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感应加热

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斯特林放射性同位素发生器的部件在测试期间通过感应加热

感应加热是通过电磁感应加热导电物体(通常是金属)的过程,通过涡流在物体中产生热量。感应加热器由电磁铁和使高频交流电通过电磁铁的电子振荡器组成。快速交变磁场穿透物体,在导体内部产生电流,称为涡流。流经材料电阻的涡流通过焦耳热加热材料。在铁等铁磁(和亚铁磁)材料中,磁滞损耗也可能产生热量。使用的电流频率取决于物体尺寸、材料类型、耦合(工作线圈和待加热物体之间)和穿透深度。

感应加热过程的一个重要特征是热量在物体本身内部产生,而不是通过热传导由外部热源产生。因此物体可以被很快加热。此外,不需要任何外部接触,这一点很重要,如果污染是一个问题。感应加热用于许多工业过程,例如冶金热处理、半导体工业中使用的直拉法晶体生长和区域精炼,以及熔化需要非常高温度的难熔金属。它也用于加热食物容器的感应炉灶;这叫做感应烹饪。

1 应用编辑

在450千赫下用15千瓦感应加热25毫米金属棒。

在坩埚中于2650华氏度(1450摄氏度)熔化硅,用于直拉晶体生长,1956年

感应加热允许对适用的的物品进行有针对性的加热,包括表面硬化、熔化、铜焊、钎焊和加热在内的应用。铁及其合金对感应加热反应最好,因为它们具有铁磁性。然而,涡流可以在任何导体中产生,磁滞可以在任何磁性材料中产生。感应加热已被用于加热液体导体(如熔融金属)和气体导体(如气体等离子体)。感应加热通常用于加热石墨坩埚(包含其他材料),并广泛用于半导体工业中加热硅和其他半导体。实用频率(50/60赫兹)感应加热用于许多低成本工业应用,因为不需要逆变器。

1.1 熔炉

感应炉利用感应将金属加热到熔点。一旦熔化,高频磁场也可以用来搅拌热金属,这有助于确保合金添加剂完全混合到熔体中。大多数感应炉包含一管水冷铜环,环绕在耐火材料容器周围。感应炉在大多数现代铸造厂被用作比反射炉或冲天炉更清洁的熔化金属的方法。尺寸从一公斤到一百吨不等。感应炉运行时,通常会发出尖锐的呜呜声或嗡嗡声,这取决于它们的运行频率。熔化的金属包括钢铁、铜、铝和贵金属。因为这是一个清洁和非接触的过程,它可以在真空或惰性气氛中使用。真空炉利用感应加热生产特殊钢和其他合金,如果在空气中加热,这些钢和合金会氧化。

1.2 焊接

感应焊接采用类似的小规模工艺。塑料也可以通过感应焊接,如果它们掺杂有铁磁性陶瓷(其中颗粒的磁滞提供所需的热量)或金属颗粒。

管子的接缝可以这样焊接。管道中感应的电流沿着开口接缝流动,加热边缘,从而产生足够高的焊接温度。此时,接缝边缘被压在一起,接缝被焊接。射频电流也可以通过刷子传送到管子,但结果仍然是一样的——电流沿着开口缝流动,加热管子。

1.3 烹饪

在感应烹饪中,炊具顶部的感应线圈通过磁感应加热炊具的铁底座。铜底锅、铝锅和其他有色金属锅通常不合适。底部产生的热量通过传导传递给食物。电磁炉的好处包括效率、安全性(电磁炉顶部本身不会加热)和速度。永久安装和便携式电磁炉都有。

1.4 钎焊

感应钎焊通常用于较高的产量运行。它产生均匀的的结果,并且非常可重复。使用感应钎焊的工业设备有很多类型。例如,感应用于将碳化物钎焊到轴上。

1.5 密封

感应加热用于食品和制药行业容器的盖子密封。将一层铝箔放在瓶子或罐子的开口上,通过感应加热,使其与容器融合。这提供了一种防破坏密封,因为改变内容需要打破箔片。[1]

1.6 加热至适合

感应加热通常用于加热物品,使其在装配或组装前膨胀。轴承通常使用公用频率(50/60赫兹)和穿过轴承中心的叠片钢变压器式铁芯以这种方式加热。

1.7 热处理

感应加热通常用于金属物品的热处理。最常见的应用是钢部件的感应淬火、作为连接金属部件的手段的感应焊接/铜焊以及选择性软化钢部件区域的感应退火。

感应加热可以产生高功率密度,从而允许短的相互作用时间达到所需的温度。这提供了对加热模式的严格控制,模式非常紧密地跟随所施加的磁场,并允许减少热变形和损坏。

这种能力可用于硬化生产不同性能的零件。最常见的硬化工艺是对需要耐磨的区域进行局部表面硬化,同时保持原始结构的韧性,如其他地方所需要的。感应硬化图案的深度可以通过选择感应频率、功率密度和相互作用时间来控制。

许多应用需要生产专用电感,这就限制了工艺的灵活性。这相当昂贵,并且需要在小型铜电感器中配置高电流密度,这可能需要专门的工程和“铜配件”。

1.8 塑料加工

感应加热用于塑料注射成型机。感应加热提高了注射和挤压过程的能量效率。热量直接在机器桶中产生,减少预热时间和能耗。感应线圈可以放置在隔热层之外,因此它可以在低温下工作,使用寿命长。使用的频率范围从30千赫到5千赫,对于较厚的桶,频率会降低。逆变器设备成本的降低使得感应加热越来越受欢迎。感应加热也可以应用于模具,提供更均匀的模具温度和改进的产品质量。

2 详情编辑

基本装置是交流电源,提供低电压、高电流和高频率的电力。要加热的工件被放置在由电源驱动的空气线圈内,通常与谐振储能电容器结合以增加无功功率。交变磁场在工件中感应出涡流。

感应电流的频率决定了感应涡流穿透工件的深度。在实心圆棒的最简单情况下,感应电流从表面呈指数级下降。载流层的“有效”深度可以推导为  ,其中   为厘米深度,   为欧姆厘米单位的工件电阻率,  为工件的无量纲相对磁导率,  为赫兹单位的交流磁场频率。[2] 工件的等效电阻和效率是工件直径   在参考深度  上的函数,快速增加到大约  [3] 由于工件直径由应用程序固定,   的值由参考深度决定。减小参考深度需要增加频率。由于感应电源的成本随着频率的增加而增加,因此通常会对电源进行优化,以达到  的临界频率。如果工作在临界频率以下,加热效率会降低,因为工件两侧的涡流会相互碰撞并抵消。将频率提高到临界频率以上,对加热效率的进一步改善微乎其微,尽管它被用于只对工件表面进行热处理的应用中。

相对深度随温度变化,因为电阻率和渗透率随温度变化。对于钢,温度高于居里温度,相对磁导率下降到1。因此,对于非磁性导体,参考深度可以随温度变化2-3倍,对于磁钢,可以变化多达20倍。[4]

频率范围的应用
频率(千赫) 工件类型
5–30 厚材料(如815℃时直径为50毫米或更大的钢)。
100–400 小工件或浅穿透(例如直径为5-10毫米的815℃钢或直径约为0.1毫米的25℃钢)。
480 微观碎片

磁性材料由于磁滞而改善感应加热过程。高渗透性材料(100–500)更易于感应加热。磁滞加热发生在居里温度以下,在居里温度下材料保持其磁性。工件中居里温度以下的高磁导率是有用的。温差、质量和比热影响工件加热。

感应加热的能量传递受线圈和工件之间距离的影响。能量损失是通过工件到夹具的热传导、自然对流和热辐射发生的。

感应线圈通常由铜管和流体冷却制成。直径、形状和匝数会影响效率和磁场模式。

3 芯式炉编辑

炉子由一个圆形炉膛组成,炉膛中装有呈环状熔化的炉料。金属环直径很大,并且与由交流电源供电的电绕组磁性连接。它本质上是一个变压器,待加热的电荷形成单匝短路次级,并通过铁芯与初级磁耦合。

参考文献

  • [1]

    ^Valery Rudnev Handbook of Induction HeatingCRC Press, 2003 ISBN 0824708482 page 92.

  • [2]

    ^S. Zinn and S. L. Semiatin Elements of Induction Heating ASM International, 1988 ISBN 0871703084 page 15.

  • [3]

    ^S. Zinn and S. L. Semiatin Elements of Induction Heating ASM International, 1988 ISBN 0871703084 page 19.

  • [4]

    ^S. Zinn and S. L. Semiatin Elements of Induction Heating ASM International, 1988 ISBN 0871703084 page 16.

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