感应加热技术在锻压工艺的应用.docx
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感应加热技术在锻压工艺的应用
内蒙古科技大学
本科生课程论文
题目:
感应加热技术在锻压工艺的应用
学生姓名:
白伟涛
学号:
0966149128
专业:
材料成型与控制工程
班级:
09成型2班
指导教师:
李慧琴
摘要
本文简要介绍了感应加热在锻造生产中的应用,其详细内容包扩如今的锻造感应加热及其设备及分类,工业生产中锻造工艺加热方法的合理选择。
着重叙述了在锻造工艺中感应加热的加热基本原理(电磁感应效应)、系统配置,最后对比说明了锻造工艺加热中感应加热的特点和优势。
关键词:
锻造感应加热电磁感应
Keyword:
blacksmithinginductionheatinginduction
1.前言
一般金属锻造坯料的加热温度,取决于金属的再结晶温度。
锻造的温度与金属的性质密切相关。
钢的再结晶温度约在460℃左右。
300~800℃一般称为温锻;钢的热锻依据合金的差异一般界于800~1200℃。
而对于铝及铝合金,一般的锻造温度在400℃左右;铜与铜合金的锻造温度在750~900℃。
不言而喻,金属坯料锻造前的加热必须配备加热设备。
而加热设备的配置主要取决于金属本身对加热温度的工艺要求,满足这些工艺要求的热源有多种。
原则上,凡是能使金属温度升高至锻造工艺要求的热源都可以利用,但选择加热设备仍然要考虑能源的经济性,加热设备建造的投入成本,加热温度控制的可能性、稳定性,以及满足环保所提出的要求,因感应加热相对其他加热方法有诸多优点,因此,在锻造加热中占有重要的地位。
2.锻造中的感应加热技术
2.1锻造加热设备
锻造加热设备以其热能源不同,分类如附图2-1所示。
所要采用的加热能源,要因地制宜,同时综合考虑加热金属坯料自身的固有特性,以及加热坯锭的尺寸、重量和批量等各种因素。
图2-1依据热源加热设备的分类框图
因为各地资源环境等因素不同,因此所要采用的加热能源,所选择的设备,要因地制宜,同时综合考虑加热金属坯料自身的固有特性,以及加热坯锭的尺寸、重量和批量等各种因素。
下面我们重点介绍锻造加热中的感应加热。
2.2感应加热的分类
表1.感应加热的分类
2.3感应加热系统配置
CPU:
1747—L532
编程软件:
ABRSLogix500
HMI:
2711—K9A2
通信接口如图所示
图2-2
2.4工作原理
感应加热基于两个基本物理现象:
法拉第电磁感应、焦耳效应。
当线圈中通过交变电流I1,则在线圈周围空间建立交变磁场。
处于该交变磁场中的金属坯料内产生出感应电动势E。
①电源②涡流③金属坯料④感应线圈
图2-3感应加热原理图
法拉第电磁感应定律确定:
E=n△Φ/△t
式中:
E——感应电动势
n——感应线圈匝数
△Φ——磁通量的改变量
△t——时间
式中的负号表示感应电动势的方向与磁通量变化率的方向相反。
对于Φ=Φmsinωt,角频率为ω=2πf,则感应电动势的有效值为:
E=4.44fnΦm
式中:
f——电流频率
将坯料视为只有一匝的闭合回路,当感应电动势产生时,该回路中产生交变的自成环路的环流——涡流I2。
感应加热中就是利用涡流产生的热能来加热金属坯料。
焦耳效应可用下式表述:
Q=I2²Rt(J)
它反映了涡流在金属坯料中所产生热的速率与坯料的电阻和涡流的平方成正比这样一种现象。
消耗于金属坯料中的功率为:
P=EI2COSφ=4.44fnφmI2cosφ
当其它参数不变时,功率P与频率f成正比,因此,提高频率,在相同体积中释放的能量增大,这就是感应加热中采用中、高频率的原因。
感应加热中的电磁效应:
(1)趋肤效应
线圈导体中的交变电流和金属坯料内的涡流在其横截面上的电流密度不均匀分布,最大电流密度出现在该横截面的表层,并以指数函数规律向心部衰减,这种现象称之为趋肤效应。
图2-4电流密度沿表层分布
趋肤效应产生的原因:
当金属坯料两端施以交流电压U时,则在金属坯料中建立起交变电场。
由于电磁感应,坯料中电流所形成的交变磁场又产生一个方向相反的感应电势e。
由于坯料心部穿透的磁通比表面多,心部的感应电动势e1大于表面的感应电动势e2,即U-e1<U-e2,故表面电流密度i2>心部电流密度i1。
图2-5坯料由表面及里的
电流分布及功率分布
电流密度分布可由下列公式表达:
其中:
I——离表面距离为X处的电流密度有效值
I0——表面处的电流密度有效值
Δ——电流透入深度
由于功率与电流是平方的关系,故:
如图2-5所示。
可以看到约有63.2%的电流在厚度为Δ的表面层内流动,86.5%的感应功率在Δ的表面层内转化为热能。
可将电流透入深度Δ内的电流视为直流,这就大大地简化了感应加热的计算。
经电磁理论推导,可求出:
其中:
ρ——金属坯料的平均电阻率(Ωm)
μr——金属坯料的相对磁导率
f——电流的频率(Hz)
(2)邻近效应
通以交流电流的相邻两金属导体的电流密度要重新分布。
当两导体的电流方向相反时,最大值出现在导体内侧,反之,最大值出现在导体外侧。
这种现象称为邻近效应。
邻近效应产生的原因:
设在任何瞬间,两平行导体中的电流方向相反,在导体之间由两电流所建立的磁场方向相同,两导体间的总磁场增大,而两导体外侧的磁场减弱。
位于导体外侧的电流“线”比内侧电流“线”交链较多的磁通,因而沿外侧的电流线比内侧感应的反电势大,外侧的电源电势与反电势之和较内侧低,因此,导体外侧电流密度较内侧小。
如两平行导体的电流在任何瞬间方向相同导体外侧电流密度较内侧大。
(3)圆环效应
当交变电流通过圆环形线圈时,最大电流密度出现在线圈导体的内侧,这种现象即是圆环效应。
磁力线在环内较密集,环外分散,因此,外侧电流线较内侧穿透较多的磁通,反电势大,所以,外侧的总电势和电流密度较内侧小。
圆环效应对圆柱体坯料外表面加热时起有利作用。
这也是为什么坯料在螺线管感应器内加热不必加导磁体的原因。
而对于内孔加热或平面加热时,圆环效应对加热是不利的,这时可利用导磁体改变磁力线状态,把电流由内侧驱赶到外侧。
(4)端部效应
分为坯料的端部效应和感应线圈的端部效应。
趋肤效应描述了金属坯料横截面上的磁场分布,而端部效应却显示了坯料和感应线圈端部的磁场分布。
它将影响沿坯料轴向的功率分布及坯料加热温度的分布情况。
对于纵向磁场中的非磁性坯料,坯料的端部效应使坯料端部吸收的功率增加,对于磁性坯料,端部效应使其吸收的功率增加还是降低,取决于坯料的半径、材料特性、频率和磁场强度。
感应加热是上述四种效应的综合应用,感应器线圈系统的作用表现为圆环效应,坯料系统表现为趋肤效应,两者之间是邻近效应和端部效应。
2.5锻造工艺中感应加热的特点、优势
在锻压工业中,坯料的加热采用感应加热具有以下两个特点:
特点一:
感应加热具有高达500-1000kW/m2的单位功率(由于坯料中可建立起高的磁通密度和一定量的有效加热层深)和短的透热时间(由于热发自坯料自身)。
这一特点给锻造坯料加热带来的好处是:
①加热速度快,即使在空气中加热坯料表面的氧化、脱碳也非常少。
锻后的零件有合理的流线分布,它可以使坯料获得较高的疲劳性能。
用火焰炉加热,其氧化皮量为3%-4%,而用感应加热可控制在0.05%-0.5%;感应加热在加热区没有燃料生成物,因而可以获得比较洁净的坯料,这对坯料高品质制造是一个非常有益的因素。
②短的加热时间有利于局部加热。
加热区温度可以迅速建立,温度过渡区比较窄,这既减少了电能的损耗,又有利于有些局部加热工件的锻压成形。
③节能、节材。
④短的加热时间,使感应加热便于提高生产率,降低生产成本。
⑤加热速度快,加热时间短,所获得的奥氏体晶粒细。
感应加热的工件具有非常好的金相组织。
⑥设备启动快。
而火焰炉中有许多耐火材料,启动时吸收大量热能,即装置的热损耗大。
不工作时,也必须维持一定的温度。
⑦加热速度快,氧化皮生成极少,使模具寿命延长(有资料表明,仅由于感应加热氧化皮减少一项,可以使模具寿命提高30%)。
特点二:
感应加热具有可重现性,即对给定的坯料规格、材质、始锻温度、节拍,感应加热所需功率基本恒定。
因此,可以用节拍来确定精确的加热温度,工艺重复性好,产品品质稳定。
这一特点给锻造坯料加热带来的好处是:
①由于设备紧凑,功率可调,感应加热设备可以同锻压设备组成生产线,做到同步生产。
②采用感应加热方式在特定的功率、节拍条件下可以有效地防止坯料加热温度不够或过烧,从根本上保证锻件质量。
③便于同计算机、测温装置(如红外测温仪)、PID控温装置、半导体变频器(如SCR、IGBT、MOSFET变频器)等组成一个闭环的温度控制系统,以实现温度的精确控制,并实现自动化,确保产品品质稳定。
④便于锻压工厂实行现代管理体系。
上述这些好处以及由此带来的环境和劳动条件极大改善,人力节省,生产占地减少等,使感应加热完全符合现代化生产的3S标准(SURE可靠、SAFE安全、SAVING节约)及3C标准(COOL低温、CLEAN清洁、CALM安静。
)完全有理由这样说:
感应加热,特别是品种相对单一,批量特别大的坯料的感应加热,是当今坯料锻造加热的最理想的手段。
3.参考文献
【1】魏军;高文章;金属加工(热加工)[J],,2009,(05)。
【2】李韵豪.锻压工业中的感应加热第一讲感应加热的基础[J].机械工人.热加工,2007,(01).
【3】熊晓光,郭惠,康孝伟.感应加热在锻压工业中的应用[J].装备维修技术,2011,(03).
【4】《感应加热基本原理》。
【5】《中频感应加热》,上东荣泰电炉制造有限公司,Since1997。
【6】李韵豪。
《感应加热的特点》。
,锻造工业中的感应加热之一。
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