電磁感應(yīng)加熱即電磁加熱技術(shù)，電磁加熱的原理是通過電子線路板組成部分產(chǎn)生交變磁場、當用含鐵質(zhì)容器放置上面時，容器表面即切割交變磁力線而在容器底部金屬部分產(chǎn)生交變的電流(即渦流)，渦流使容器底部的載流子高速無規(guī)則運動，載流子與原子互相碰撞、摩擦而產(chǎn)生熱能。電磁感應(yīng)加熱原理

1、感應(yīng)加熱原理

法拉第在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中指出，當導體的兩端處于交變磁場中時，會產(chǎn)生出感應(yīng)電動勢，通過閉合回路感應(yīng)電動勢又會產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)加熱就是通過在導體中產(chǎn)生渦流進而產(chǎn)生焦耳熱來加熱物體的基本原理。

當給感應(yīng)線圈通以交變的電流后，在線圈內(nèi)外產(chǎn)生交變的磁場，因此當物件切割磁力線時，產(chǎn)生渦流。渦流產(chǎn)生焦耳熱，使設(shè)備溫度瞬時升高，進而達到加熱的目的。

由法拉第電磁感應(yīng)定理內(nèi)容可知，在閉合回路中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E的大小，與穿過回路的磁通量的變化率成正比。其公式為：

E=-Ndφ/dt

式中：E-感應(yīng)電動勢，單位V;N-感應(yīng)加熱線圈匝數(shù);dφ/dt-每秒穿過閉合回路內(nèi)磁力線的變化。

由焦耳—楞次定律知：當給感應(yīng)線圈通以交變電流后，物件內(nèi)部切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢E，使設(shè)備表面產(chǎn)生渦流I，進一步產(chǎn)生焦耳熱Q。用公式表示為：

Q=I2Rt

式中：Q-產(chǎn)生的熱量，單位J;I-感應(yīng)電流，單位A;R-電阻，單位Ω;T-加熱時間，單位s。

2、集膚效應(yīng)

在感應(yīng)加熱過程中，由于感應(yīng)加熱線圈產(chǎn)生的交變磁場使物件表面與物件中心部位穿透的磁力線條數(shù)不相同，導致物件表面與感應(yīng)加熱線圈之間的距離越近，穿過的磁力線條數(shù)越多;物件內(nèi)部中心距離感應(yīng)加熱線圈表面距離比較遠，穿過的磁力線條數(shù)少。

于是物件表面產(chǎn)生的渦流強度大于物件內(nèi)部中心，形成表面層電流密度大，向內(nèi)部中心越來越弱。這種現(xiàn)象，稱為集膚效應(yīng)。用公式表示為：

δ=√ρ/(μfπ)

f-表示加熱頻率;μ-表示鋼磁導率;ρ-鋼的電阻率。

從上式中可以看出：頻率、磁導率、電阻率的大小對集膚深度的大小都有一定的影響，而頻率的大小對集膚深度的影響Z為明顯。所以電流頻率選擇的首要原則是透入式加熱，設(shè)備在感應(yīng)加熱時，當電流頻率確定了，電流透入深度也確定了，即渦流深度在一定值范圍。

實際上在設(shè)備加熱過程中，會出現(xiàn)兩種加熱狀態(tài)：在剛開始加熱時由于集膚深度的影響通過透入式方式進行加熱，過一段時間后通過熱傳導方式進行加熱設(shè)備。

3、比功率

由于在感應(yīng)加熱過程中，對加熱速度的快慢和Z終表面溫度值的大小影響Z大的兩個參數(shù)是比功率和加熱時間。所以在加熱過程中渦流通過集膚效應(yīng)作用加熱表面設(shè)備的溫度以及通過熱傳導作用傳入到設(shè)備周圍的速度，均由比功率P0決定。其表達式如下所示：

P0=KI2√(ρμf)

K-感應(yīng)加熱線圈和設(shè)備幾何尺寸的系數(shù);I-感應(yīng)加熱線圈電流。電磁感應(yīng)加熱特點

電磁感應(yīng)加熱是將工件置于有足夠功率輸出的通有一定頻率交流電的感應(yīng)線圈中，由于電磁感應(yīng)而在工件中形成強大的感應(yīng)電流(渦流)從而使工件加熱的一種方法。

根據(jù)頻率不同分為高頻(f≥100kHz)、超音頻(f=10kHz～100kHz)、中頻(f 10kHz)、低頻(f=50Hz)。高頻及超音頻主要用于表面淬火，中頻廣泛用于金屬的焊接熱處理加熱，低頻主要用于對大工件的整體加熱、退火等。

電磁感應(yīng)加熱具有以下特點:

1、集膚效應(yīng)。在感應(yīng)加熱時，當線圈中通以一定頻率的交流電時，由于電磁感應(yīng)，工件中的渦流密度隨磁場強度由表面向內(nèi)層逐漸減小而相應(yīng)減小的現(xiàn)象。集膚效應(yīng)跟頻率有關(guān)，頻率越大，集膚效應(yīng)越明顯。

2、臨近效應(yīng)。兩個相鄰的通以交流電的導體，由于磁場的相互影響而使導體中的電流重新分配，當相鄰導體為同向電流時，Z大電流出現(xiàn)在導體外側(cè)，反之，Z大電流出現(xiàn)在導體內(nèi)側(cè)。臨近效應(yīng)對感應(yīng)加熱是有利的，但當工件與線圈間隙不均勻時，會導致電流分布不均勻而造成對工件的不均勻加熱。

3、圓環(huán)效應(yīng)。交流電通過圓環(huán)形線圈傳輸，Z大電流密度會出現(xiàn)于線圈內(nèi)側(cè)。圓環(huán)效應(yīng)對加熱圓柱形工件是有利的。

電磁感應(yīng)加熱的優(yōu)勢

傳統(tǒng)的通過燃燒產(chǎn)生明火對設(shè)備進行加熱的方式，原理是通過特殊設(shè)備將熱量傳導到被加熱物體，以達到加熱的目的。這種加熱方式下，由于大部分熱能在燃燒過程中散發(fā)到空氣中，熱能得不到充分利用，同時會產(chǎn)生像二氧化硫、二氧化氮及一氧化炭等對人體有害的氣體，還會造成環(huán)境污染。

通過分析用傳統(tǒng)明火方式存在很多諸如對人體以及對環(huán)境危害并且造成大部分熱能的浪費的缺點，因此與其相比感應(yīng)加熱技術(shù)具有如下優(yōu)勢：

1、加熱速度快，在加熱過程中溫度上升的速度比較快。

2、非接觸式加熱方式，操作起來比較方便、安全而且被加熱物體的表面氧化程度小。

3、加熱效率高，資源浪費少，節(jié)能。

4、可以通過設(shè)定加熱時間來控制溫度，這樣可把溫度控制到一個點上。

5、占地面積小，工作環(huán)境不會產(chǎn)生對人體有害且污染環(huán)境的氣體，噪聲污染較小。傳統(tǒng)加熱與電磁感應(yīng)加熱的對比

1、傳統(tǒng)的加熱

用加熱注射劑來舉例傳統(tǒng)加熱存在的弊端，傳統(tǒng)的注射劑加熱一般采用電阻的方式進行加熱，電阻加熱存在的缺點如下：

①工作環(huán)境惡劣，傳統(tǒng)加熱利用的是電阻加熱，在加熱過程中向環(huán)境中散發(fā)大量的熱量，使得操作環(huán)境溫度升高，尤其在夏季的加熱時，現(xiàn)場的工作環(huán)境是非常惡劣的，工人需要降溫，降溫過程又造成了能源的浪費，加大了成本;

②加熱效率低，加熱過程中熱損大，電阻加熱時都是電阻絲繞制成的電阻，這樣的電阻外部也散熱，造成了熱能的損失，在傳導的過程中由于過程繁瑣，也損耗掉了很大的熱量，經(jīng)過統(tǒng)計只有25%左右的熱能得到了利用，熱能的效率很低;

③電阻的使用時間短，電阻發(fā)熱對電阻的損耗很大，繞制的電阻線長時間加熱很容易發(fā)生斷裂，這樣增加了工人的工作量，需要定時地對電阻進行檢查和維護，維修和更換的費用都很大，加熱的產(chǎn)品可能由于沒有完成固定溫度，報廢率也增大了，所以各方面的費用都將增大。

2、電磁感應(yīng)加熱

①與傳統(tǒng)的加熱方法相比，電磁感應(yīng)加熱是自發(fā)熱的現(xiàn)象，不會對環(huán)境造成很大的影響，工人的工作環(huán)境也得到了很大程度的改善，也減少了為環(huán)境降溫的費用;

②電磁感應(yīng)的熱損耗小，節(jié)能效果好，電磁感應(yīng)發(fā)熱過程感應(yīng)線圈與被加熱的金屬件之間是沒有直接接觸的，能量的傳遞是通過電磁感應(yīng)進行傳遞的，在傳導的過程中減少了很多熱能的損耗，效率提高很多，可以達到85%左右，比傳統(tǒng)的加熱提高了很多;

③金屬件溫度提升速度快，金屬件的電阻小，所以較小的電動勢就能產(chǎn)生較強的渦電流，焦耳熱產(chǎn)生得也多，熱量散失得少，所以金屬件升溫很快;

④與傳統(tǒng)的電阻加熱相比，使用壽命增長了，電磁感應(yīng)的加熱工具是特制的線圈和半導體的器件，線圈在工作時的溫度并不像電阻絲產(chǎn)生那么高的溫度，使用壽命大大提高了;

⑤電磁感應(yīng)加熱的加熱效率高，所以產(chǎn)品的產(chǎn)量也高，所以無論從損耗還是生產(chǎn)效率上都得到了提高。

綜上所述，電磁感應(yīng)加熱具有的優(yōu)勢是非常明顯的，加熱速度比其他任何的媒介加熱速度都快，而且在加熱時損耗較小，加熱時間較短，啟動方便，熱能的損耗較小，不用時，也可以切斷供電電源，沒有任何多余的損耗，電能的利用率又高，是新時期加熱的Z好選擇。

電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

現(xiàn)在社會需求的增長，電磁感應(yīng)加熱技術(shù)越來越廣泛地運用到各行各業(yè)中。大致可以歸類為以下幾個領(lǐng)域：

1、食品、醫(yī)療、化工、塑機械加熱、木材、建筑等節(jié)能改造方面都有用，在這些方面使用電磁感應(yīng)加熱代替了傳統(tǒng)的電阻加熱;

2、機械行業(yè)，電磁感應(yīng)加熱中的高頻電磁加熱可以應(yīng)用于金屬表面的熱處理，也可以用于器件在加工前的透熱，這種方法與傳統(tǒng)的方法相比有很大的優(yōu)勢;

3、紡織印染方面，印染時的原料需要加熱，利用電磁感應(yīng)加熱，加熱速度快了，就使得原料的利用率提高了，同時可以適應(yīng)不同燃料的不同溫度要求;

4、輕工行業(yè)，在輕工行業(yè)用于食品或者塑料產(chǎn)品的封口，這種方式的加熱大大加大了生產(chǎn)效率，還可以節(jié)省生產(chǎn)空間。

電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的應(yīng)用，可以提高生產(chǎn)產(chǎn)品的速度同時也能降低生產(chǎn)成本，也提升了設(shè)備制造行業(yè)的生產(chǎn)水平，在傳統(tǒng)行業(yè)中越來越廣泛地被接受和使用。電磁加熱在機械加工中的應(yīng)用

電磁加熱技術(shù)的高熱效率、高加熱溫度、大功率等一系列優(yōu)良特性，使得它在鋼鐵零件的熱塑成型加工工藝、熱處理工藝以及金屬熔煉工藝中被廣泛應(yīng)用。

1、電磁加熱工藝在熱塑成型加熱系統(tǒng)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)注塑機的加熱系統(tǒng)通常采取電阻加熱的方式對原料加熱，但這種方式存在一些明顯缺點：

①熱轉(zhuǎn)換效率比較低，不到50%，導致耗電增加，同時會對設(shè)備附近環(huán)境產(chǎn)生一定的熱污染。

②由于發(fā)熱元件是電阻絲，在使用過程中必然存在高溫老化的現(xiàn)象，需要經(jīng)常維護，壽命短。

③熱損耗導致操作工人處于高溫環(huán)境中，對健康不利。

針對這一系列缺點，目前許多企業(yè)已經(jīng)對注塑機的加熱工藝進行改進，應(yīng)用了電磁感應(yīng)加熱技術(shù)，為企業(yè)降低了注塑加工過程中的電力成本。

注塑機加熱系統(tǒng)實際上是經(jīng)過整流電路(電磁加熱控制器)與電壓轉(zhuǎn)換電路，將220V/50Hz的交流電轉(zhuǎn)換為直流電;再經(jīng)過DC/AC轉(zhuǎn)換電路，將直流電轉(zhuǎn)換為10k～100kHz的電流輸送到感應(yīng)器中，變化的電場又產(chǎn)生磁場，注塑機的鐵磁性料筒置于這種電磁場中便會在其內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電渦流并發(fā)熱，從而達到為塑料顆粒加熱的目的。

感應(yīng)器與料筒之間被隔熱材料分離開，因此料筒內(nèi)部向感應(yīng)器傳導的熱量很少。但是由于感應(yīng)器本身在正常運行時通過了較大的電流，其自身產(chǎn)生的熱量必須及時散開，否則同樣會出現(xiàn)感應(yīng)器高溫老化甚至燒壞的現(xiàn)象。為此，感應(yīng)器通常由空心的圓管或方管繞制而成，如下圖所示，管子內(nèi)部充滿可循環(huán)利用的冷卻液，對感應(yīng)器冷卻。

①為感應(yīng)器;②為料筒;③為隔熱層;④為冷卻液槽;⑤為冷卻液;⑥為電磁加熱控制器。

控制器的作用是給定加熱功率。功率的改變是通過改變電源頻率或者電流等工藝參數(shù)而實現(xiàn)的。當前超大功率電磁感應(yīng)加熱技術(shù)中控制器的核心元件普遍采用IGBT芯片。

設(shè)備正常運行時芯片自身會產(chǎn)生熱量，需要對其進行風冷散熱，以免影響芯片性能。對料筒進行感應(yīng)加熱需要通過溫度傳感器將料筒溫度實時反饋到控制器中，電磁加熱的高效性使得溫度的控制更加精確。

2、電磁加熱工藝在熱處理中的應(yīng)用

熱處理是機械加工過程中改善零件性能的常用手段，其方法有許多，常采取的加熱方式也比較多：如氧氣-乙炔火焰加熱、電熱絲加熱和電磁加熱。其中，電磁加熱工藝以其環(huán)保、安全、升溫速度快、熱損失小的優(yōu)勢而逐漸得到推廣。

感應(yīng)淬火工藝也得到了廣泛的研究。1949-1956年間，我國工業(yè)剛剛起步，熱處理加熱工藝只采取火焰加熱的方式，結(jié)果容易出現(xiàn)工件受熱不均勻的現(xiàn)象，且工件性能不達標。為解決這一難題，蘇聯(lián)專家向我國提供了電磁感應(yīng)熱處理技術(shù)，感應(yīng)淬火技術(shù)自此開始在我國發(fā)展。

高頻淬火工藝也成為感應(yīng)熱表面淬火工藝，它是在感應(yīng)器內(nèi)加上高頻電流，使受熱工件表面溫度迅速升高到800℃甚至更高的溫度之后，迅速浸水/油冷卻。

高頻淬火工藝可以使工件表面硬度達到設(shè)計需求。淬硬層的深度與電源頻率有關(guān)，100kHz以上的高頻電源所對應(yīng)的淬硬層為0.5～2.5mm，可應(yīng)用于中小型工件;淬硬深度要求在2～10mm甚至10mm以上的工件通常采用中低頻電源。

3、電磁加熱工藝在金屬熔煉中的應(yīng)用

電磁加熱技術(shù)在鋼鐵、鋁、銅以及一些合金的熔煉設(shè)備中也有應(yīng)用，而且它可以提高企業(yè)的冶煉技術(shù)水平。電磁感應(yīng)熔煉設(shè)備一般包括感應(yīng)熔煉爐和感應(yīng)透熱爐。

電磁熔煉設(shè)備的特點是：①金屬熔煉速度比較快，節(jié)約電能。②加熱功率可通過控制電流和電壓等參數(shù)予以調(diào)節(jié)。③操作過程簡單，可通過控制器面板實現(xiàn)加熱參數(shù)的設(shè)置。

感應(yīng)熔煉爐由電源、控制柜、熔爐、傾爐機構(gòu)、冷卻裝置以及一些輔助裝置等組成，其電源一般選取中低頻率電源。螺旋管形感應(yīng)器設(shè)置在熔爐內(nèi)部，爐體內(nèi)的金屬因電渦流的存在而發(fā)熱至熔化。感應(yīng)式透熱爐則是由支架、操作臺、感應(yīng)器、電源以及輸送料架等組成。透熱爐的特點是在其運行過程中，受熱金屬氧化脫碳比較少，材料利用率高。

2018-07-12 4132