感應加熱電流頻率功率加熱時間的確定與螺線管感應參數(shù)計算

1、感應加熱電流頻率、功率、加熱時間的確定與螺線管感應參數(shù)計算2010-3-29 10:25:00來源：中國金屬加工在線閱讀：394次 我要收藏【字體：大中小、金屬坯料加熱過程中物理性質(zhì)的變化坯料的電阻率和相對磁導率對頻率確定以及感應器參數(shù)設計具有重要意義。金爲坯界電陰率勻溫度的黃系式為:式中 曲 金呂匡MS r時的電陽牽:電阻潟超系數(shù)L購溫度毎升？H亡時電陽 率的改變值j: 金風flJ上環(huán)的電阻來"珈曲g晅9®回表I所朮為兒種甫見金展的電陽華戲電陽潟度系數(shù)表1常見幾種金屬的A值和P値金JM仙翟鋼a in xio-1匕 25 XHj-=0Ji|6X|u4 M XIII-：鋁0.

2、 026 X|n4 如 Xhi-=以鋼為例，圖1所示為wC=O. 4 %0. 5 %鋼坯料的電阻率P 2和一定的磁場強度下的相 對磁導率卩r與溫度t的關系曲線。再I 45電瞅率、梢對歳導率與由式(1)和圖1可以看出：鋼在加熱時，其電阻率p 2和相對磁導率 卩r都發(fā)生變化:p 2在15800 C的溫度區(qū)內(nèi)，大約增加4倍。當溫度超過800 C后，各類鋼的電阻率 幾乎相等、并趨于一恒定值，即10 - 6Q m。卩r在650700 C之前基本上只與磁場強度有關，而與坯料溫度變化關系不大。當達到居里溫度時，卩r便階躍式下降到1。此時,如果溫度繼續(xù)升高，磁導率不再變化。鋼由初始溫度加熱至始鍛溫度分3個階段

3、：(1) 冷態(tài)規(guī)范 坯料由初始溫度加熱到居里溫度的規(guī)范。此時p 2與卩r均為變量。該區(qū)為鐵磁性材料區(qū)，平均溫度t = 650 C, p 2可取0. 6X 10 - 6 Q m,卩r > 1(2) 中間規(guī)范坯料表面溫度達到 800900 C,加熱層深度為 0. 5 k，為部分鐵磁材 料區(qū)，p 2= 10 - 6 Q m,坯料表層 卩r > 1 。(3) 熱態(tài)規(guī)范 非磁性材料區(qū)。加熱層深度 k , p 2= 1.24 X 10 - 6 Q m，這是800 1300 C范圍內(nèi)電阻率的平均值，卩r = 1。、電流頻率的選擇1. 頻率確定原則坯料感應加熱時，頻率的確定依據(jù)以下兩項原則:(1)

4、 感應器的電效率不低于極限值的5 %，相對頻率：m2 > 2. 5 。(2) 在使坯料透熱(即：使坯料斷面上的溫度盡可能達到均勻)的前提下，加熱時間最短。根據(jù)電磁場的理論，當 = 0. 4 R2時，有效加熱層已到極限值，再降低頻率，也不能使有效加熱層增加，m2 < 3. 5。2. 5 < m2 < 3. 5 ( 2)槨訂葉:丈中 nt坯料建徑* m將3=503 曲區(qū)(壯人式t則當鋼坯料肝麗上的遍度高于掲里溫度時.電流透人操度駁大.因北，選樣麺率時暈毎取磴=KT15阪、I 41陽嘏鋼玨料豪檢與拯址療率速卑豪懺RF外訊和! min2/ HZD140l£0uo120

5、100so1DO*UO*3»*ao*900”400*EjOO*60C760UXXP12001$002000*1240030004000 *3000sooa2LbS嚴10000 嚴嚴訐 r.：'七；即廿翠t応無址刖表2中的頻率型譜是按 GB/ T 1980 1996標準頻率制定的。為了促進我國電氣設備 技術水平的提高，在頻率值方面與國際接軌， 使感應加熱設備在國際貿(mào)易中不受頻率差異的 阻礙，該標準頻率采用了國際電工委員會 IEC196標準頻率。國內(nèi)的感應加熱設備、電 熱電容器、中頻變壓器的生產(chǎn)廠家都應認真執(zhí)行該標準。2. 注意事項選擇頻率應注意的事項：(1) 如果一臺設備加熱多

6、種規(guī)格的坯料，坯料的直徑應盡量在公式規(guī)定的頻率范圍之內(nèi)。 如果不能滿足，可用兩個以上的頻率分別對應滿足。(2) 一組不同直徑的坯料，一般應按直徑較小且批量較大的坯料來選擇頻率。這樣，所有的坯料電效率不會受到影響。對于直徑較大的坯料可能超出合理的頻率范圍（頻率偏高），但可以通過增加加熱時間，即加長感應器來滿足對坯料徑向溫差的要求。頻率選擇偏低，會造成電效率下降。如果低于電效率極限值的5%就不可取。（3）感應器居里溫度以下區(qū)段，采用較低的頻率加熱，居里溫度以上區(qū)段采用較高的頻 率加熱。三、感應器的效率和功率電網(wǎng)輸送給感應加熱設備的功率包括兩部分：一部分是供電系統(tǒng)（中頻變頻器、匯流排、電熱電容器等）

7、的功率損失；另外一部分是感應器線圈中的電損耗、熱損耗和用于坯料加熱 的平均有效功率。中頻變頻器的額定功率分配如圖2所示，我們將后一部分稱之為中頻變頻器的額定功率P。圖2 中蚱變暫然額定功率4配示霍圖P為中載變韓眸隸建功率：也比為黑旌器域機尖功率:P-旳習申£比百：ipr勺凋圧呂：-薄尺號宦的旃丹去功率 P：卻壞團加怛平均自效功李根據(jù)圖2,找們將Pf P定文為感應器的總製率幾 將P2/ P定義為歿應器的電效率“將Pj/P2定義為感 應器的熱效牢%即n= PT/ P( 5)9= P/P(6i%= py p：（7）式（6，更以式（7>,則有：4 %= Pt/ P" 8）由式

8、8）可知.尸性（ 9丿從式（5）可知，P= PT/ f（101只要求出Pr、斗就可以雄定中頻變頻器的額定功率 其實，第一講式（3>: Q=I2Rt中的I2R 23Pt«.Q= PTt（11）Q又可以用C、AT、G的快積來表達，即Q= CATG（12）由式（11）、式（12）,可得:PTt = CATG即:131式中 c坯料的平均比熱容（幾種常見金盡的平均比熱容值見表3八表示小位質(zhì)童坯料毎升 溫1C所吸收的熱能，kJ/kg CAT 始鍛溫度與初溫（20 U之差;G -恥件坯料質(zhì)址，kg:I加熱節(jié)拍.So金A鋼銅鋁o.sc0. s%c1.6%C平均比熱容/kJ- «kgc

9、rx0. 7000.6830. 6500.4710.967表3 幾和常見金屬的平均比熱容佰由式（10）.式（13）得:<14i因此，知道了感應器的效率就可以求出中頻變頻器的額定功率。感應器的總效率、電效率、熱效率可以計算出來，也可以參考表4選取。表4 幾種常見金根坯料黑些典型感應灤鬥歡宜現(xiàn)皐（氈1電效栽V瞬率a0.90 0.95Q 90 -0 96o so叩一肥敢 T. 10. 70 -0. 75Q 75 -0 S5a 35 0.650.40 -0.45a 90 -0 920 35 0.400.-0.岀D. 90 7 950 40 -0.50注：T,器咚爾從表4可以看出，鋼在熱鍛時感應器

10、的總效率可在0. 550. 65之間選取。四、加熱時間縱向磁場中圓形截面金屬坯料，不論電流頻率如何低，電流透入的有效加熱層深總是接近于0. 4倍的坯料半徑，即厶2 =0. 4 R2 。而從有效加熱層到坯料心部的繼續(xù)加熱必須靠金屬本身的熱傳導，感應加熱時的心表溫差（徑向溫差）就是這樣產(chǎn)生的。因此，在厶2 >0. 4 R2的條件下，合理選擇頻率 （見式3、4），會使坯料表面與心部透熱的路程最短。最短加 熱時間t k，可根據(jù)熱傳導微分方程的特解求得：式中為AHE定心騎翼至的用Kt韻何，: JK4L衰示材料聞黑武t轎勁博諂ft力的I小彳-更林茶眈418坤亦式申 Si a! r *n懷旳宙貫”町口

11、從関樂中皙按1怡里葉辭第罔？ 牯站沼戰(zhàn)S ( .r 1 科” X 0J鋼加熱到1300 C,心表溫差 T為50 C時的最短加熱時間簡化公式的推導。對于式(18)，當設 2 0，則 a = 1。查圖 3 可得： S ( 1, 1) = 0. 125 S ( 1 , 0) = -0. 125 a = 1、 S ( 1, 1) = 0. 125 和 S ( 1, 0) =- 0. 125 代入式(17)，得：1300130fh 2a 1251 =3.125經(jīng)臉表明*將溫差值加大一倍計甘，結果更加箱磴0搟“ R、總佰代人式小引，聰I 出二 | D% zlr" y 4 r= 12, 2 X10

12、4 f 足.送汀(19i基中，n二&4 X1C 6ra-/3T 壇羅杲 JT = 50 C 時” 加加退炳化臥式"軸毅帥凍簡司壯，當 AT=100C, k'l忑冗衛(wèi)撫lt=5. 9 >10 亠8 M廠(20i當 AT = UGCrtk=3. 7 xlO4 x i Ch- 4：1：21itk是指坯料從進入感應器開始加熱到離開感應器的時間。坯料離開感應器到鍛壓設備還有時間間隔。在這個時間間隔內(nèi)，心表溫差以大約12 C/ s的速度繼續(xù)均溫。根據(jù)絕大多數(shù)鋼種的加熱規(guī)范要求，多采用式 (20)計算加熱時間。以上為等匝距感應器加熱時間的確定。若采用變匝距感應器加熱，可使加熱時間大大縮短。所謂變匝距方式是指繞制感應器線圈的銅管(一般為矩形截面銅管)的軸向?qū)挾?匝距)進料端較窄，出料端較寬，一般分為兩級或三級。這種設計是因為所有線圈內(nèi)通過相同的電流，磁場強度和單位功率在感應器進料端最大，會使溫度很快升高。坯料表面溫度升高到最終溫度，需要經(jīng)過總加熱時間的10 %30 %，