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異徑工件的整體感應(yīng)透熱 如何做到均溫
發(fā)布時(shí)間:2017-10-05 10:35 來(lái)源:tommy 閱讀:
在鍛造和整體調(diào)質(zhì)處理的工藝中,經(jīng)常有不等截面的工件需要加熱。工藝要求截面部分同時(shí)加熱到相同的均勻溫度。感應(yīng)加熱一般適應(yīng)于等截面工件的加熱。截面大小不同的部分同時(shí)加熱到相同的溫度,可以采用橫向磁場(chǎng)調(diào)整不同截面處工件與線圈之間的間隙,從而改變線圈在不同截面處的磁場(chǎng)強(qiáng)度H,在大截面處產(chǎn)生較大的磁場(chǎng)強(qiáng)度H1,生成較大的功率密度(單位面積上的功率kW/cm2),在小截面處產(chǎn)生較小的磁場(chǎng)強(qiáng)度H2,生成較小的功率密度。
異徑工件的橫向磁場(chǎng)感應(yīng)加熱如圖1所示。
 
圖1 異徑工件的橫向磁場(chǎng)感應(yīng)加熱
圖中,D為大直徑,d為小直徑。加熱溫度為T,加熱前溫度為T0。
 
1.加熱工件單位時(shí)間內(nèi)所需的功率
工件大直徑區(qū)段單位長(zhǎng)度在單位時(shí)間內(nèi)加熱到溫度T所需的功率:
P1=лD2γc(T-T0)/т=лD2γcΔT/т
式中 γ——密度;
c——熱容量;
ΔT——T-T0;
т——加熱時(shí)間。
工件小直徑區(qū)段單位長(zhǎng)度在單位時(shí)間內(nèi)加熱到溫度T所需的功率:
P2=лd2γcΔT/т
兩者之比:
P1 /P2=D2/ d2                                 
 
2. 感應(yīng)加熱的電磁能傳輸
工件加熱的能源是由感應(yīng)器提供的,感應(yīng)線圈接入電源后,在線圈內(nèi)生成電磁場(chǎng)(EH),電磁場(chǎng)透入工件的電磁能,其有功部分(實(shí)數(shù))成為熱源,根據(jù)坡印廷定理(poynting),電磁能:
      S=1/2EH
式中  E——電場(chǎng)強(qiáng)度;
         H——磁場(chǎng)強(qiáng)度。
而磁路:
∮Hdl=E/ρ
式中 l——磁路長(zhǎng)度(單位長(zhǎng)度l=1)。
其有功部分的能流(功率)密度:
P0=kH2(ρμ1f)1/2
式中  H——作用于工件表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度;
         ρ——工件的電阻系數(shù);
        μ1——相對(duì)導(dǎo)磁率;
           f——電流的頻率;
          k——系數(shù)。
 
大直徑單位長(zhǎng)度圓柱表面的功率:
P1=kлDH12(ρμ1f)1/2
式中 H1——作用于大直徑區(qū)加熱所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度。
 
小直徑單位長(zhǎng)度圓柱表面的功率:
P2=kлdH22(ρμ1f)1/2
式中 H2——作用于小直徑區(qū)加熱所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度。
 
兩者之比:
P1/ P2=(D/d)×(H12/ H22)                                                 
從式(1)已知,同時(shí)加熱到相同溫度的功率(密度)之比,則
P1 /P2=D2/ d2 =(D/d)×(H12/ H22) 
所以,H1=H2(D/d)1/2                                              
3. 環(huán)形線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度
電流I通入環(huán)形線圈后,在線圈內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng),磁場(chǎng)強(qiáng)度由線圈內(nèi)側(cè)向心部衰減,圓環(huán)心部的磁場(chǎng)強(qiáng)度:H0=I/2лr
式中 r——圓環(huán)的半徑。
 
由圓環(huán)線圈至圈內(nèi)距離為b處(見(jiàn)圖2)的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hb=I/2лb               (4)
b為感應(yīng)器內(nèi)工件與線圈之間的間隙。磁場(chǎng)強(qiáng)度H與間隙成反比,間隙b越大,磁場(chǎng)強(qiáng)度H衰減越多,工件吸收的電磁能越少。
 
4. 調(diào)整間隙
直徑大小不同的部分要同時(shí)加熱到相同溫度,大直徑區(qū)段需要輸入較大的功率密度,小直徑區(qū)段需要輸入較小的功率密度。已知功率密度P0與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的平方成正比,而磁場(chǎng)強(qiáng)度H與工件在感應(yīng)器內(nèi)的間隙成反比。為此。可以用調(diào)整間隙的方法來(lái)調(diào)整輸入工件的功率密度。
 
若大直徑區(qū)段的間隙為b1,磁場(chǎng)強(qiáng)度H1=I/2лb1
若小直徑區(qū)段的間隙為b2,磁場(chǎng)強(qiáng)度H2=I/2лb2
代入式(3),則
b2/b1=(D/d)1/2
b2=b1(D/d)1/2                                                        (5)
由此可見(jiàn),當(dāng)小直徑區(qū)段的線圈與工件之間的間隙b2為大直徑區(qū)段的(D/d)1/2倍時(shí),大小直徑區(qū)段可以同時(shí)加熱到相同溫度。
 
5. 討論
在感應(yīng)加熱過(guò)程中,電流穿透層是不斷變化的,而電磁能86.4%集中在穿透層。電磁能轉(zhuǎn)化為熱能后,向穿透層以外的心部傳導(dǎo)需要一定的時(shí)間。上述推導(dǎo)僅考慮能源(功率)密度的需要來(lái)計(jì)算熱傳導(dǎo)時(shí)間,要使不同工件的不同斷面部分的溫度相等并內(nèi)外均勻,應(yīng)設(shè)置保溫室,加熱后的工件在保溫室內(nèi)停留一段時(shí)間,可減少溫差,達(dá)到工件內(nèi)外溫度均勻。
 

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