锻造行业感应加热技术及应用

一、 摘要 　　在这个竞争异常激烈的世界，所有成功的制造业者比以往任何时候更专注于采用更高效和更经济的方法进行生产。锻造这个行业，在感应加热方面扮演着重要的角色。感应加热不仅在加热的热效益和时间比传统的加热设备大大提高了，也减少对环境的污染，相信在以后或更多的行业会得到更大的应用和发展空间。 二、关键词 感应加热 中频 可控硅 磁场强度 三、系统配置 CPU： 1747—L532 编程软件：AB RSLogix500 HMI： 2711—K9A2 通信接口如图所示 四、工作原理 　　当导体有电流通过时，在其周围就同时产生磁场。磁场强度的大小和方向决定导体中的电流大小与方向。如果将导体绕成螺旋线圈，流过的电流强度I的单位为A，线圈长度L的单位为M时，磁场强度H为： H=4∏nI/L (A/M) 其中n为线圈的匝数。见图（1） 　　对于通有电流的长直导体而言，环绕其周围的磁力线是若干个同心圆，当电流强度I的单位为A时，同心圆上磁场强度H为：H=I/2∏r（A/m）其中r为导线周围各点到导线的垂直距离（m）。见图（2） 　　每根磁力线都是环绕电流的闭合线，无起点终点之分磁力线的强弱还可以用另一个物理量表示，即：B=µH (T). µ为磁导率，也是衡量各种物质导磁性能好坏的物理量。在磁场里垂直穿过某一横截面面积S的磁力线根数叫做磁通量ф即： ф=B*S=µ*HS（WB）。 　　当线圈中通有交变电流时，在线圈的内部及其周围就产生一个交变磁场，置于线圈内部的工件就被交变磁场的磁力线所切割于是在铁磁材料的工件上产生感应电动势e，并在电动势作用下产生了涡流，见图（3） e= 一dф/dt (v) 由于感应加热的电流是按正弦规律变化 I=ImSin2∏ft 所以该电流所产生的磁通也遵循正弦变化 ф=sin2∏ft dф/dt=фm2∏fcos2∏ft 于是得感应电动势e e= —фm 2∏fcos2∏ft 工件中涡流回路的阻抗Z安下式计算ф 其中： R为涡流回路电阻 L为涡流回路感抗 则涡流强度i等于i=e/2 (A) 　　由于Z通常很小，I自然就很大，使涡流回路产生很大热量，根据热量由焦耳一楞次定律则 Q=i²Rt (J) 　　进行感应加热主要依靠这种热量。其实这种也叫作表面效应亦称集肤效应。当直流电通过导体时，电流在导体横截面分布是均匀的，即各处电流强度相等。但是，当交流电通圆柱体时，电流分布是中心密度小，越接近表面密度越大，当电流频率相当高时，导体中心可能没有电流，而全部电流集中于导体的表面层，而这种现象称高频电流的表面效应。产生表面效应的根本原因是当交流电通过导体时形成磁场，在导体上产生了自感电动势，它与外加电动势的方向相反，而自感电动势在圆柱体的中心最强，表面最弱，因此使电流趋向表面 Iо：表面电流密度最大值 C：光速 µ：导体材料的导体率 e：导体材料的电阻率 f：电流的频率 图中部分外壳被拿走，可以清楚的看到线圈 五、电气控制系统与软件应用 　　感应加热系统的心脏部分是电气控制系统，本感应加热系统采用了先进的AllenBradley的CPU，与AllenBradley的控制面板集线器管理接口配合使用。通过强大功能的结合，可以让操作者全面控制工件加热系统，显示所有预设条件，记录所有发生的故障以及所有生产和运行条件数据，如：功率、生产运行信息、温度，也能广泛的切换和累计工件数量，这样还可以设定运行，允许手动输入、存储、检索、运行、以及用于生产理想工件的部分或所有 　　程序参数。通过HMI操作面板就可以对工件等一系列的设定。 　　在感应加热的变频电源是很重要的一部分，在二十世纪七十年代中期，固体感应加热电源已经广泛地应用在锻造行业。这些电源的变频部分利用一个半导体电源开关将直流电源转换成应用所需频率的交流电源。晶闸管或可控硅成了应用的主流设备，电源的频率从250H到10000HZ，功率从100KW到4000KW，对于一些特别应用还会更高。在以后时间里可控硅在设计上的许多革新，已经提高了这些设备的可靠性和性能。对以后的变频电源的发展方面还是以晶闸管/可控硅为主。 下图为AB公司的PLC 　　对系统的编程可以通过编程器或笔记本电脑，对笔记本电脑的配置，Window98操作系统，内存64MB硬盘10GB就足以满足软件的应用，通过该软件可以对其编程，与 PLC的Rs232接口与电脑相连就可以对程序的上传、下载和在线诊断。下图为PLC通信端口的参数设定。 　　软件的应用非常方便，可以在线修改和编程，对PLC的输入和输出点的设定，该软件提供了三种编程语言，用户可以根据自己选择，可以把程序转换成梯形图，这样很容易看到程序的运行情况。下图为程序的梯形图 该设备为现场情况： 六、结束语 　　在新的节约型社会，不管是企业还是事业都以节约为美德，感应加热涉及冶金、锻造和钢铁等行业。在高速发展的社会里，设备的更新换代也随之发生巨大的变化，设备朝着可靠性、系统的稳定性、易操作性和节约性发展，感应加热应用和技术会有很大的发展空间！ 七、参考文献 1．林信智 杨连第。 汽车零部件感应热处理工艺与设备。 北京理工大学出版社1998.8 2. 胡宴如。 高频电子线路。北京：高等教育出版社，1993 3．刘润华。现代电子系统设计。山东东营：石油大学出版社，1998 单位： 文登恒润锻造有限公司 部门：综合管理科 职位：助理主任工程师 通信地址：山东省文登市文登营工业园恒润锻造有限公司珠海东路36号 邮编：264400 电子邮箱：lzyangjun@126.com ldyangjun@yahoo.com.cn 联系电话：0631—8982082 13181108988