電磁加熱技術在機械加工中的應用

劉彥旭　劉保國

（河南工業大學機電工程學院，鄭州450007）

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電磁加熱技術在機械加工中的應用

劉彥旭劉保國

（河南工業大學機電工程學院，鄭州450007）

摘要：本文介紹了電磁加熱技術的原理以及電磁加熱設備的能量損失；闡述了熱塑成型工藝中電磁加熱技術的優點，總結了注塑機料筒電磁加熱系統的溫度控制性能；通過與傳統的熱處理工藝進行比較，發現電磁熱處理技術表現出一系列優點；最后簡單介紹了電磁熔煉設備的特點及其結構。

關鍵詞：電磁加熱電渦流加熱系統

引言

電磁感應加熱技術是當前發展迅速的一種加熱技術，它是根據法拉第的電磁感應定律而逐漸發展起來的?，F在機械行業中主要采取的加熱方式有火焰加熱、紅外輻射加熱與電磁感應加熱。由于電磁感應加熱方式具有加熱速度快、加熱溫度與時間可控等一系列優點，它在船舶、油氣管路以及金屬冶煉等諸多領域中有著廣泛的應用。與電熱絲加熱方式相比，這種加熱方式的能量轉換效率比高，同時解決了高溫加熱困難、超大功率加熱困難的技術難題。

1 電磁加熱機理

電磁感應加熱技術的基礎是電磁感應定律，根據變化的磁場產生電場的原理，使得被加熱金屬件內部產生渦旋電流，也稱電渦流，由于金屬具有一定的電阻率，因此受熱金屬件會產生熱量［1］。根據電磁加熱器所選用電源頻率的不同，電磁加熱可以分為工頻電磁加熱（50Hz）、中低頻電磁加熱（150～10000Hz）、超音頻電磁加熱（10k～100kHz）和高頻電磁加熱（100kHz以上）。電源頻率的選擇與需要加熱的厚度有關，因為電磁加熱過程存在著趨膚效應，即產生的電流密度值在金屬件內部各點是不同的，從表層開始向內部衰減。假設靠近感應器的表層電流密度是I0，沿遠離被加熱件表層方向距離為x處的電流密度是Ix，則I0與Ix的關系可以用（1）式表示：

式（1）中的x取值為δ時，得到Ix=I0/e，δ稱為電流的透入深度。在電流透入深度以內所產生的熱能約為87%，電磁加熱的過程可以認為是δ層內產生的熱量逐漸向δ層以外進行傳導的過程［2］。δ的取值可以用（2）式計算出來：

式中，透入深度δ的單位是mm；ρ代表被加熱金屬件的電阻率，其單位是Ω·m；μ代表被加熱金屬件的磁導率，其單位是H/m；f代表電源頻率，其單位是Hz。在電磁加熱過程中，除了渦流所產生的熱量，還存在著磁滯效應產生的熱量。感應器通過不斷變化的電流，產生交變的磁場，從而被加熱件中也產生方向交替變化的磁場。磁場方向變化的瞬間，磁分子（磁性偶極子）會發生劇烈的摩擦而產生熱量。磁滯效應所產生的熱能通常不能立即釋放出來，因此要盡可能減小磁滯效應的影響［3］。對鋼鐵零件進行加熱時，渦流致熱效應相對于磁滯效應要明顯得多，可忽略不計。鋼鐵零件的磁導率和電阻率會隨著自身溫度的改變而改變：零件局部被加熱到其居里點770℃附近時，其磁導率會發生驟降，電阻率會增大4.8倍。這些變化對磁場和電場的分布有很大影響，其最終結果是渦流密度沿遠離表面方向分布趨于平緩，δ值增大，最大渦流密度從表層向內部轉移，因為工件內部溫度在居里點以下，磁導率高。因此，工件從表層到內部逐漸升溫，形成滲透加熱形式。

電磁加熱過程中存在能量損失，主要包括四個方面：熱傳導損失、熱對流損失、熱輻射損失與電磁加熱設備自身的能量損失。進行感應加熱時，工件表面局部首先被加熱，工件表里之間溫差的存在使得熱量沿遠離工件表面方向擴散，形成熱傳導，在傳導過程中產生能量損失；工件周圍一般是水或空氣等流體，這些流體與工件表面間溫度差的存在使得兩者間出現能量交換，即熱對流損失；工件在局部受熱后成為輻射源，向周圍物體以電磁波的形式傳遞能量，熱輻射損失的大小與工件表面溫度、環境溫度都有關系［4］；電磁感應加熱設備中電源、電纜以及控制裝置等都會產生能量損失［5］。

2 電磁加熱在機械加工中的應用

電磁加熱技術的高熱效率、高加熱溫度、大功率等一系列優良特性，使得它在鋼鐵零件的熱塑成型加工工藝、熱處理工藝以及金屬熔煉工藝中被廣泛應用。

2.1 電磁加熱工藝在熱塑成型加熱系統中的應用

傳統注塑機的加熱系統通常采取電阻加熱的方式對原料加熱，但這種方式存在一些明顯缺點：（1）熱轉換效率比較低，不到50%，導致耗電增加，同時會對設備附近環境產生一定的熱污染。（2）由于發熱元件是電阻絲，在使用過程中必然存在高溫老化的現象，需要經常維護，壽命短。（3）熱損耗導致操作工人處于高溫環境中，對健康不利。針對這一系列缺點，目前許多企業已經對注塑機的加熱工藝進行改進，應用了電磁感應加熱技術，為企業降低了注塑加工過程中的電力成本。

注塑機加熱系統實際上是經過整流電路（電磁加熱控制器）與電壓轉換電路，將220V/50Hz的交流電轉換為直流電；再經過DC/AC轉換電路，將直流電轉換為10k～100kHz的電流輸送到感應器中，變化的電場又產生磁場，注塑機的鐵磁性料筒置于這種電磁場中便會在其內部產生感應電渦流并發熱，從而達到為塑料顆粒加熱的目的。感應器與料筒之間被隔熱材料分離開，因此料筒內部向感應器傳導的熱量很少。但是由于感應器本身在正常運行時通過了較大的電流，其自身產生的熱量必須及時散開，否則同樣會出現感應器高溫老化甚至燒壞的現象［6］。為此，感應器通常由空心的圓管或方管繞制而成，如圖1所示，管子內部充滿可循環利用的冷卻液，對感應器冷卻。

圖1 注塑機料筒電磁加熱示意圖

圖1示意圖中，①為感應器；②為料筒；③為隔熱層；④為冷卻液槽；⑤為冷卻液；⑥為電磁加熱控制器。控制器的作用是給定加熱功率。功率的改變是通過改變電源頻率或者電流等工藝參數而實現的。當前超大功率電磁感應加熱技術中控制器的核心元件普遍采用IGBT芯片。設備正常運行時芯片自身會產生熱量，需要對其進行風冷散熱，以免影響芯片性能。對料筒進行感應加熱需要通過溫度傳感器將料筒溫度實時反饋到控制器中，電磁加熱的高效性使得溫度的控制更加精確。但是料筒的各個區間段可能需要不同的溫度，因此感應器需要采取分段控制，但這又會帶來各段感應器電磁場之間相互耦合的現象，在加熱參數確定的情況下，還要對這種耦合場進行分析，從而實現對料筒溫度場的準確控制。

2.2 電磁加熱工藝在熱處理中的應用

熱處理是機械加工過程中改善零件性能的常用手段，其方法有許多，常采取的加熱方式也比較多：如氧氣-乙炔火焰加熱、電熱絲加熱和電磁加熱。其中，電磁加熱工藝以其環保、安全、升溫速度快、熱損失小的優勢而逐漸得到推廣。感應淬火工藝也得到了廣泛的研究。1949-1956年間，我國工業剛剛起步，熱處理加熱工藝只采取火焰加熱的方式，結果容易出現工件受熱不均勻的現象，且工件性能不達標。為解決這一難題，蘇聯專家向我國提供了電磁感應熱處理技術，感應淬火技術自此開始在我國發展［7］。21世紀以來，熱處理工藝以及感應加熱淬火工藝得到了更加深入的發展［8］。如潘健生通過長期研究，實現了熱處理從經驗向微機模擬分析的過渡［9］。由碳素工具鋼制作的手用鋸條具有成本低廉、易于成形等優點，但是其韌性比較差、不耐磨。通過電磁熱處理工藝對鋸條進行處理之后，其硬度可以從HV688-769提高到HV825-889，同時其韌性也有所增強［10］。

高頻淬火工藝也成為感應熱表面淬火工藝，它是在感應器內加上高頻電流，使受熱工件表面溫度迅速升高到800℃甚至更高的溫度之后，迅速浸水/油冷卻。高頻淬火工藝可以使工件表面硬度達到設計需求。淬硬層的深度與電源頻率有關，100kHz以上的高頻電源所對應的淬硬層為0.5～2.5mm，可應用于中小型工件；淬硬深度要求在2～10mm甚至10mm以上的工件通常采用中低頻電源。

2.3 電磁加熱工藝在金屬熔煉中的應用

電磁加熱技術在鋼鐵、鋁、銅以及一些合金的熔煉設備中也有應用，而且它可以提高企業的冶煉技術水平。電磁感應熔煉設備一般包括感應熔煉爐和感應透熱爐。電磁熔煉設備的特點是：（1）金屬熔煉速度比較快，節約電能。（2）加熱功率可通過控制電流和電壓等參數予以調節。（3）操作過程簡單，可通過控制器面板實現加熱參數的設置。

感應熔煉爐由電源、控制柜、熔爐、傾爐機構、冷卻裝置以及一些輔助裝置等組成，其電源一般選取中低頻率電源。螺旋管形感應器設置在熔爐內部，爐體內的金屬因電渦流的存在而發熱至熔化。感應式透熱爐則是由支架、操作臺、感應器、電源以及輸送料架等組成。透熱爐的特點是在其運行過程中，受熱金屬氧化脫碳比較少，材料利用率高。

3 結論

電磁感應加熱技術的發展促進了機械加工行業的技術改進，它在理論上的發展與數學分析方法的進步有著緊密的聯系。在熱塑成型領域，由于電磁加熱設備中電源裝置、冷卻裝置與輔助控制裝置等需要消耗一定的能量，因此它更適用于大型熱塑成型設備，在小型設備中的節能效果并不明顯。在熱處理領域，采用電磁熱處理工藝可以顯著改善零件的機械性能。在熔煉領域，電磁熔煉方式有著節能、功率大、金屬材料氧化少的優勢。雖然電磁加熱技術在許多領域已有涉及，但在大型匯氣/油管道的熱拔制工藝中的應用還比較少，因此電磁加熱技術還有更廣闊的發展空間。

參考文獻

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Application of Electromagnetic Heating Technology on Mechanical Machining

LIU Yanxu, LIU Baoguo
（School of Mechanical & Electrical Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou, 450007）

Abstract:Both the principle of electromagnetic heating technology and the energy loss of electromagnetic heating equipment were introduced; the advantages of electromagnetic heating technology in thermoforming process was expounded, then the temperature control performance of heating system of an injection molding machine's charging barrel was summed up; electromagnetic thermal treatment process exhibits a series of advantages in comparison with traditional thermal treatment process; some characteristics and the structure of electromagnetic smelting equipments were presented briefly.

Key words:electromagnetic heating, eddy current, heating system