1 中频感应加热与节能感应加热即将工件置于交变磁场中 ,由于电磁感应直接使工件自身产生涡流而发热。通常在1 5 0～ 1 0 0 0 0Ｈｚ频段的感应加热 ,称为中频感应加热。中频感应加热大多用在锻造透热中 ,即主要用在热冲压、挤压、热轧和弯管等加工前的加热及带材、管材和线材的退火等。与传统的燃油、燃气加热相比 ,中频感应加热具有加热速度快、无污染、便于控制温度 ,保证加热质量 ,改善劳动条件 ,易于组合自动化生产等一系列特点。( 1 )平均的中频感应加热的时间只是传统燃油和煤气加热时间的 1 /4,致使工件的氧化皮大大减少 ,节约了原材料。据统计 ,中频感应炉产生的氧化皮一般不超过工件总量的 0 .5 % ,而其他加热炉的氧化皮损失分别是 :气炉 >3% ,重油炉>3% ,燃煤反射炉 >5 %。( 2 )中频感应加热对于一定的电源功率和工件 ,只要控制送料速度就可以控制加热温度 ,在保证加热质量的同时 ,大大降低了废品率 ,既省电 ,又省原材料。据统计 ,中频感应炉的废品率一般不超过工件总量的 0 .5 % ,而其他加热炉的废品率分别是 :煤气炉 >2 .5 % ,重油炉 >2 .5 % ,燃煤反射炉 >3%。虽然中频感应加热装置的投资费用较高 ,但综合各种因素计算结果表明 ,中频感应加热的成本费用反而较燃炉低。有德国专家计算中频感应加热炉的成本分别比煤气炉降低 40 % ,比重油炉降低 34%。英国、美国的有关专家计算结果与德国相仿。即使在中国 ,中频感应加热的成本也比用低价煤的燃煤炉降低 2 5 %左右。2 中频感应加热的原理感应炉通常由通水铜管绕制而成 (即感应线圈 ) ,感应加热是靠感应线圈把电能传递给要加热的金属 ,然后电能在金属内部转变为热能。感应线圈与被加热金属并不直接接触 ,能量是通过电磁感应传递的。为了将工件加热到一定温度 ,要求工件中的感应电动势ｅ2 尽可能地大。增加线圈中电流ｉ1 ,可以增加工件中的交变磁通Φ ,所以增加线圈中的电流ｉ1 是加大ｅ2 的一个途径。加大ｅ2 的另一个途径是提高电流ｉ1 的频率 ,由于工件中的感应电动势ｅ2 正比于磁通变化的速率 ,电流ｉ1 的频率越高 ,磁通就变化得越快 ,感应电动势ｅ2 就越大。从另一方面看 ,为了得到同样的加热效果 ,频率越高 ,磁通Φ和电流ｉ1 就可以小一些 ,这可以减小线圈中的铜耗 ,提高感应炉的电效率。感应炉的总效率 η由电效率 ηｅ 和热效率 ηＴ组成。送入感应炉的电功率Ｐ可分为两部分 :第一部分Ｐ1 以铜耗的形式消耗在感应炉的线圈中 ,使线圈发热 ,热量又被冷却水带走 ,这部分功率是无用的 ;第二部分功率Ｐ2 在工件的直接加热层中转化成热 ,Ｐ2 与Ｐ之比就是电效率 ηｅ(即 :ηｅ=Ｐ2 /Ｐ ;Ｐ =Ｐ1 +Ｐ2 )。直接加热层的热功率Ｐ2 又可分为二部分 :一部分Ｐ3用来提高工件内部的温度 ,这是有用的 ;另一部分Ｐ4以热传导和热辐射等方式散到周围空间 ,Ｐ3与Ｐ2 的比就是热效率 ηＴ(即 :ηＴ=Ｐ3/Ｐ2 ;Ｐ2 =Ｐ3+Ｐ4)。感应炉的总效率 η等于Ｐ3与Ｐ之比 (即 :η =Ｐ3/Ｐ =ηｅηＴ)。为了得到同样的加热效果 ,亦可把电源频率ｆ提高 ,线圈中的电流ｉ1 及铜耗Ｐ1 可以减小 ,电效率 ηｅ 就提高。但频率提高后工件的透入深度ΔＫ 也要减小 ,使得工件的直径ｄ(ｃｍ)与“热态”透入深度ΔＫ 之比就增大。当ｄ/ΔＫ=3.5时 ,其电效率约为 75 % ;当频率增加到使ｄ/ΔＫ=1 0时 ,其电效率接近 90 % ;再增加电源频率对电效率的影响就不大了。所以 ,一般以ｄ/ΔＫ=3.5作为电源频率的下限ｆｍｉｎ(ｆｍｉｎ=30 0 0 0 /ｄ2 )。感应炉的热效率 ηＴ 与感应炉中所用隔热层时所决定的热损有关。又因频率越高 ,直接加热层就越浅 (集肤效应 ) ,要使工件表面和心部获得接近的温度 ,只能靠长时间的传导。但传热时间过长 ,热量在周围介质中损失Ｐ4就过多 ,以致热效率 ηＴ 降低 ,而且达不到快速透热的效果。当ｄ/ΔＫ>5时 ,热效率 ηＴ 显著下降 ,而电效率 ηｅ 增加不多 ,因此常以ｄ/ΔＫ=5作为电源频率的上限ｆｍａｘ(ｆｍａｘ=60 0 0 0 /ｄ2 )。透热用的工件直径ｄ一般在 2～ 1 5ｃｍ之间 ,由此也说明工件透热大多采用中频感应加热之故。中频感应加热机是专门为锻造业自动化生产配套 的加热成套设备。通常由中频电源、感应加热炉、机械传动、电气控制及水电连接等五大部分有机组合而成。图1所示为典型的中频感应加热机分布。图 1 典型的中频感应加热机系统分布示意3 中频感应加热机的机械传动根据用户加热工件的直径、长度、加热部位(如整体透热、局部透热、端部透热 )等不同 ,需要配置不同形式的机械传动。一般分上料机构、进料机构、出料机构、分选机构等 4个单元 ,各单元都是独立机构 ,相互间可分可合 ,因需而定。3 1 上料机构上料机构负责将工件按生产节拍有序地一个一个送至进料机构接口位置。实现上料工序的机械化和自动化是减轻工人体力劳动的主要途径 ,对提高生产率、保证安全操作有着重要意义 ;尤其在成批生产或大量生产中 ,上料是一项重复而繁重的工作 ,选用合适的上料装置是行之有效的方法。在设计上料机构时 ,除考虑批量大小和生产规模等条件外 ,主要依据就是工件的形状和尺寸。常用的上料机构有提升机构、翻料机构 (亦称拨料机构 )、输送链等。3 2 进料机构进料机构负责将工件按生产节拍送入感应加热炉中进行加热。常用的进料方式有推杆式、滚轮式、步进式等。3 3 出料机构出料机构负责将感应加热炉中加热后的工件按生产节拍快速拖出 (或推出 )。对于长径比小于 2的短小工件 ,或长度短于1 0 0ｍｍ的工件 ,可不设出料机构 ,依靠进料机构的推力 ,让工件靠自重沿斜滑道自动下滑。对于长径比大于 2以上的细长工件 ,为了不损坏感应炉 (下滑时工件后端上翘会打坏炉衬 ) ,必须设置出料机构将工件快速拖出 (或推出 )。常用的出料机构有出料滚轮、出料辊道、出料链、出料夹钳等。3 4 分选机构为了提高锻件的内在质量和表面尺寸精度降低废品率 ,应配置测温系统 ,将加热后的工件按需要的温度等级区分开来。以前人们习惯凭不同的温度显现不同的火色来确定锻件的加热温度 ,目测误差随人和经验而变化。德国大众汽车质量管理部在论证大众汽车的锻件能否被中国的锻件所替代时 ,其中重要的一条是 :有否装上可靠的测温系统 ,对不同温度的工件进行分选。分选机构常用气动和液压驱动。4 液压步进式进料机构在中频感应加热机的机械传动中 ,进料是主要的中心环节。中频感应加热机的机型也大多取决于进料方式。无论是推杆式还是滚轮式的进料机构 ,加热工件都是搁置在导轨上向前移动的 ,导轨接触面一直受磨损。当被加热的工件又大又重时 ,导轨的磨损问题就非常突出了。在这种情形下应优先考虑液压步进式进料机构。液压步进式进料机构主要靠步进梁作上升、前进、下降、后退等 4个动作 ,从而完成工件向前一个行程的过程。其运动轨迹是矩形的。步进梁的升降与水平移动分别由单独的油缸驱动。图 2为工件在感应炉中的情形 ,图 3为步进梁机构示意。图 2 步进梁上升前后感应炉中的工件示意图 3 步进梁进料机构示意在设计液压系统时 ,采用了电液比例控制阀回路 ,以提高步进梁机构运行的稳定性与控制的准确性。4.1 主要参数的计算4.1 .1 运行阻力①步进梁水平移动阻力 :Ｆ1 =ｆ1 (Ｇ +Ｇ1 )②步进梁上升运动阻力 :Ｆ2 =ｆ2 (Ｇ +Ｇ1 +Ｇ2 )式中 ,ｆ1 ———结构经验系数 ,对辊轮支撑取 0 .1～0 .1 5 ;ｆ2 ———结构比例系数 ;Ｇ———承载工件重量 ,ｋｇ ;Ｇ1 ———步进梁自重 ,ｋｇ ;Ｇ2 ———升降支撑构件的自重 ,ｋｇ。4.1 .2 液压驱动系统的主要参数液压缸的有效面积 :Ａ≥ Ｆｐη (ｃｍ2 )式中 ,Ｆ———指在 4.1 .1中的Ｆ1 、Ｆ2 ,ｋｇ ;η———液压驱动装置的总效率 ;ｐ———液压缸的工作压力 ,ｋｇ/ｃｍ2液压系统的工作压力选定可参考表 1 :表 1 液压驱动系统工作压力选定推力Ｆ/ｔ 液压系统工作压力 /ｋｇ·ｃｍ- 21～ 2 15～ 2 02～ 3 30～ 353～ 5 40～ 5 05～ 10 5 0～ 10 05 结语在锻造行业 ,欧美发达国家采用感应加热方式加热的锻件已达到总量的 80 %以上 ,中国也正向这个目标努力。无论从自动化的角度 ,还是从改善工人工作环境、减少职工劳动强度、提高锻件加热质量的角度来看 ,中频感应加热机的优势都是显而易见的。随着技术的不断进步 ,感应加热还将越来越多地应用到熔炼、热处理 (淬火等 )、钎焊、锻造加热等不同领域中频感应加热及其机械传动@应晓梅$杭州杭开电气有限公司!浙江 杭州310011中频感应加热;;节能;;机械传动;;进料机构论述了用于锻坯透热的中频感应加热及其机械传动,分析了液压步进式进料机构的原理、特点及主要参数的计算<1> 林渭勋,等.可控硅中频电源
.北京:机械工业出版社,1983.
<2> 机械设计手册.机械工业出版社,1991.
<3> 罗延杰,罗晴岚.国外冷温热锻汽车零件用钢的进展.锻造工业,1999,(1).
<4> 俞永祥,等.现代锻造与感应加热炉—智能化电感应加热成套系统.锻压技术,2000,(6).菥褪枪ぜ男巫春统叽纭３Ｓ玫纳狭匣褂刑嵘埂⒎匣?(亦称拨料机构)、输送链等。3 2 进料机构进料机构负责将工件按生产节拍送入感
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