感应加热的基本原理

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：感应加热的主要依据是电磁感应、“集肤效应”和热传导三项基本原理。式中的负号表示感应电动势的方向与磁通变化方向相反。集肤效应使工件表层感应加热淬火成为可能。

感应加热的主要依据是电磁感应、“集肤效应”和热传导三项基本原理。

1.感应加热原理

感应加热表面淬火是利用电磁感应原理，在工件表面层产生密度很高的感应电流，由此产生的热量将工作表层迅速加热至奥氏体状态，随后快速冷却得到马氏体组织的淬火方法，如图4-18所示。当感应圈中通过一定频率的交流电时，在其内外将产生与电流变化频率相同的交变磁场。金属工件放入感应圈内，在磁场作用下，工件内就会产生与感应圈频率相同而方向相反的感应电流。由于感应电流沿工件表面形成封闭回路，故通常称为涡流。此涡流将电能变成热能，将工件的表面迅速加热。由于“集肤效应”，涡流主要分布于工件表面，工件内部几乎没有电流通过。感应加热就是利用“集肤效应”，依靠电流热效应把工件表面迅速加热到淬火温度的。感应圈用紫铜管制作，内通冷却水。当工件表面在感应圈内加热到一定温度时，立即喷水冷却，使表面层获得马氏体组织。

图4-18中，在交变电流所产生的交变磁场作用下将产生感应电动势，其瞬时值为

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图4-18　感应加热表面淬火示意

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式中 e——瞬时感应电动势，V；

Φ——零件上感应电流回路所包围面积的总磁通量，其数值随感应器中的电流强度和

零件材料的磁导率的增加而增大，并与零件和感应器之间的间隙有关；

dΦ/dt——磁通变化率，其绝对值等于感应电动势。电流频率越高，磁通变化率越大，感应电动势e相应也就越大。式中的负号表示感应电动势的方向与磁通变化方向相反。

零件中感应出来的涡流的方向，在每一瞬时和感应器中的电流方向相反，涡流强度取决于感应电动势及零件内涡流回路的电抗，可表示为

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式中 If——涡流电流强度，A；

Z——自感电抗，Ω；

R——零件电阻，Ω；

XL——感抗，Ω。

由于Z值很小，所以I值很大。根据楞次定律，涡流转换成的热能为

式中 Q——热能，J；

t——通电时间，s。

感应加热就是利用热能Q来加热工件。

在铁磁材料(如钢铁)中，除涡流产生的热效应外，还有“磁滞现象”所引起的热效应，即由于钢铁零件等硬磁材料具有很大的剩磁，在交变磁场中，零件的磁极方向随感应器磁场方向的改变而改变。在交变磁场的作用下，磁分子因磁场方向的迅速改变将发生激烈的摩擦发热，因而也对零件加热起一定作用，这就是磁滞热效应。但这部分热量比涡流加热的热效应小得多，可以忽略不计。

2.集肤效应

交变电流在导体截面上分布是不均匀的，越靠近表面，电流密度越大，越靠近心部，电流密度越小。电流强度从表面向心部呈指数规律衰减，这种现象即所谓交变电流的集肤效应，也称表面效应。电流频率越高，集肤效应越明显。集肤效应使工件表层感应加热淬火成为可能。

零件感应加热时，其感应电流在零件中的分布从表面向中心呈指数衰减，可表示为

式中 Ix——距零件表面某一距离的电流(涡流)强度，A；

I0——零件表面最大的电流(涡流)强度，A；

x——到零件表面的距离，cm；

(光速c的值为3×1010cm/s)。

由式(4-4)可知：当x＝0时，Ix＝I0；当x>0时，Ix<I0；当x＝Δ时，Ix＝＝0.368I0。工程上规定，涡流强度由表向内降低至I0/e(I0为表面处的涡流强度，e＝2.718)处的深度，为电流透入深度。电流透入深度用δ(单位为mm)表示，可以用经验公式求出：

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式中 ρ——工件材料的电阻率，Ω·cm；

μ——工件材料的磁导率，H/m；

f——交变电流的频率，Hz。

可见，电流透入深度随着工件材料的电阻率的增加而增加，随工件材料的磁导率及电流频率的增加而减小。随温度提高，电阻率和磁导率会发生变化，如图4-19所示。电阻率ρ随着温度的升高而增大，在800～900℃时，各类钢的电阻率基本不变，约为10-4Ω·cm；磁导率μ在温度低于磁性转变点A2(768℃)时基本不变，而超过A2则急剧下降。可见当工件加热温度超过钢的磁性转变点A2时，电流透入深度将急剧增加。此外，感应电流频率越高，电流透入深度越小，工件加热层越薄。因此，感应加热透入工件表层的深度主要取决于电流频率。

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图4-19　钢的磁导率、电阻率与加热温度的关系

将钢在800℃及在室温20℃下的ρ和μ分别代入式(4-5)，得到电流透入深度(单位为mm)的δ800和δ20与电流频率f(单位为Hz)之间分别有以下关系：

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可见，感应电流频率f越高，电流透入深度δ越小，工件加热层也就越薄。还可看出，δ800比δ20大几十倍，即当工件加热温度超过钢的磁性转变点A2时，电流透入深度将急剧增大。通常将δ800称为热态电流透入深度，δ20称为冷态电流透入深度。热态下整个电流透入层中的电流密度迅速下降，从而使表层加热速度变慢，并导致温度沿断面的分布趋于平缓。这种温度分布是十分有利的，它既可保证零件有一定的淬硬层深度，又不易造成表层过热。

感应加热的基本原理

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