感应加热原理与感应熔炼电炉技术详解

感应加热原理与感应熔炼电炉技术详解

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/m0_62030579/article/details/146778974

感应加热技术在现代工业中扮演着重要角色，特别是在金属熔炼领域。本文详细介绍了感应加热的基本原理、感应熔炼电炉的特点以及相关电磁效应，为读者提供了一个全面的技术指南。

感应电炉的分类

感应电炉可以根据不同的标准进行分类：

按照有无铁心

• 有心感应电炉（沟槽式感应电炉）
• 无心感应电炉（坩埚式感应电炉），又分为：
• 真空炉
• 非真空炉（通常默认为该类型）

按照频率划分

频率划分有多种方式，具体细节可根据实际需求进一步了解。

按照用途分

• 感应熔炼炉：用于炉料的熔炼。
• 感应保温炉：用于炉料的保温。
• 感应浇注炉：用于炉料的浇注。

感应电炉的主电路组成

中频无心感应电炉的主电路主要分为两类：

• 并联逆变电路：逆变器输出电压并联，适用于需要多路独立功率输出的情况。
• 串联逆变电路：逆变器输出电压串联，适用于需要较高电压的场景。

多路输出变频装置由同一台（组）整流器向多台逆变器供电，形成多路彼此独立的中频功率输出，可同时为多台中频无心感应电炉供电（即“一拖二”、“一拖三”等）。

关键设备说明

• 逆变器：将直流电转换成交流电的电子设备。
• 整流器：将交流电转换为直流电的设备。
• “一拖二”、“一拖三”：表示一台整流器可以向多个逆变器供电，实现多个电炉同时加热的功能。

为什么需要整流和逆变？

• 频率提升：逆变器可以提高电流频率，以满足电磁炉加热（中高频为1kHz~数十kHz）的要求。
• 安全性：低频电信号传输更安全，降低事故发生概率。
• 资源利用：合理配置逆变器数量，平衡成本与效率。

感应熔炼电炉特点

感应电炉与传统的火焰炉相比，具有以下特点：

• 高功率密度：使金属自身感应产生足够大的电流，实现快速熔化，并通过电磁力使金属熔液搅动。
• 可重现性：工艺参数确定后，熔炼过程可重复，铸件品质稳定。

坏处

以无心感应熔炼炉熔炼铸铁为例，炉渣导电性低，主要依靠铸铁熔液传导热量，导致系统效率降低。

感应加热基本原理

电磁感应定律

磁通量变化产生感应电动势：

$$
\varepsilon = \frac{d\psi}{dt}
$$

其中：

• $\varepsilon$：闭合回路中感应电动势瞬时值（V）
• $\psi$：回路的磁链总数（Wb）
• $t$：时间（s）

感应电动势有效值计算

$$
E = 4.44 f n \Phi
$$

其中：

• $E$：感应电动势有效值（V）
• $f$：电流频率（Hz）
• $n$：感应器线圈的匝数（匝）
• $\Phi$：回路交链的磁通（Wb）

功率计算

$$
P = EI\cos \phi_L = 4.44fnI\Phi \cos \phi_L
$$

其中：

• $P$：导体中的功率（kW）
• $\phi_L$：$E$、$I$的夹角（º）
• $I$：感应电流（A）

金属热量计算 - 焦耳定律

$$
Q = I^2Rt
$$

其中：

• $Q$：产生的热量（J）
• $I$：感应电流（A）
• $R$：金属炉料的表层电阻（Ω）
• $t$：加热时间（s）

注意事项

• 铁磁性材料在低温时会因磁滞效应产生额外热量，但这种效应在高温下消失。

感应电流电磁效应

趋肤效应

电流密度在导体横截面上不均匀分布，最大电流密度出现在表层，并以指数函数规律向心部衰减。

约63.2%的电流在厚度为$\Delta$的表面层内流动，86.5%的感应功率在$\Delta$的表面层内转化为热能。

邻近效应

相邻两金属导体的电流密度重新分布，最大值出现在导体内侧或外侧，取决于电流方向。

圆环效应

最大电流密度出现在圆环形线圈的内侧。

端部效应

炉料的端部吸收的功率增加，导致端部加热更快。

效应总结

邻近效应、圆环效应、端部效应都是趋肤效应的特殊表现形式。感应加热是这些效应的综合应用。

感应熔炼电炉设计与制造标准

感应熔炼电炉的设计与制造需要遵循相关的国家标准和行业标准。

本文内容参考自李韵豪老师的《铸造工业的感应加热》系列讲座。