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感应加热电流频率、功率、加热时间的确定与螺线管感应参数计算


感应加热电流频率、功率、加热时间的确定与螺线管 感应参数计算
2010-3-29 10:25:00 来源:中国金属加工在线 阅读: 394 次 我要收藏

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一、金属坯料加热过程中物理性质的变化 坯料的电阻率和相对磁导率对频率确定以及感应器参数设计具有重要意义。

以钢为例,图 1 所示

为 wC=0. 4 %~0. 5 %钢坯料的电阻率ρ 2 和一定的磁场强度下的相 对磁导率μ r 与温度 t 的关系曲线。

由式(1)和图 1 可以看出:钢在加热时,其电阻率ρ 2 和相对磁导率μ r 都发生变化: ρ 2 在 15 ~800 ℃的温度区内,大约增加 4 倍。当温度超过 800 ℃后,各类钢的电阻率 几乎相等、并趋于一恒定值,即 10 - 6Ω m。μ r 在 650 ~700 ℃ 之前基本上只与磁场强度 有关,而与坯料温度变化关系不大。当达到居里温度时,μ r 便阶跃式下降到 1 。此时, 如果温度继续升高,磁导率不再变化。钢由初始温度加热至始锻温度分 3 个阶段:

(1) 冷态规范 坯料由初始温度加热到居里温度的规范。 此时ρ 2 与μ r 均为变量。 该区为 铁磁性材料区,平均温度 t = 650 ℃,ρ 2 可取 0. 6×10 - 6 Ω m,μ r > 1 。 ( 2) 中间规范 坯料表面温度达到 800 ~900 ℃,加热层深度为 0. 5 Δ k,为部分铁磁材 料区,ρ 2= 10 - 6 Ω m,坯料表层μ r > 1 。 ( 3) 热态规范 非磁性材料区。 加热层深度≥Δ k , ρ 2= 1. 24 ×10 - 6 Ω m, 这是 800 ~ 1300 ℃范围内电阻率的平均值,μ r = 1 。 二、电流频率的选择 1. 频率确定原则 坯料感应加热时,频率的确定依据以下两项原则: ( 1) 感应器的电效率不低于极限值的 5 %,相对频率: m2 ≥2. 5 。 ( 2) 在使坯料透热( 即: 使坯料断面上的温度尽可能达到均匀) 的前提下,加热时间最 短。根据电磁场的理论,当Δ = 0. 4 R2 时,有效加热层已到极限值,再降低频率,也不能 使有效加热层增加,m2 ≤3. 5 。2. 5 ≤m2 ≤3. 5 ( 2)

表 2 中的频率型谱是按 GB/ T 1980 —1996《标准频率》制定的。为了促进我国电气设备 技术水平的提高, 在频率值方面与国际接轨, 使感应加热设备在国际贸易中不受频率差异的 阻碍,该标准频率采用了国际电工委员会 IEC196 《标准频率》。国内的感应加热设备、电 热电容器、中频变压器的生产厂家都应认真执行该标准。 2. 注意事项 选择频率应注意的事项: ( 1) 如果一台设备加热多种规格的坯料,坯料的直径应尽量在公式规定的频率范围之内。 如果不能满足,可用两个以上的频率分别对应满足。 ( 2) 一组不同直径的坯料,一般应按直径较小且批量较大的坯料来选择频率。这样,所

有的坯料电效率不会受到影响。对于直径较大的坯料可能超出合理的频率范围( 频率偏 高) ,但可以通过增加加热时间,即加长感应器来满足对坯料径向温差的要求。频率选择偏 低,会造成电效率下降。如果低于电效率极限值的 5% 就不可取。 ( 3) 感应器居里温度以下区段,采用较低的频率加热,居里温度以上区段采用较高的频 率加热。 三、感应器的效率和功率 电网输送给感应加热设备的功率包括两部分: 一部分是供电系统( 中频变频器、 汇流排、 电热电容器等)的功率损失;另外一部分是感应器线圈中的电损耗、热损耗和用于坯料加热 的平均有效功率。 中频变频器的额定功率分配如图 2 所示, 我们将后一部分称之为中频变频 器的额定功率 P 。

因此,知道了感应器的效率就可以求出中频变频器的额定功率。感应器的总效率、电效 率、热效率可以计算出来,也可以参考表 4 选取。

从表 4 可以看出,钢在热锻时感应器的总效率可在 0. 55 ~0. 65 之间选取。 四、加热时间 纵向磁场中圆形截面金属坯料,不论电流频率如何低,电流透入的有效加热层深总是接 近于 0. 4 倍的坯料半径, 即Δ 2 =0. 4 R2 。 而从有效加热层到坯料心部的继续加热必须靠金 属本身的热传导, 感应加热时的心表温差( 径向温差) 就是这样产生的。 因此, 在Δ 2 ≥0. 4 R2 的条件下,合理选择频率( 见式 3 、4),会使坯料表面与心部透热的路程最短。最短加 热时间 t k,可根据热传导微分方程的特解求得:

钢加热到 1300 ℃,心表温差Δ T 为 50 ℃ 时的最短加热时间简化公式的推导。对于式 ( 18),当设Δ 2 ≈0,则α = 1 。查图 3 可得: S ( 1,1) = 0. 125 S ( 1,0) = -0. 125 α = 1 、 S ( 1,1) = 0. 125 和 S ( 1,0) =- 0. 125 代入式( 17),得:

t k 是指坯料从进入感应器开始加热到离开感应器的时间。 坯料离开感应器到锻压设备还 有时间间隔。在这个时间间隔内,心表温差以大约 1 ~2 ℃/ s 的速度继续均温。根据绝大 多数钢种的加热规范要求,多采用式( 20) 计算加热时间。 以上为等匝距感应器加热时间的确定。若采用变匝距感应器加热,可使加热时间大大缩 短。所谓变匝距方式是指绕制感应器线圈的铜管( 一般为矩形截面铜管)的轴向宽度( 匝距) 进料端较窄,出料端较宽,一般分为两级或三级。这种设计是因为所有线圈内通过相同的电 流,磁场强度和单位功率在感应器进料端最大,会使温度很快升高。 坯料表面温度升高到最终温度,需要经过总加热时间的 10 % ~30 %,即在占感应器总 长 10 % ~30 % 的范围内。由于心表温差大,金属的热传导速率快,实现了快速加热。


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