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异径工件的整体感应透热 如何做到均温
作者: 发布日期:2018/09/29 关注次数:873

 

异径工件的整体感应透热 如何做到均温

在锻造和整体调质处理的工艺中,经常有不等截面的工件需要加热。工艺要求截面部分同时加热到相同的均匀温度。感应加热一般适应于等截面工件的加热。截面大小不同的部分同时加热到相同的温度,可以采用横向磁场调整不同截面处工件与线圈之间的间隙,从而改变线圈在不同截面处的h,在大截面处产生较大的磁场强度h1,生成较大的功率密度(单位面积上的功率kw/cm2),在小截面处产生较小的磁场强度h2,生成较小的功率密度。

异径工件的横向磁场感应加热如图1所示。

 

图1 异径工件的横向磁场感应加热

图中,d为大直径,d为小直径。加热温度为t,加热前温度为t0。

 

1.加热工件单位时间内所需的功率

工件大直径区段单位长度在单位时间内加热到温度t所需的功率:

p1=лd2γc(t-t0)/т=лd2γcδt/т

式中 γ——密度;

c——热容量;

δt——t-t0;

т——加热时间。

工件小直径区段单位长度在单位时间内加热到温度t所需的功率:

p2=лd2γcδt/т

两者之比: 

p1 /p2=d2/ d2                                  (1)

 

2. 感应加热的电磁能传输

工件加热的能源是由感应器提供的,感应线圈接入电源后,在线圈内生成电磁场(eh),电磁场透入工件的电磁能,其有功部分(实数)成为热源,根据坡印廷定理(poynting),电磁能:

      s=1/2eh

式中  e——电场强度;

         h——磁场强度。

而磁路:

∮hdl=e/ρ

式中 l——磁路长度(单位长度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场强度;

         ρ——工件的电阻系数;

        μ1——相对导磁率;

           f——电流的频率;

          k——系数。

 

大直径单位长度圆柱表面的功率:

p1=kлdh12(ρμ1f)1/2

式中 h1——作用于大直径区加热所需的磁场强度。

 

小直径单位长度圆柱表面的功率:

p2=kлdh22(ρμ1f)1/2

式中 h2——作用于小直径区加热所需的磁场强度

 

两者之比:

p1/ p2=(d/d)×(h12/ h22)                                                 (2)

 

从式(1)已知,同时加热到相同温度的功率(密度)之比,则

p1 /p2=d2/ d2 =(d/d)×(h12/ h22)  

所以,h1=h2(d/d)1/2                                                 (3)

 

3. 环形线圈的磁场强度

电流i通入环形线圈后,在线圈内产生磁场,磁场强度由线圈内侧向心部衰减,圆环心部的磁场强度:h0=i/2лr

式中 r——圆环的半径。

 

由圆环线圈至圈内距离为b处(见图2)的磁场强度hb=i/2лb               (4)

b为感应器内工件与线圈之间的间隙。磁场强度h与间隙成反比,间隙b越大,磁场强度h衰减越多,工件吸收的电磁能越少。

 

 

图2  环形线圈内磁场强度分布

 

4. 调整间隙

直径大小不同的部分要同时加热到相同温度,大直径区段需要输入较大的功率密度,小直径区段需要输入较小的功率密度。已知功率密度p0与磁场强度h的平方成正比,而磁场强度h与工件在感应器内的间隙成反比。为此。可以用调整间隙的方法来调整输入工件的功率密度。

 

若大直径区段的间隙为b1,磁场强度h1=i/2лb1

若小直径区段的间隙为b2,磁场强度h2=i/2лb2

代入式(3),则

b2/b1=(d/d)1/2

b2=b1(d/d)1/2                                                        (5)

由此可见,当小直径区段的线圈与工件之间的间隙b2为大直径区段的(d/d)1/2倍时,大小直径区段可以同时加热到相同温度。

 

5. 讨论

在感应加热过程中,电流穿透层是不断变化的,而电磁能86.4%集中在穿透层。电磁能转化为热能后,向穿透层以外的心部传导需要一定的时间。上述推导仅考虑能源(功率)密度的需要来计算热传导时间,要使不同工件的不同断面部分的温度相等并内外均匀,应设置保温室,加热后的工件在保温室内停留一段时间,可减少温差,达到工件内外温度均匀。

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