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感应加热的方式和其应用
作者: 发布日期:2018/09/29 关注次数:773

 电磁感应现象是电磁学的重大发现之一,这一重大发现进一步揭示了电和磁之间的密切联系.电磁感应有着广泛的应用,例如,利用电磁感应可以制成发电机、变压器、高频感应炉等,可以实现磁悬浮列车的高速运行,进行高频焊接等.本文试对感应加热的方式及应用作略一介绍,仅供参考。

  1感应加热的方式

  感应加热是利用感应电流来使工件加热的.在工业应用中,采用的感应加热方式有两种,一种是有铁芯的感应加热方式(如图1甲),这时被加热的材料相当于次级线圈;另一种是无铁芯的感应加热方式(如图1乙),这时被加热材料相当于芯棒。

  由于感应电流有趋肤效应,交变电流的频率越高,趋肤效应越显着,材料的受热层越薄.因而采用感应加热时,要根据加热的目的、要求、被加热物体的材料和尺寸,选择适当的频率.感应加热的电源按频率可分为工频、中频和高频三种。

  工频即50 hz的电源,可直接从供电网中取得,不需要特殊的频率变换装置.中频是50 hz~10000 hz的频率.常用的中频频率为500 hz、1000 hz、2500 hz、4000 hz、8000 hz、10000 hz.获得中频电流有两种方法,一种是利用旋转变频机,它是用感应电动机来驱动中频发电机.另一种方法是利用可控硅变频器,它是利用硅整流元件将工频交流变为直流,再利用可控硅元件将直流变为所要求的中频交流.高频电源一般指20000 hz以上的电源,它是通过电子管振荡器获得的。

  2感应加热的应用

  感应加热的应用范围很广,主要用于合金钢、铸铁、有色金属的熔炼、钢制零件的表面热处理和焊接等。

  2.1金属熔炼设备

  用于金属熔炼的感应熔炼炉有:

  (1)有芯感应熔炼炉有一个用硅钢片叠成的闭合铁芯,采用50 hz工频电源.主要用于铜、锌、铝、黄铜、青铜等低熔点金属和合金的熔炼、保温.在铸铁生产过程中,可用于铁水的加热、保温和调整化学成分.有芯感应炉的容量为几百千克到几百吨。

  (2)无芯感应炉的熔炼室一般做成坩埚形状.用紫铜管绕在坩埚四周作为感应线圈.主要用于熔炼钢、铸铁和铜、铝、镁、锌等有色金属及其合金.有工频、中频和高频三种.一般说来,炉子的装料容量越大,所用的电源频率就越低.高频炉的装料容量只有几十千克,输入功率只有几十千瓦,用于熔炼少量的特种合金和合金钢.中频炉容量从几十千克到20吨左右,输入功率可达几千千瓦,用于熔炼钢及有色金属.工频炉主要用于熔炼铸铁.合金钢保温炉的容量可达一百多吨。

  将无芯感应炉的坩埚放在真空室里,就成为真空感应炉.炉料在真空中熔炼,可除去材料中的氢、氮、氧等气体,并减少材料的氧化损失.这种感应炉可用于熔炼耐热合金、磁性材料、电工材料、高强度钢和核燃料.大型的真空感应炉容量可达几十吨。

  2.2感应加热设备

  采用感应加热的设备有透热、淬火、焊接等.金属材料的锻造、冲压、挤压、轧制等热加工之前需要加热,使材料整体被热透,称之为透热.图2是感应透热设备的示意图.这种设备还可以用于金属部件的退火等加工工艺。

  2.3感应淬火

  利用交变电流的趋肤效应,采用感应加热的方法使金属零件表面加热,随即进行淬火,能使零件表面达到高的硬度、耐磨度和抗疲劳强度,而内部仍保持原有的韧性.利用感应淬火比用一般的火焰淬火加热速度快,零件表面氧化损失少,加工成本低,劳动条件好,已成为机械加工行业主要的表面淬火方法。

  3感应加热的相关习题举偶

  以感应加热为背景知识,根据中学物理要求,有下列习题可供教学选择使用。

  (1)高频感应炉是用来熔化金属对其进行冶炼的,图4是冶炼金属的高频感应炉的示意图.冶炼锅内装入被冶炼的金属,线圈通入高频交变电流,这时被冶炼的金属就能被熔化,这种冶炼方法速度快、温度容易控制,并能避免有害杂质混入被炼金属中,因此适于冶炼特种金属.该炉的加热原理是

  a.利用线圈中电流产生的焦耳热

  b.利用红外线

  c.利用交变电流的交变磁场在锅内金属产生的涡流

  d.利用交变电流的交变磁场所激发的电磁场

  (2)图5是利用高频交流电焊接自行车零件的原理示意图,其中外圈a是通高频交流电的线圈,b是自行车零件,a是待焊接口,焊接时接口两端接触在一起,当a中通有交流电时,b中会产生感应电流,使得接口处金属熔化焊接起来。

  ①试分析说明,焊接的快慢与交流电的频率有什么关系?

  ②试解释说明为什么焊接过程中,接口处被熔化而零件的其他部分并不很热。

  (3)有一种加热装置,其关键部分由焊接在两个等大的金属圆环上的n根间距相等的平行金属条组成“鼠笼”状,如图6所示.每根金属条的长度为l,电阻为r,金属环的直径为d、电阻不计.图中虚线所示的空间范围内存在着磁感应强度为b的匀强磁场,磁场的宽度恰好等于“鼠笼”金属条的间距.当金属环以角速度ω绕过两圆环圆心的轴oo′旋转时,始终有一根金属条在垂直切割磁感线,“鼠笼”的转动由一台电动机带动,这套设备的效率为η.求电动机输出的机械功率。

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