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摘要

本文以感应加热为研究对象，简要介绍了感应加热的基本原理和特点，阐述了感应加热技术的现状及其发展趋势。本文主要研究了感应加热器的设计方法。感应加热器是利用工件中的涡流的焦耳效应将工件加热，这种加热方式具有效率高、控制精确、污染少等特点，在工业生产中得到了广泛的应用。如何设置感应线圈的参数使之满足被加热工件中性能要求普遍关注的问题。

传统的设计方法是利用线圈在整个电路中的等效电阻地位，利用一系列电磁学公式计算出线圈的性能参数。然而这种基于实验的系统设计方法却耗时费力，并且测量成本高。因此，近似模拟方法对于感应加热器的设计和研究具有重要意义。

本文的主要工作是建立感应加热器的近似设计方法。从感应加热理论的一系列经过实验数据修正过的理论曲线为依据，根据工艺要求得出相关物理参数，并通过计算得到感应器的设计参数。

关键词：

第一章绪论

1.1 国内外感应加热的发展与现状

随着现代科学技术的发展，对机械零件的性能和可靠性要求越来越高，金属零件的性能和质量除材料成分特新外，更与其加热技术密不可分。例如，加热速度的快慢不仅影响生产效率而且影响产品的氧化程度，局部温度过冷或过热可能导致产品变形甚至损坏等。由于感应加热具有热效率高，便于控制等优点，目前在金属材料加工，处理等方面得到广泛应用。

在工业发达国家，感应加热研究起步较早，应用也更为广泛。1890年瑞士技术人员发明了第一台感应熔炼炉——开槽式有芯炉，1916年美国人发明了闭槽式有芯炉，感应加热技术开始进入实用化阶段。1966年，瑞士和西德开始利用可控硅半导体器件研制感应加热装置。从此感应加热技术开始飞速发展，并且被广泛用于生产活动中。

在我国，感应加热技术起步比较晚，与世界发达国家相比存在较大的差距。直到80年代

初，感应加热设备才有一定的应用，但因其与其它加热方式相比在节能和无环境污染等方面的显著优势，近几年来得到了长足的发展，已经广泛应用于钢铁、石油、化工、有色金属、汽车、机械、和军工产品的零部件热处理方面，且随着感应加热技术的进一步发展，其市场应用前景将越来越广阔。

金属感应热处理中的加热目标是将金属加热到特定温度分布，比如热轧，不仅要求表面达到一定的温度，而且要求工件加热温度均匀，即工件径向与轴向温差小。在此特定温度下进行轧制既能保证能源的合理利用，又能使轧制力在正常范围内以方便轧制。又如在淬火加热中，除了表面温度要求外，对加热层厚度也有不同要求。所有这些都要求加热功率、加热时间等工艺参数选择合理。而在实际生产中，生产过程的复杂性以及人工控制的不精确性和随机性，可能就会产生两种不希望出现的情况：一是加热功率过大，加热时间过短。虽然钢坯的表面温度已达到要求，但钢坯内部却没达到工艺温度分布要求，将会影响后续工艺。如在轧制过程中，如果钢坯没被加热透，硬度较大，不仅对热成型的成品、半成品的质量造成很大影响，损坏产品信誉，而且会使轧制钢坯的轧锟逐渐产生裂纹，严重缩短轧锟的寿命，导致轧锟仅在短短数月甚至是一个月左右就不能再用。而轧锟成本一般比较高，会给工厂造成较大的损失；二是加热功率过小，加热时间过长。这种情况不仅会增加氧化皮含量，而且浪费能源。在能源价格日益上涨和能源危机日趋严重情况下，应尽可能避免这种现象发生，以节约能源，造福后世。同时加热时间过长也会降低工厂的生产率，增加产品的成本。

总而言之，加热炉内的加热温度，一方面影响加热炉的能耗和工件烧损，另一方面又影响后续工艺。将工件温度控制在合理的范围内，既可保证产品的性能，又可使加热炉和后续设备的总能耗最低。因此，如何在复杂的生产过程中有效地控制加热温度是当前迫切需要解决的问题。要有效地控制加热温度，其中最关键的是在确定钢坯表面温度的同时，也确定钢坯的芯部温度，然而就目前的测温技术而言，很难用仪器直接测量出被加热钢坯的芯部温度。目前的做法是热处理完毕之后，在室温状态下通过解剖方法测定组织状态和残留应力分布情况下来进行估算。这种算法不仅耗费大量人力、物力、和时间，而且所得的仅是某一零件、某一具体工艺条件下的最后情况，很难获得直接推广应用的规律性成果。故目前感应加热热处理工艺大多数还是建立在定性分析基础上，凭经验制定的，生产力迅速发展要求的高质量、低成本相去甚远。

1.2 感应加热的优点

1）加热速度快：用电磁感应加热时，温度上升的速度远比用石油或煤气加热的速度快得多；2）铁屑损耗少：快速加热能有效地降低材料损耗。而用煤气为燃料的装置，加热速度慢，损耗很大；

3)启动快：在有些加热装置中，有很多耐火材料，加热启动时它们吸收热量，即装置的热惯性大。感应加热不存在这类问题，因而启动快；

4)节能：不工作时感应加热电源可以关闭，因为感应加热启动快的特点，而对其他装置来说，由于启动慢，不工作时，也必须维持一定的加热温度；

5）生产效率高：由于加热时间短，感应加热可以提高生产效率，降低成本。除此之外，感应加热还有便于控制、易于实现自动化、减少设备占地面积、工作环境安静、安全、洁净、维护简单等优点。

第二章感应加热基本原理

2.1 感应加热原理及主要特点

2.1.1 电磁感应与涡流发热

感应加热实质是利用电磁感应在导体内产生的涡流发热来加热工件的电加热，它是依靠感应器通过电磁感应把电能传递给被加热的金属，电能在金属内部

转变为热能，达到加热金属的目的。以加热圆柱形工件为例，其原理如图2.1，电流通过线圈产生交变的磁场，当磁场内磁力通过待加热金属工件时，交变的磁力线穿透金属工件形成回路，故在其横截面内产生感应电流，此电流称为涡流，可使待加热工件局部迅速发热，进而达到工业加热的目的。

感应加热基本原理可以用电磁定理和焦耳一楞次定理来描述，电磁感应定理内容为：当穿过任何一闭合回路所限制的面的磁通量随时间发生变化时，在回路上就会产生感应电动势e:

d

e

dt

φ

=-

需要加热的金属工件自成回路，在横截面内产生感应电流，此电流称涡流，并用表示

f

I，其值取决于感应电动势E和涡流回路的阻抗Z：

22

f

L

E

I

Z R X

==

+

式中：

E——感应电动势等效值；

R——涡流回路内的电阻;

L

X——涡流回路内的感抗；

由于Z值很小，涡流If可以达到很高的数值，在此电流流动时，为克服导体本身的电阻而产生焦耳热，因而能在极短时间里加热工件到很高的温度。

感应电动势使工件导体中产生涡流i，进而产生焦耳热Q。这一过程可用焦耳一楞次定律表达为：

2

Q i Rt

=（2.3）

感应加热的加热过程是电磁感应过程和热传导过程的综合体现，电磁感应过程具有主导作用，它影响并在一定程度上决定着热传导过程。热传导过程中所需要的热能是由电磁感应过程中所产生的涡流功率提供的。应当指出，对磁铁材料来讲，除涡流产生热效应外，还有磁滞热效应，但这部分热量比涡流产生的热量小得多，故在以后的讨论中我们将忽略此部分的