中頻爐 金屬坯料加熱過(guò)程中物理性質(zhì)的變化

    坯料的電阻率和相對(duì)磁導(dǎo)率對(duì)頻率的確定以及感應(yīng)器的參數(shù)設(shè)計(jì)有著重要的意義。

金屬坯料的電阻率與溫度的關(guān)系式為：

ρt =ρo（1+αt）          （2-1）

式中：ρo——金屬坯料在0℃時(shí)的電阻率。

α——電阻溫度系數(shù)。(即溫度每升高1℃

      時(shí)的電阻率改變值。)

  ρt——金屬在溫度為t℃時(shí)的電阻率。

   表2-1常見的幾種金屬的ρo值和α值

以鋼為例，下圖為含碳量0.4-0.5%的鋼坯料的電阻率ρ2、相對(duì)磁導(dǎo)率μr與溫度的關(guān)系曲線。

圖2-1 45鋼的電阻率、相對(duì)磁導(dǎo)率

與坯料加熱溫度關(guān)系曲線 

由式（2-1）和圖（2-1）可以看出：

鋼在感應(yīng)加熱，它的電阻率ρ2和相對(duì)磁導(dǎo)率μr都在發(fā)生變化：

ρ2在15-800℃的溫度區(qū)內(nèi)，大約增加4倍，當(dāng)溫度超過(guò)800℃后，各類鋼的電阻率幾乎是相等、趨于一恒定值，即10-6Ωm。

μr在650-700℃之前基本上只與磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，而與坯料溫度的變化關(guān)系不大。隨后當(dāng)達(dá)到居里溫度時(shí)，μr便階躍式下降到1。此時(shí)，如溫度繼續(xù)升高，磁導(dǎo)率不再變化。

鋼由室溫加熱至始鍛溫度分3個(gè)加熱階段：

①冷態(tài)規(guī)范

坯料表面溫度達(dá)到居里溫度的規(guī)范。此時(shí)ρ2與μr均為變量。該區(qū)為鐵磁性材料區(qū)，平均溫度取t=650℃，ρ2可取0.6×10-6Ωm，μr＞1。

②中間規(guī)范

坯料表面溫度達(dá)到800-900℃，加熱層深度xk為0.5△k，為部分鐵磁材料區(qū)，ρ2=10-6Ωm，坯料表層μr＞1。

③熱態(tài)規(guī)范

非磁性材料區(qū)。加熱層深xk≥△k，ρ2=1.24×10-6Ωm，這是800-1300℃范圍內(nèi)電阻率平均值。 μr =1。

中頻爐 電流頻率的選擇

坯料感應(yīng)加熱時(shí)的頻率的確定依據(jù)以下兩項(xiàng)原則：

①感應(yīng)器的電效率不低于極限值的5%，就有m2≥2.5。

②在使坯料透熱（即使坯料斷面上的溫度盡可能達(dá)到均勻）的前提下，加熱時(shí)間最短，根據(jù)電磁場(chǎng)的理論，當(dāng)Δ=0.4R2時(shí)，有效加熱層已到極限值，再降低頻率，也不能使有效加熱層增加，就有：m2≤3.5。

即：    2.5≤ m2 ≤3.5               （2-2）

式中：m2 —— 相對(duì)頻率（m2 =）

 D2 —— 坯料直徑（m）

將式（1-7）Δ=503代入式（2-2）

就有：

≤f≤（Hz）     （2-3）

由于當(dāng)鋼坯料斷面上的溫度高于居里溫度時(shí)，電流透入深度最大，因此，選擇頻率時(shí)最好取

ρ2=10-6Ωm，和μr=1，式（2-3）可簡(jiǎn)化為：

或者直接查閱下表：

表2-2 熱鍛壓鋼坯料直徑與標(biāo)準(zhǔn)頻率選擇表

[注] 加*號(hào)的頻率為優(yōu)先選用。

中頻爐 選擇頻率應(yīng)注意兩種傾向：

一是選擇頻率不應(yīng)盲目。因?yàn)?，要么選擇過(guò)高造成坯料加熱時(shí)間延長(zhǎng)，要么選擇過(guò)低造成感應(yīng)器電效率的下降。另外也不能把式（2-3）、（2-4）的使用絕對(duì)化。一組不同直徑的坯料在同一組感應(yīng)器中加熱時(shí)，一般的情況下按直徑較小的坯料來(lái)確定變頻器的電流頻率。如果坯料直徑相差較大，可以采用雙頻或多種頻率的方法。有時(shí)，若選擇的頻率按式（2-3）（2-4）衡量偏高，但只要加熱時(shí)間的選擇足夠，也可以獲得坯料斷面透熱均勻的結(jié)果。

表2-2中的頻率型譜是按GB/T1980-1996《標(biāo)準(zhǔn)頻率》制定的。為了促進(jìn)我國(guó)電氣設(shè)備技術(shù)水平的提高、在頻率值方面與國(guó)際接軌、使感應(yīng)加熱設(shè)備在國(guó)際貿(mào)易中不受頻率差異的阻礙，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)等效采用了國(guó)際電工委員會(huì)IEC196《標(biāo)準(zhǔn)頻率》。國(guó)內(nèi)的感應(yīng)加熱設(shè)備、電熱電容器、中頻變壓器的生產(chǎn)廠家都應(yīng)認(rèn)真執(zhí)行這個(gè)頻率標(biāo)準(zhǔn)。

中頻爐 感應(yīng)器的效率和功率

電網(wǎng)輸送給感應(yīng)加熱設(shè)備的功率包括兩部分：一部分是供電系統(tǒng)（中頻變頻器、匯流排、電熱電容器等）的功率損失，另外一部分就是感應(yīng)器線圈中的電損耗、熱損耗和用于坯料加熱的平均有效功率了。為了便于討論，我們將后一部分稱之為中頻變頻器的額定功率P.

P：中頻變頻器的額定功率；ΔP1：感應(yīng)器線圈的損失功率；

P2：坯料中的總功率； ΔPT：通過(guò)感應(yīng)器隔熱層的熱

損失功率；PT：坯料加熱的平均有效功率

圖2-2 中頻變頻器額定功率分配圖

    從圖（2-2）我們將PT / P定義為感應(yīng)器的總效率η，將P2 / P定義為感應(yīng)器的電效率ηt，將PT / P2定義為感應(yīng)器的熱效率ηu。

 即：         η=PT / P               （2-5）

           ηt=P2 / P              （2-6）

           ηu= PT / P2            （2-7）

 式（2-6）乘以式（2-7）則有：

    ηtηu = PT / P             （2-8）

 可知：   η=ηtηu               （2-9）

 從式（2-5）可知：

  P= PT /η              （2-10）

 只要求出PT、η，就可確定中頻變頻器的額定功率。

 其實(shí)式（1-3）：Q=I2Rt中的I2R即PT。

   Q=PT t                  （2-11）

 Q又可以用C、ΔT、G的乘積來(lái)表達(dá)。

 即：      Q=C ΔT G             （2-12）

 由式（2-11）（2-12），可得：

PT t = C ΔT G

 即：                （2-13）

 其中：C——坯料的平均比熱容。表示單位重量坯料每升溫1℃所吸收的熱能。單位：KJ/kg℃。

表2-3 幾種常見金屬的平均比熱容值

ΔT——始鍛溫度與室溫(20℃)之差值。

 G —— 單件坯料重量，單位kg。

 t —— 為加熱節(jié)拍，單位：秒（S）。

由式（2-10）、（2-13）得：

          P==（kW）      （2-14）

 只要知道感應(yīng)器的效率就可以求出中頻變頻器的額定功率來(lái)。

 感應(yīng)器的總效率、電效率、熱效率在感應(yīng)器的計(jì)算過(guò)程中可以計(jì)算出來(lái)，也可參考下表來(lái)選取。

表2-4 幾種常見金屬坯料某些典型感應(yīng)器的效率

 [注] Tc指居里溫度。

 從上表可以看出，鋼在熱鍛時(shí)感應(yīng)器的總效率可在0.55-0.65之間選取。

    2-4  加熱時(shí)間

     縱向磁場(chǎng)中圓形截面的金屬坯料，不論電流頻率如何低，電流透入的有效加熱層深（為表達(dá)方便用ξ表示）總是接近于0.4倍的坯料半徑，即△K =0.4R2。而從有效加熱層到坯料心部的繼續(xù)加熱則必須靠金屬本身的熱傳導(dǎo)。感應(yīng)加熱時(shí)的心表溫差（徑向溫差）就是這樣產(chǎn)生的。

因此，在△K≥0.4R2的條件下，選擇頻率（見式2-3、2-4），會(huì)使坯料表面與心部透熱的路程最短。

     最短加熱時(shí)間tk根據(jù)傳熱導(dǎo)微分方程的特解求得。

              （2-15）

其中：

      tk —— 為保證一定心表溫差的最短加熱

             時(shí)間（S）

      α —— 導(dǎo)溫系數(shù)。表示材料的溫度（熱量）

              傳遞能力的大小。

            α=λ/Cγ                 （2-16）

式中：λ —— 導(dǎo)熱系數(shù)

          C —— 比熱

          γ —— 比重（密度）