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最為明顯。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最終表面溫度值的大小影響最大的兩個參數(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,最大電流出現(xiàn)在導體外側(cè),反之,最大電流出現(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,最大電流密度會出現(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。
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,是新時期加熱的最好選擇。
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 15:50:18 1618 http://www.yiqi.com/citiao/detail_968.html 熱門標簽: