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(jì)，能同時(shí)進(jìn)行雙股鋼軌同時(shí)感應(yīng)正火。改進(jìn)循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，實(shí)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(shí)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(shí)，為了提高加熱效率，有如下幾個(gè)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(jì)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(shí)，感應(yīng)圈內(nèi)就會(huì)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(jì)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(shí)間（秒）。感應(yīng)加熱（加熱工件表面）與燃?xì)饧訜幔娮锠t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(gè)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)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。—真空磁導(dǎo)率4π×10(H/m)；μ—工件磁導(dǎo)率(H/m)；—工件相對(duì)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(duì)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(duì)于一般碳鋼，有如下經(jīng)驗(yàn)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(duì)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(shí)（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(yàn)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(gè)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(shí)，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(duì)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(jì)表、鋼軌焊接檢驗(yàn)批質(zhì)量驗(yàn)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(hào)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(shí)間h熱電偶型號(hào)數(shù)量工藝曲線圖：注意事項(xiàng)：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(hào)材質(zhì)規(guī)格加熱方式升降溫速率℃/h正火溫度正火時(shí)間工藝卡號(hào)時(shí)間h溫度℃時(shí)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(shí)間較長時(shí)，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(shí)間結(jié)束時(shí)間表B.3鋼軌焊縫電磁感應(yīng)正火技術(shù)工作統(tǒng)計(jì)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(hào)升溫速率（s）電壓（V）電流（A）功率（kW）開始時(shí)間結(jié)束時(shí)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(yàn)批質(zhì)量驗(yàn)收記錄表單位工程名稱分部工程名稱分項(xiàng)工程名稱驗(yàn)收部門施工單位項(xiàng)目負(fù)責(zé)人施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)名稱及編號(hào)《鐵路軌道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》TB10413-2003施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定施工單位檢查評(píng)定記錄監(jiān)理（建設(shè)）單位驗(yàn)收記錄主控項(xiàng)目1鋼軌焊接接頭的型式檢驗(yàn)和周期性生產(chǎn)檢驗(yàn)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(xiàng)目1焊接接頭編號(hào)、標(biāo)記及記錄第7.2.7條施工單位檢查評(píng)定結(jié)果專職質(zhì)量檢查員年月日分項(xiàng)工程技術(shù)負(fù)責(zé)人