感應加熱時電流趨膚效應分析

加熱具有效率高、加熱快、氧化少、占地面積小、環境保護、能耗低等特點。廣泛應用于pc鋼桿、預制鋼絲、彈簧鋼絲、氧化鋅鋼、旋轉帶等產品的生產。為了使感應加熱既能滿足工藝要求,又能降低能耗,并充分發揮加熱電源的能力,正確地設計感應加熱爐的結構和工藝參數十分重要。1加熱設備的特點1.1中小企業內部流的圈感應加熱就是把被加熱工件置于通有交流電流的線圈中,在交變磁場的作用下被加熱工件內部會產生感應電勢,感生電勢產生渦流,依靠渦流的能量使工件得到加熱,如圖1所示。1.2小到半導體表層電流密度的確定鋼絲的熱處理要求其橫截面溫度基本均勻一致,但在感應加熱過程中,交變磁場在導體內部引起的渦流在導體橫截面上的分布是不均勻的,電流主要集中在導體表面,稱之為趨膚效應,如圖2所示。電流的頻率愈高,趨膚效應越明顯。工程上規定,導體中的電流密度減小到導體表層電流密度的1/e(e為自然底數e≈2.71828183)處的深度δ為電流穿透層,在穿透層δ內產生的能量為進入金屬表面能量的86.4%。透入電流深度δ=503ρμrf???√?(1)δ=503ρμrf?(1)式(1)中:δ為電流穿透層厚度,m;ρ為鋼絲電阻率,Ω·m;μr為鋼絲相對導磁率;f為電流頻率,Hz。由于趨膚效應,電流密度從鋼絲表面到心部逐漸減小,鋼絲心部加熱相對不足,其溫度總是比表面上升得慢,鋼絲心部的加熱主要依靠熱傳導作用,因此,在感應加熱中必須充分考慮頻率、加熱時間、合理的均溫措施和均溫時間,以達到心部和表面溫度相一致的目的。另外,感應加熱時的熱能損失是由于鋼絲表面的熱輻射和對流產生的,分析表明,在低溫時對流是熱損失的主要方式,但在高溫加熱工況下熱輻射遠遠大于熱對流的損失。1.3流深度d的影響鋼絲感應加熱屬于穿透加熱,頻率的選擇主要考慮2個因素:感應加熱爐的加熱效率和鋼絲橫截面的溫度均勻性。這2個因素主要反映在透入電流深度δ和鋼絲直徑D的關系上:當D>6δ時,感應加熱器的效率不會增加更多,反而會因為傳輸損耗的加大、加熱時間延長、熱損耗加大等引起整個加熱系統效率的降低;當D<3δ時,雖然能夠減小鋼絲心部和表面溫度差,但感應器的效率急劇降低,所以對于鋼絲感應加熱,透入電流深度δ和鋼絲直徑D最佳的比例為6>D/δ>3。為方便設計,列出了加熱不同非磁性材料的線材、不同加熱頻率對應的最小直徑,見表1。1.4感應加熱頻率的選擇對于鋼絲等磁性材料的加熱,到達居里溫度點以上時,磁性材料相對導磁率μr變化非常大。如中碳鋼的居里溫度點約為760℃,溫度超過居里點,μr=1,而在居里溫度點以下,相對導磁率的值隨磁場強度H不同而不同,一般μr為10～100,在相同的溫度下,磁場強度越大,相對磁導率越小,如圖3所示,因而鋼絲的感應加熱過程分為2個階段。居里溫度點以下時,鋼絲的導磁率較高,電流透入深度較小,趨膚效應顯著,根據公式(1),要使感應器的效率提高,可采用較低的感應加熱頻率,以提高電流穿透層加熱深度。在加熱的初始階段,溫度升高導致材料電阻率增加,電流透入深度有微小增加。隨著溫度的進一步提高,超過550℃以后,相對導磁率開始明顯下降,從而引起電流透入深度增加。當加熱溫度接近居里點時,鋼絲變為非磁性材料,相對導磁率突然下降,接近于1,電流透入深度將劇烈增大(15倍以上),渦流強度急劇下降,感應器和工件的耦合變差,即感應器向工件傳遞能量的能力下降,從而導致感應器的加熱效率降低非常多,此時,應提高加熱頻率以提高加熱效率。由以上分析,對于磁性材料加熱到居里點以上溫度的工況,應選用雙頻加熱的方式,即在加熱初始階段,鋼絲仍保持磁性材料特性時采用低頻加熱,頻率選擇見表2。在最終階段,鋼絲已經變為非磁性材料,使用高頻加熱更為有效,其頻率的選擇參見表1中的不銹鋼品種。2由卡盤結構優化設計2.1感應加熱爐結構參數的影響分析感應器的結構參數很大程度上決定了感應加熱爐的系統效率和使用壽命,特別是感應器內徑與鋼絲外徑之間的空氣間隙對感應器的效率影響很大。小的空氣間隙意味著鋼絲和感應器之間有好的電磁耦合,即感應器給鋼絲傳輸能量的能力強,因此有高的傳遞效率。但是,鋼絲在感應器內移動時,又必須留有足夠的空氣間隙,使得鋼絲不致碰擦銅管線圈產生短路。鋼絲的傳動方式、張力大小、直徑和銅管外形尺寸、絕緣材料厚度以及感應器安裝方式等因素決定了鋼絲能否與感應器之間保持良好的同心度,使鋼絲平穩地通過感應器。顯著影響感應器效率和輸出功率的結構參數還包括感應器的匝間距和長度。一方面,緊湊的匝間距會減少感應器的漏磁,增加磁場強度,從而影響磁性材料的相對導磁率;另一方面,感應器軸向的磁場分布是不均勻的,端部的磁場強度只有中間的一半,增加感應器的長徑比,可以減小端部的磁場泄漏,從而提高感應器的效率,因此,長而緊湊的感應器相對于短而稀疏的感應器效率更高,特別是加熱非磁性材料的鋼絲時,推薦感應器的長度至少是其內徑的5倍。感應加熱爐長度、間距、保溫段長度決定了加熱時間和保溫時間,也就決定了鋼絲的橫截面溫度(表面溫度、心部溫度及心表溫差)的分布。20世紀90年代以前,感應加熱爐設計主要通過基于變壓器原理的等效電路模型及經試驗修正的經驗公式的方法,應用簡單公式分析和半數字化解析方法進行。隨著計算機技術的發展,現代感應加熱設計能夠利用高效的數值分析方法,得到近似精確的電磁場、溫度場解,從而對工藝參數和感應器結構參數的設計提供指導。圖4為利用一維有限差分法,對鋼棒連續生產線加熱過程中鋼棒橫截面溫度進行的數值計算,并采用共軛梯度法對感應加熱爐長度、間距、磁場強度等工藝參數進行了優化設計。2.2應力加熱爐結構及工作原理圖5為PC鋼棒生產線的感應加熱爐。該生產線可生產?7.1～12.6mm規格的PC鋼棒,生產線運行速度為100m/min,產量約3t/h,其中淬火加熱段由3臺感應加熱爐組成,回火加熱段用1臺感應加熱爐。圖5a為PC鋼棒生產線感應加熱爐負載柜的外形,主要由感應器,匹配電熱電容器、匯流通水母排、水分配器、低水壓保護等裝置組成。其中感應器采用通水紫銅管繞制,內置耐高溫云母管,每臺感應加熱爐由多段感應器串并聯組成,每段感應器之間加裝定位導向裝置,以保證PC鋼棒運行穩定。圖5b為?9.0mm鋼棒淬火段第1段加熱爐結構示意圖,感應器為螺旋管感應器,8個感應器串聯,感應器內徑26mm,外徑46mm,長度244mm,匝數16。加熱爐頻率和阻抗匹配選擇合理,對于相近規格的鋼棒通用性好