異徑工件的整體感應透熱 如何做到均溫
發(fā)布時間：2017-10-05 10:35 來源：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加熱到相同的均勻溫度。感應加熱一般適應于等截面工件的加熱。截面大小不同的部分同時加熱到相同的溫度，可以采用橫向磁場調(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強度H，在大截面處產(chǎn)生較大的磁場強度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)生較小的磁場強度H2，生成較小的功率密度。
異徑工件的橫向磁場感應加熱如圖1所示。
圖1 異徑工件的橫向磁場感應加熱
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.加熱工件單位時間內(nèi)所需的功率
工件大直徑區(qū)段單位長度在單位時間內(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——加熱時間。
工件小直徑區(qū)段單位長度在單位時間內(nèi)加熱到溫度T所需的功率：
P2＝лd2γcΔT/т
兩者之比：
P1 /P2＝D2/ d2
2. 感應加熱的電磁能傳輸
工件加熱的能源是由感應器提供的，感應線圈接入電源后，在線圈內(nèi)生成電磁場（EH），電磁場透入工件的電磁能，其有功部分（實數(shù)）成為熱源，根據(jù)坡印廷定理（poynting），電磁能：
S＝1/2EH
式中 E——電場強度；
H——磁場強度。
而磁路：
∮Hdl＝E/ρ
式中 l——磁路長度（單位長度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強度；
ρ——工件的電阻系數(shù)；
μ1——相對導磁率；
f——電流的頻率；
k——系數(shù)。
大直徑單位長度圓柱表面的功率：
P1＝kлDH12（ρμ1f）1/2
式中 H1——作用于大直徑區(qū)加熱所需的磁場強度。
小直徑單位長度圓柱表面的功率：
P2＝kлdH22（ρμ1f）1/2
式中 H2——作用于小直徑區(qū)加熱所需的磁場強度。
兩者之比：
P1/ P2＝(D/d)×(H12/ H22)
從式（1）已知，同時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)形線圈的磁場強度
電流I通入環(huán)形線圈后，在線圈內(nèi)產(chǎn)生磁場，磁場強度由線圈內(nèi)側(cè)向心部衰減，圓環(huán)心部的磁場強度：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（見圖2）的磁場強度Hb＝I/2лb （4）
b為感應器內(nèi)工件與線圈之間的間隙。磁場強度H與間隙成反比，間隙b越大，磁場強度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與磁場強度H的平方成正比，而磁場強度H與工件在感應器內(nèi)的間隙成反比。為此?？梢杂谜{(diào)整間隙的方法來調(diào)整輸入工件的功率密度。
若大直徑區(qū)段的間隙為b1，磁場強度H1＝I/2лb1
若小直徑區(qū)段的間隙為b2，磁場強度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，當小直徑區(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，大小直徑區(qū)段可以同時加熱到相同溫度。
5. 討論
在感應加熱過程中，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需要一定的時間。上述推導僅考慮能源（功率）密度的需要來計算熱傳導時間，要使不同工件的不同斷面部分的溫度相等并內(nèi)外均勻，應設置保溫室，加熱后的工件在保溫室內(nèi)停留一段時間，可減少溫差，達到工件內(nèi)外溫度均勻。
