第7章 热处理感应加热装置2013

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第15 次课授课学时 2 教案完成时间：2014.2

第七章 热处理感应加热装置

感应加热设备是工程中最常用的工件表面热处理加热设备，在齿轮、气缸等零件的表面处理中应用广泛。

§7.1热处理感应加热装置基本特点

一.感应加热原理

感应器同时加热四个工件 立式感应加热设备

二.中、高频电流特点

1.集肤效应

交变磁场在工件内产生的电动势将在工件内产生闭合电流→涡流→涡流在工件横截面上分布是不均匀的，由工件表面向心部呈指数规律衰减。

假设：距离工件表面x 处涡流的电流强度为I x ，则有：)2exp(0x f

c I I x ρ

μπ-

=，式中I 0为工件表面涡流的电流强度，C 为光速，ρ为工件材料电阻率，μ为工件材料磁导率，f 为感应加热电源频率。

I x -x 的曲线示意图如图所示。

2.邻近效应

3.圆环效应

4.尖角效应

感应圈与工件间距离相同，但在工件尖角处加热强度（速度）远较其他光滑部位强烈，往往会造成过热，这种效应称为尖角效因。尖角效应由于磁力线易于集中在尖角处，感应涡流较大的缘故。

§7.2高频和中频感应加热装置

一.感应加热装置分类

按电流频率分类：高频感应加热装置（100-1000KHz ），常用频率范围为200-300KHz ；中频感应加热装置（0.5-10KHz ），常用频率范围为2.5和8.0KHz 两种；超音频感应加热装置（10-100KHz ），常用频率范围为30-40KHz ；工频感应加热装置，频率为50Hz 简单倍数。

按变频方式分类：电子管变频设备、机式变频设备、半导体（可控硅）变频设备和工频设备。

二.高频感应加热装置工作原理（补充）

高频感应加热装置也称高频炉或高频机，是目前热处理车间应用最多的一种表面淬火加热设备，其实质是一个大功率变频器，通过电子管振荡器将工频交流电变为大功率高频交流电，故又称电子管式高频发生器。电子管式高频感应加热装置工作原理可用下述方框说明：

首先，高频感应加热装置取得三相工频380V电压后，通过高压变压器升压，将380V升高到数千伏甚至一万伏以上；然后再由闸流管可控整流器整流成半压至全压范围内连续可调的直流高压，供给电子管振荡器。电子管振荡器将直流高压电变换为200-300KHz的高频高压电；淬火变压器将高频高压电变为能安全操作并符合加热要求的高频低压大电流。变压器低压端直接接淬火感应圈，放在感应圈内的工件作为振荡器负载，当高频电流流过感应圈时，感应圈内便产生强大高频磁场，金属工件感应产生涡流而发热，在极短时间内被加热到所需的温度。

稳压器起稳定闸流管和振荡管灯丝电压的作用，以保证它们正常工作。

控制电路的作用是使高频操作严格按照程序进行，以确保设备和人身的安全。

三.高频感应加热装置型号及命名方法（补充）

国产电子管式高频感应加热装置型号命名方法为：YG-□-□，YG表示高频电源，第一个数字表示振荡功率/KW，第二个数字表示振荡频率/KHz。

老式命名法：GP□-CR□，GP表示高频，第一个数字表示振荡功率/KW；C表示淬火；R 表示熔炼；第二个数字表示型号顺序。

表示振荡功率为60KW，既可淬火又可熔炼的高频感应加热装置；GP100-C3

表示振荡功率为100KW，专用于淬火的高频感应加热装置。

四.感应圈设计

感应圈设计依据：1）工件形状尺寸；2）热处理技术要求；3）淬火机床精度；4）汇流排间距等。

设计内容包括感应圈形状、尺寸、圈数（单匝还是多杂）、感应圈与工件间的间隙、汇流排尺寸与连接方式、冷却方式等。

1.感应圈与工件间隙设计（P117-118）

间隙大小直接影响感应圈功率因素。间隙小，功率因素高，电流透入深度浅，加热速度快。

选取间隙时应考虑：1）淬火机床精度，精度差间隙应取大些，因为间隙太小，工件易碰到感应圈打弧，导致感应圈损坏和工件报废；2）设备功率：当设备功率大时，间隙可适当取大一些，便于操作；3）淬硬层深度：淬硬层深度大时适当取大一些，以延长加热时间，增大透热深度。

一般高频感应加热感应圈与工件间间隙在1-2mm左右。

2.感应圈高度

对长轴件进行局部一次性加热时，感应圈高度为：H=L+(8-10)mm，L为淬硬区长度（mm）。

对短轴零件进行局部一次性加热时，感应圈高度为：H=L-2a，a为感应圈与工件间间隙。

如果轴形零件淬硬区较长，可采用多圈感应器或移动连续加热。

3.冷却水路设计

为避免感应圈工作时发热，需通冷却水冷却，且有些情况工件淬火也需直接喷水冷却，因而要合理设计冷却系统。冷却水管尺寸与电流频率、电流透入深度、加热方式和散热条件等有关，高频感应圈通常选壁厚0.5mm直径5mm的紫铜管，喷水孔直径通常在0.3-0.85mm左右，水压为100-200KPa。

4.汇流板的尺寸

感应圈两端与电源连接的部分称为汇流板。汇流板间距在1.5-3mm之间，为防止接触短路，中间塞入云母片或黄蜡布包扎好。其长度取决于工件形状、尺寸、夹具等具体情况。

五.感应圈制作流程（补充）

1）采购感应圈原材料紫铜管（圆管或矩形管）

2）制作感应圈芯模

3）紫铜管退火

4）绕制

5）用黄铜焊条焊接冷却水连接管

6）通水检验水流是否流畅

7）进行工艺试验，确定间隙和高度选取是否合理

六.中频感应加热装置特点

电流频率通常为1000-8000Hz；适用于加热深度深（3-16）mm、工件直径大（20-500mm）的钢铁零件表面淬火，也可用于回火、正火、锻坯透热或熔炼金属。

中频电源有种频发电机和晶闸管中频电源两种。

国产中频发电机频率有1000、2500、4000、8000Hz等四种规格。常见型号表示方法为：DGF-□-□□□-□，其中D表示电控，G表示感应，F表示发电机；第一个方框字母表示用途，如C表示淬火，T表示透热，R表示熔炼；第二第三方框数字表示额定功率；第四方框数字表示公称频率，1表示1000Hz，2表示2500Hz，3表示4000Hz，4表示8000Hz；第五方框表示序号。

§7.3感应加热装置选择

电流频率和输出功率是感应加热装置的两个主要技术指标。选择感应加热装置流程行：根据热处理工艺要求→确定感应加热工件所需电流频率和功率→根据电流频率和功率选择感应加热装置类型和型号。

一. 感应加热装置电流频率选择依据

1.淬硬层深度x：

的1/e处的电流深度为电流透入深度——用δ根据集肤效应，工程上规定，当I x降至I

表示。在钢铁材料中，热态电流透入深度比冷态电流透入深度大几十倍，在800-900℃范围

内，δ=500/f（mm），该式表明，加热设备频率f越小，电流透入深度δ越大，淬硬层深

度x越深，因此，可根据x确定δ，然后根据δ确定f。

2.选择频率时，还应考虑设备的通用性：