材料電阻率、相對磁導(dǎo)率給定后，透入深度△僅與頻率f平方根成反比，此工件的加熱深度可以方便地通過調(diào)節(jié)頻率來加以控制。頻率越高，工件的加熱深度就越淺。對于一般碳鋼，有如下經(jīng)驗公式：δ=500/√f(800°C)。式中：f為頻率，單位為Hz；δ為加熱深度，單位為毫米（mm）。對于導(dǎo)磁鋼，應(yīng)該考慮其居里溫度點(diǎn)問題：即在居里溫度點(diǎn)以下，工件材質(zhì)表現(xiàn)為導(dǎo)磁（磁導(dǎo)率為數(shù)百至數(shù)千），當(dāng)溫度上升至居里點(diǎn)以上時（一般為710℃－760℃），工件材質(zhì)的磁導(dǎo)率變?yōu)?。結(jié)合鋼材的電導(dǎo)率和溫度系數(shù)，這也是上述經(jīng)驗公式的由來。附錄A.2感應(yīng)加熱發(fā)生器基本原理A.2.1感應(yīng)加熱發(fā)生器基本原理：感應(yīng)加熱電源主要由逆變器、諧振單元、變壓器和感應(yīng)器組成。其中逆變器是一個交－直－交的變流器，將工頻交流電能變換成為幾千至幾百千赫茲的中頻或高頻電能。諧振單元和變壓器一端連接逆變器，另一端連接感應(yīng)器，將高壓變成隔離的低壓并進(jìn)行阻抗匹配。加熱時，感應(yīng)器中流過強(qiáng)大的高頻電流，在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，因此導(dǎo)體迅速被加熱。感應(yīng)加熱電源的諧振頻率根據(jù)被加熱對象和工藝的不同而不同，一般從一千至幾十千赫茲最為常用，諧振頻率在10KHz以下的稱為中頻感應(yīng)加熱電源，10KHz以上的稱為高頻感應(yīng)加熱電源。參見圖A.2.1所示。圖A.2.1中頻感應(yīng)加熱電源主回路原理圖

附錄B資料性附錄鋼軌焊縫電磁感應(yīng)正火技術(shù)工藝卡、鋼軌焊縫電磁感應(yīng)正火技術(shù)操作記錄、鋼軌焊縫電磁感應(yīng)正火技術(shù)工作統(tǒng)計表、鋼軌焊接檢驗批質(zhì)量驗收記錄表見表B.1～表B.4。表B.1鋼軌焊縫電磁感應(yīng)正火技術(shù)工藝卡工程名稱編號里程材質(zhì)規(guī)格左股右股焊后熱處理加熱方式電磁感應(yīng)升溫速率℃/h降溫速率℃/h加熱寬度運(yùn)行速度mm電壓V電流A功率kW正火溫度℃正火時間h熱電偶型號數(shù)量工藝曲線圖：注意事項：編制日期審核日期

表B.2鋼軌焊縫電磁感應(yīng)正火技術(shù)操作記錄工程名稱：日期：天氣：環(huán)境溫度：里程接頭編號材質(zhì)規(guī)格加熱方式升降溫速率℃/h正火溫度正火時間工藝卡號時間h溫度℃時間h溫度℃記錄要求：1）嚴(yán)格按照熱處理作業(yè)指導(dǎo)書或熱處理工藝卡作業(yè)。2）認(rèn)真記錄，填寫清晰、完整。3）每0.5h記錄一次。4）至少每0.5h到熱處理現(xiàn)場巡查一次。5）當(dāng)連續(xù)工作時間較長時，應(yīng)每隔3h記錄一次環(huán)境溫度。交接班記錄異常情況記錄：記錄人接班人開始時間結(jié)束時間表B.3鋼軌焊縫電磁感應(yīng)正火技術(shù)工作統(tǒng)計表第頁工程名稱工程里程工程部位施工單位監(jiān)理單位焊縫接頭編號升溫速率（s）電壓（V）電流（A）功率（kW）開始時間結(jié)束時間運(yùn)行速度（km/h）正火溫度（℃）操作人：審核人：年月日年月日表B.4鋼軌焊縫檢驗批質(zhì)量驗收記錄表單位工程名稱分部工程名稱分項工程名稱驗收部門施工單位項目負(fù)責(zé)人施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)名稱及編號《鐵路軌道工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》TB10413-2003施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定施工單位檢查評定記錄監(jiān)理（建設(shè)）單位驗收記錄主控項目1鋼軌焊接接頭的型式檢驗和周期性生產(chǎn)檢驗第7.2.2條2鋼軌焊接接頭的探傷檢查第7.2.3條3鋼軌焊接接頭外觀質(zhì)量第7.2.4條4鋼軌膠接絕緣接頭焊接前的電絕緣性能測定第7.2.4條5焊接接頭平直度允許偏差（mm)軌頂面+0.30軌頭內(nèi)側(cè)工作面±0.3軌底（焊筋）+0.50一般項目1焊接接頭編號、標(biāo)記及記錄第7.2.7條施工單位檢查評定結(jié)果專職質(zhì)量檢查員年月日分項工程技術(shù)負(fù)責(zé)人