电磁加热技术在机械加工中的应用张兆国

电磁加热技术在机械加工中的应用张兆国

张兆国

（东营胜明玻璃有限公司）

摘要：本文介绍了电磁加热技术的原理以及电磁加热设备的能量损失；阐述了热塑成型工艺中电磁加热技术的优点，总结了注塑机料筒电磁加热系统的温度控制性能；通过与传统的热处理工艺进行比较，发现电磁热处理技术表现出的一系列优点。

关键词：电磁加热；热处理；加热系统

引言

电磁感应加热技术是当前发展迅速的一种加热技术，它是根据法拉第的电磁感应定律而逐渐发展起来的。现在机械行业中主要采取的加热方式有火焰加热、红外辐射加热与电磁感应加热。由于电磁感应加热方式具有加热速度快、加热温度与时间可控等一系列优点，它在金属冶炼等诸多领域中有着广泛的应用。与电热丝加热方式相比，这种加热方式的能量转换效率比高，同时解决了高温加热困难、超大功率加热困难的技术难题。

1电磁加热机理

电磁感应加热技术的基础是电磁感应定律，根据变化的磁场产生电场的原理，使得被加热金属件内部产生涡旋电流，由于金属具有一定的电阻率，因此受热金属件会产生热量。根据电磁加热器所选用电源频率的不同，电磁加热可以分为工频电磁加热（50Hz）、中低频电磁加热（150~10000Hz）、超音频电磁加热（10k~100kHz）和高频电磁加热（100kHz以上）。电源频率的选择与需要加热的厚度有关，因为电磁加热过程存在着趋肤效应，即产生的电流密度值在金属件内部各点是不同的，从表层开始向内部衰减。假设靠近感应器的表层电流密度是I0，沿远离被加热件表层方向距离为x处的电流密度是Ix，则I0与Ix的关系可以用（1）式表示：

Ix=I0e-x/8（1）

式（1）中的x取值为δ时，得到Ix=I0/e，δ称为电流的透入深度。在电流透入深度以内所产生的热能约为87%，电磁加热的过程可以认为是δ层内产生的热量逐渐向δ层以外进行传导的过程。δ的取值可以用（2）式计算出来：

δ=50300（2）

式（2）中，透入深度δ的单位是mm；ρ代表被加热金属件的电阻率，其单位是Ω·m；μ代表被加热金属件的磁导率，其单位是H/m；f代表电源频率，其单位是Hz。在电磁加热过程中，除了涡流所产生的热量，还存在着磁滞效应产生的热量。感应器通过不断变化的电流，产生交变的磁场，从而被加热件中也产生方向交替变化的磁场。磁场方向变化的瞬间，磁分子会发生剧烈的摩擦而产生热量。磁滞效应所产生的热能通常不能立即释放出来，因此要尽可能减小磁滞效应的影响。对钢铁零件进行加热时，涡流致热效应相对于磁滞效应要明显得多，可忽略不计。钢铁零件的磁导率和电阻率会随着自身温度的改变而改变：零件局部被加热到其居里点770℃附近时，其磁导率会发生骤降，电阻率会增大4.8倍。这些变化对磁场和电场的分布有很大影响，其最终结果是涡流密度沿远离表面方向分布趋于平缓，δ值增大，最大涡流密度从表层向内部转移，因为工件内部温度在居里点以下，磁导率高。因此，工件从表层到内部逐渐升温，形成渗透加热形式。

电磁加热过程中存在能量损失，主要包括四个方面：热传导损失、热对流损失、热辐射损失与电磁加热设备自身的能量损失。进行感应加热时，工件表面局部首先被加热，工件表里之间温差的存在使得热量沿远离工件表面方向扩散，形成热传导，在传导过程中产生能量损失；工件周围一般是水或空气等流体，这些流体与工件表面间温度差的存在使得两者间出现能量交换，即热对流损失；工件在局部受热后成为辐射源，向周围物体以电磁波的形式传递能量，热辐射损失的大小与工件表面温度、环境温度都有关系；电磁感应加热设备中电源、电缆以及控制装置等都会产生能量损失。

2电磁加热在机械加工中的应用

电磁加热技术的高热效率、高加热温度、大功率等一系列优良特性，使得它在钢铁零件的热处理工艺以及金属熔炼工艺中被广泛应用。

2.1电磁加热工艺在热处理中的应用

热处理是机械加工过程中改善零件性能的常用手段，其方法有许多，常采取的加热方式也比较多：如氧气-乙炔火焰加热、电热丝加热和电磁加热。其中，电磁加热工艺以其环保、安全、升温速度快、热损失小的优势而逐渐得到推广。

21世纪以来，热处理工艺以及感应加热淬火工艺得到了更加深入的发展，高频淬火工艺也成为感应热表面淬火工艺之一，它是在感应器内加上高频电流，使受热工件表面温度迅速升高到800℃甚至更高的温度之后，迅速浸水/油冷却。高频淬火工艺可以使工件表面硬度达到设计需求。淬硬层的深度与电源频率有关，100kHz以上的高频电源所对应的淬硬层为0.5~2.5mm，可应用于中小型工件；淬硬深度要求在2~10mm甚至10mm以上的工件通常采用中低频电源。

2.2电磁加热工艺在金属熔炼中的应用

电磁加热技术在钢铁、铝、铜以及一些合金的熔炼设备中也有用，而且它可以提高企业的冶炼技术水平。电磁感应熔炼设备一般包括感应熔炼炉和感应透热炉。电磁熔炼设备的特点是：（1）金属熔炼速度比较快，节约电能。（2）加热功率可通过控制电流和电压等参数予以调节。（3）操作过程简单，可通过控制器面板实现加热参数的设置。感应熔炼炉由电源、控制柜、熔炉、倾炉机构、冷却装置以及一些辅助装置等组成，其电源一般选取中低频率电源。螺旋管形感应器设置在熔炉内部，炉体内的金属因电涡流的存在而发热至熔化。感应式透热炉则是由支架、操作台、感应器、电源以及输送料架等组成。透热炉的特点是在其运行过程中，受热金属氧化脱碳比较少，材料利用率高。

3结论

电磁感应加热技术的发展促进了机械加工行业的技术改进，它在理论上的发展与数学分析方法的进步有着紧密的联系。在热处理领域，采用电磁热处理工艺可以显著改善零件的机械性能。在熔炼领域，电磁熔炼方式有着节能、功率大、金属材料氧化少的优势。虽然电磁加热技术在许多领域已有涉及，但在大型汇气/油管道的热拔制工艺中的应用还比较少，因此电磁加热技术还有更广阔的发展空间。

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