設備管理_感應加熱設備概述

熱處理原理 工藝及設備PRINCIPLES TECHNOLOGYANDEQUIPMENTSFORHEATTREATMENT 第三部分熱處理設備 4 EquipmentsforHeatTreatment 14感應加熱設備 隨著科學技術的發(fā)展 表面熱處理技術得到了廣泛的應用 表面熱處理可以提高產品質量 縮短生產周期和改善勞動條件 提高生產組織水平 目前應用最廣泛的表面熱處理是感應熱處理 它可應用于淬火 回火 正火 調質 透熱等 適用于機械化大生產 可通過計算機控制實現(xiàn)無人操作 14感應加熱設備 優(yōu)點 工藝簡單 工件畸變小 氧化脫碳少 生產效率高 節(jié)能 環(huán)境污染少 可以實現(xiàn)局部 快速處理 工藝過程容易實現(xiàn)機械化和自動化 特點 零件加熱不依靠外部熱源 如傳導 對流 輻射 而是交流電源通過感應器對零件表面產生交變電流 工件表面形成閉合回路 依靠金屬本身電阻來實現(xiàn)加熱 熱能來源 渦流熱效應 主要熱源 和磁滯熱效應 14感應加熱設備 組成感應加熱電源淬火機床感應器設備冷卻和淬火冷卻介質循環(huán)系統(tǒng)分類裝置頻率 超高頻 高頻 超音頻 中頻 工頻變頻方式 電子管變頻 機式變頻 晶體管變頻 固體電路逆變及工頻加熱裝置 14 1感應加熱概述 一 感應加熱的基本原理感應加熱的物理基礎 將工件放在感應器中 當感應器中通過交變電流時 在其內部產生交變磁場 由交變磁場激發(fā)的感應電勢將在工件的表面產生感應電流 這種電流又稱渦流 因為工件材料的電阻很小 所以不大的感應電勢便造成強度很大的渦流 從而釋放出大量的焦耳熱 使工件表面層溫度迅速升高 14 1感應加熱概述 趨膚效應 集膚效應 渦流在工件表面最大 由表面向心部呈指數(shù)規(guī)律衰減的現(xiàn)象 感應電動勢的瞬時值 e d dt V 式中 d dt表示磁通量 對時間的變化率 負號表示感應電動勢方向與d dt方向相反 電流透入深度 工程上規(guī)定 當渦流強度從表面向內層降低到其數(shù)值等于表面最大渦流強度的0 368倍時 該處到表面的距離稱為電流透入深度 對于碳鋼 500 f 1 2 mm f 電流頻率 14 1感應加熱概述 感應加熱的物理過程感應加熱開始時 工件處于室溫 電流透入深度很小 僅在一薄層內進行加熱 當電流透入深度大于淬硬層深度后 表面由鐵磁性變?yōu)轫槾判?表面電流密度下降 而在緊靠順磁體層的鐵磁體處 電流密度劇增 此處迅速被加熱 溫度也很快升高 由此 工件截面內最大密度的渦流由表面向心部逐漸推移 同時自表面向心部依次加熱 這種加熱方式稱為透入式加熱 與此同時 由于熱傳導的作用 熱量向工件內部傳遞 加熱層厚度增厚 這時工件內部的加熱和普通加熱相同 稱為傳導式加熱 14 1感應加熱概述 透入式加熱較傳導式加熱有如下特點電流透入深度大于淬硬層深度后 最大密度的渦流流向內層 表層加熱速度開始變慢 不易過熱 而傳導式加熱隨著加熱時間的延長 表面繼續(xù)加熱容易過熱 加熱迅速 熱損失小 熱效率高 熱量分布較陡 淬火后過渡層較窄 使表面壓應力提高 14 1感應加熱概述 二 感應加熱設備的分類工頻感應加熱設備中頻感應加熱設備高頻感應加熱設備 14 1感應加熱概述 14 1感應加熱概述 三 中高頻電流的特點1 趨膚效應定義 當交變電流通過施感導體時 導體的表面的電流密度最大 越向導體內部電流密度越小 這種現(xiàn)象稱趨膚效應 或稱表面效應 電流的頻率越高 集膚效應越顯著 14 1感應加熱概述 渦流由表面向心部衰減規(guī)律 指數(shù)規(guī)律 I0 表面渦流強度c 光速 工件材料的電阻率 工件材料的導磁率x 距工件表面的距離f 交流電頻率 14 1感應加熱概述 當f很高時 電流大部分集中在導體表面 心部已無電流 這樣導致導體的有效電阻增加 導體發(fā)熱顯著增加 因此 感應器的施感導體常采用空心的銅管制成 管內通水冷卻 以降低施感導體溫度 14 1感應加熱概述 2 鄰近效應定義 當兩個載有高頻電流的導體彼此相距很近時 每個導體內的電流將重新分布 如果兩個導體中電流方向相同 則最大電流密度將出現(xiàn)在兩導體相背的一面 如果兩個導體中電流方向相反 則最大電流密度將出現(xiàn)在兩導體相鄰的一面 這種電流向一側集中的現(xiàn)象叫鄰近效應 導體內電流的頻率越高 鄰近效應越明顯 14 1感應加熱概述 在感應器的導電管之間 如多匝感應器的匝與匝之間存在鄰近效應 感應器與加熱工件之間也存在鄰近效應 在感應器的設計中 巧妙利用鄰近效應可提高感應器的效率 14 1感應加熱概述 3 圓環(huán)效應定義 當高頻電流流過環(huán)形導體時 電流在導體橫截面上的分布將發(fā)生變化 此時電流僅僅集中在圓環(huán)的內側 這種現(xiàn)象叫圓環(huán)效應 圓環(huán)的曲率半徑越小 徑向寬度越大 圓環(huán)效應也越明顯 電流的頻率越大 圓環(huán)效應也越顯著 圓環(huán)效應有利于感應器對外圓柱零件的表面感應加熱 但不利于對工件內孔進行加熱 14 1感應加熱概述 4 尖角效應定義 當用感應器加熱不規(guī)則形狀工件表面時 工件的尖角部位的加熱強度遠較其它光滑平坦部位強烈 往往會造成過熱 例如 齒輪的齒頂部位 這種現(xiàn)象稱做尖角效應 尖角效應是由于磁力線易于在尖角處集中 感應渦流較強的緣故 為了克服這一現(xiàn)象 在設計形狀不規(guī)則的工件時 應適當加大尖角或凸出部位與感應器之間的間隙 14 1感應加熱概述 14 1感應加熱概述 5 電流捷徑電流在流動時 往往是沿電阻小的部位進行 有時感應器的厚度有變化時 應考慮電流走捷徑對加熱的影響 14 2感應加熱設備 一 工頻感應加熱設備 14 2感應加熱設備 構成 供電系統(tǒng) 工藝裝備系統(tǒng)f 50Hz 或60Hz 電流透入深度 10mm f 50Hz時 電流透入深度 15mm 適用于大型工件 如冷軋輥 大車輪等大截面工件的表面淬火加熱 也被廣泛用于熔煉鋼鐵 鑄鐵及有色金屬 還可以用于鍛件鍛造前的加熱 熱處理的正火或調質處理 特點 工頻感應加熱速度低 不易產生過熱 整個加熱過程易控制 14 2感應加熱設備 當溫度高于居里點 700 時 75mm工頻感應加熱速度小于中 高頻感應加熱 特別是在居里點以上時 加熱速度更低 因而熱應力較小 熱應力引起的變形與開裂的可能性也較小 造成過熱的危險性也較小 不需要變頻設備 設備簡單 投資較低 14 2感應加熱設備 二 中頻感應加熱設備f 500 10000Hz 又稱音頻感應加熱設備 電流透入深度 5mm 用于中小型工件的淬火加熱 中頻發(fā)電機是使用較早而廣泛的設備 其中可控硅變頻器是一種較先進的設備 在工業(yè)中也得到迅速地發(fā)展和推廣使用 14 2感應加熱設備 中頻發(fā)電機組構成 電動機 中頻發(fā)電機 激磁用電動機和發(fā)電機 電容器 降壓變壓器 感應器分類機械式晶閘管式 14 2感應加熱設備 機械式中頻變頻裝置 簡稱機式中頻發(fā)電機 能將50Hz工頻電流轉變成1000 8000Hz的中頻電流優(yōu)點 可靠耐用 維護費用低 可集中供電 一臺機組可以供幾臺淬火機床輪流使用 變頻機組利用率高 數(shù)臺性能相近的中頻裝置可并聯(lián)使用 提高輸出功率 缺點 頻率固定 使用范圍受限 占地面積大 噪聲大 耗水量大 電效率低 70 75 屬淘汰產品 目前已停產 14 2感應加熱設備 晶閘管式 SCR 中頻變頻裝置 亦稱可控硅中頻電源 有整流 濾波 逆變 控制及保護電路組成 感應淬火用的晶閘管中頻電源頻率一般為2 5 8kHz 優(yōu)點 體積小 重量輕 無機械運動 噪聲小 啟動 停止方便 頻率可根據(jù)零件需要調整 并在運行中自動跟蹤 保持在最高功率因數(shù)下運行 安裝容易 電效率可達90 14 2感應加熱設備 14 2感應加熱設備 三 高頻感應加熱設備高頻感應加熱設備實質上就是一種大功率的頻率變換裝置 它將50Hz的工頻電流轉換成幾百千赫的高頻電流 以滿足感應加熱的需要 電流頻率越高 加熱工件時電流透入深度越淺 渦流強度越大 熱量越集中 因而加熱速度越快 淬硬層也越薄 所以高頻感應加熱設備多用于要求淬硬層小于1mm的中 小型零件 14 2感應加熱設備 f 100 300kHz 電流透入深度 3mm 適用于大多數(shù)工件表面淬火 分類電子管式高頻感應加熱裝置晶體管式高頻變頻裝置 14 2感應加熱設備 電子管式高頻感應加熱裝置結構晶閘管調壓器升壓變壓器高壓整流器電子管振蕩器微機控制調壓系統(tǒng)優(yōu)點 在高頻率甚至超高頻率 大功率方面有獨特優(yōu)勢缺點 耗能高 體積大 相對效率低 危險性大 14 2感應加熱設備 晶體管式高頻變頻裝置結構整流器逆變器控制電路優(yōu)點 體積小 重量輕 整機效率高 節(jié)能節(jié)水 隨時可以起動和停機 輸出功率調節(jié)方便 反應迅速 準確可靠 故障率低 整機使用壽命長 14 2感應加熱設備 14 2感應加熱設備 四 感應加熱設備的選擇電流透入深度 根據(jù)趨膚效應 工程上規(guī)定當Ix降至I0的1 e 0 368 e 2 718 處的電流深度稱為電流透入深度 鋼鐵材料熱態(tài)電流的透入深度比冷態(tài)電流透入深度大幾十倍 鋼鐵在800 900 時 500 f1 2感應加熱時 f越大 熱越小 則淬硬層深度x越淺 反之 f越小 熱越大 則x越深 14 2感應加熱設備 如果 熱 x 則加熱時熱量只集中于表層 要靠熱傳導傳熱 加熱速度慢 生產率低 過渡層大 但功率小 如果 熱 x 加熱速度快 表面輻射損失小 過渡層淺 但功率大 生產經驗 1 5 104 x2 f 2 5 105 x2例如 x 2 0時 fmax 60000Hz fmin 4000Hzf最佳 15000Hz采用真空管式感應加熱設備 14 3感應加熱器設計概要 感應器設計得是否合理會影響到加熱層的形狀和深度以及設備功率能否正常發(fā)揮等 因此 感應器的設計對提高產品質量和經濟效益至關重要 應根據(jù)工件的形狀 尺寸以及熱處理技術要求來設計設計要求 確保工件表面被均勻加熱 電熱效益高 自身損耗小 具有一定的強度和使用壽命 制作簡單 工作穩(wěn)定可靠 操作方便 裝卸便捷 14 3感應加熱器設計概要 感應器的組成有效圈 產生磁場加熱工件的有效部分 匯流排 將電源電流輸向有效部分 連接板 夾持裝置 將前兩者與淬火變壓器夾緊 供水裝置 冷卻前兩者 噴水冷卻工件 有時感應器還裝有導磁體 磁屏蔽環(huán) 片 定位圈和支撐裝置 14 3感應加熱器設計概要 14 3感應加熱器設計概要 感應器的設計主要包括 感應器有效圈的形狀 尺寸 圈數(shù) 感應器有效圈與工件的間隙 匯流板的尺寸與連接方法 冷卻方式等 其結構尺寸主要根據(jù)中 高頻電流的特點以及感應線圈的使用壽命等來考慮 14 3感應加熱器設計概要 1 感應器有效圈與工件的間隙感應器與工件的間隙大小直接影響到感應器的功率因數(shù) 從提高熱效應的角度出發(fā) 感應器有效圈與工件的間隙越小越好 間隙大 功率因數(shù)低 間隙小 功率因數(shù)高 電流透入深度淺 加熱速度快 但間隙過小 操作不方便 易產生短路 降低使用壽命 間隙大小還受到設備的功率和淬硬層深度的影響 設備功率大則間隙大 設備功率小則間隙小 連續(xù)加熱時要考慮移動 間隙也要大一些 14 3感應加熱器設計概要 2 感應器有效圈的尺寸1 感應器有效圈的內徑外圓表面加熱用的施感導體采用矩形或方形截面的銅管繞成 內徑 D D0 2a mm D0 工件的直徑 mma 工件表面與施感導體內表面的間隙 14 3感應加熱器設計概要 2 感應器有效圈的高度感應器有效圈的高度會直接影響淬硬層分布 長軸件進行局部一次性加熱 H L 8 10 mm L 淬硬區(qū)的長度短軸零件進行局部一次性加熱 H L 2a mm a 感應器有效圈與工件間隙 mm當軸形件淬硬層較長時 可采用多匝感應器 14 3感應加熱器設計概要 3 感應器有效圈的管壁厚度管壁厚度應根據(jù)電流在銅質導體中的趨膚效應以及感應器自身的強度要求來確定 感應器有效圈壁厚沒有通水冷卻時 其厚度為8 10mm 通水冷卻時 厚度按下表選取 感應器的冷卻出水溫度不能大于60 14 3感應加熱器設計概要 3 感應器的圈數(shù)當工件直徑較小 而淬硬區(qū)又較長時 可采用雙圈或多圈感應器 有較高的熱效率 多圈感應器可以改善匯流板與感應器間的電壓分配 增加感應器上的電壓 但圈數(shù)也不宜過多 過多時阻抗增加 功率因數(shù)下降 效率低 14 3感應加熱器設計概要 4 冷卻水路冷卻水管的尺寸與電流頻率 電流透入深度 加熱方式和散熱條件有關 采用同時加熱法時 要另設噴水圈或淬火槽進行淬火冷卻 采用連續(xù)加熱淬火法時 可采用自噴式感應器 當要求噴水量較大時 在感應器下方另設獨立噴水圈 5 匯流板尺寸匯流板 感應圈兩端與電源的連接部分 14 3感應加熱器設計概要 二 導磁體和屏蔽作用1 導磁體圓環(huán)效應使電流集中于感應器內側 有利于加熱圓柱零件 對于加熱圓筒形零件內表面 則應在感應器上設置導磁體將電流從內側驅趕到外側 以加強鄰近效應 改變加熱區(qū)溫度分布 提高熱效率 14 3感應加熱器設計概要 2 電磁屏蔽對工件上不需要加熱的凸臺或尖角處加上銅環(huán)或鐵磁材料環(huán) 在環(huán)中因漏磁而產生渦流 渦流所產生的磁場方向與感應加熱的磁場方向相反 使磁力線不能穿過那些不需要加熱的部位 而起到屏蔽作用 例如 對鍵槽 油孔打入銅釘進行屏蔽 避免工件加熱時產生的過熱或裂紋 14 3感應加熱器設計概要 14 4感應器的效率 一 感應器的效率指感應器的輸入功率與用于加熱工件的有用功率之比 Pa P 感應器的效率 Pa 工件表面吸收功率 kW P 輸入感應器功率 kW 工件表面吸收功率Pa是計算工件加熱總功率和選擇設備的依據(jù) 14 4感應器的效率 Pa與淬硬層深度 工件大小 加熱時間 電流頻率和加熱方式等因素有關 其大小直接影響工件的加熱速度和淬硬層深度 在選擇總功率P時 設備的效率應將變壓器效率 感應器效率和回路線傳輸效率等考慮進去 且總功率滿足工藝要求 14 4感應器的效率 2 感應器的效率不應低于80 提高感應器的效率應注意以下幾點 1 感應器的有效圈 匯流排及連接板應該使用純銅制造 這樣對電流阻礙作用小 電效率高 無氧銅是首選材料 2 感應加熱時 感應器與工件之間總有一定的間隙 總有部分磁力線不經過被加熱工件的表面 而從間隙中通過 對工件不起加熱作用 這就是漏磁 間隙越大 漏磁越大 14 4感應器的效率 3 磁力線穿過了工件 并轉換成了熱能 但這部分熱能并沒有被用于工件所需要加熱的地方 而是加熱了其他不應該被加熱的部分 稱為磁力線的逸散 為了提高感應器的效率 在感應器形狀和尺寸的設計時 應充分考慮磁力線的分布 采用導磁體是克服磁力線逸散的有效途徑 14 4感應器的效率 4 根據(jù)工件的直徑 或厚度 正確選擇感應電流的頻率 這是提高感應器效率的根本保證 工件直徑 或厚度 與電流透入深度之比將決定電效率 兩者關系見下表 14 4感應器的效率 5 盡量采用矩形純銅管代替圓形管制作感應器 矩形管和圓形管在截面上的電流分布不同 當間隙相同時 圓形管的漏磁和磁力線逸散非常嚴重 而矩形管比圓形管效率高10 14 4感應器的效率 6 感應器的總阻抗由有效圈阻抗 連接板及匯流排阻抗 感應器與淬火變壓器的接觸阻抗組成 淬火變壓器的輸出電壓一定時 電壓在感應器上的分配是按阻抗的大小成正比分配 為提高感應器效率 有效圈長度與感應有效圈高度比值在5 10之間比較合適 如果小于5 應用多匝感應器 14 4感應器的效率 7 感應器的連接板與淬火變壓器的接觸要好 接觸電阻增大時 會導致接觸面發(fā)熱 氧化 并使接觸電阻進一步增大而形成惡性循環(huán) 8 在需要對很小面積的零件加熱或需要提高對零件的某一局部加熱功率時 可以在感應器上加裝集流器 強流器 使感應器獲得更大的功率 并傳遞到被加熱的工件上 集流器可固定在感應器上 也可做成分離型 方便與被加熱工件定位 使得感應器難以進入的零件部位得到加熱 14 5淬火機床 淬火機床是感應熱處理設備的重要組成部分 感應熱處理要實現(xiàn)機械化 自動化 要保持穩(wěn)定的熱處理質量 減輕勞動強度 改善作業(yè)環(huán)境 就必須配備合適的感應淬火機床 分類按生產方式 通用型 專用型 生產線按感應電源的不同 高頻 中頻 工頻淬火機床按處理工件類型的不同 軸類 齒輪 導軌 平面淬火機床 棒料生產線按主要傳動形式 液壓式 全機械式淬火機床按處理工件的裝夾方式 立式 臥式淬火機床 14 5淬火機床 構成機架 主要基礎件 足夠剛性 結構簡單 宜采用鑄鐵件或型鋼焊接 應考慮防銹和積水的排放 升降機構 便于裝卸工件旋轉部件 為使感應加熱均勻 圓形工件加熱時應旋轉工件夾緊裝置控制儀表 工作臺上有位移表 轉速表 淬火冷卻介質流量計 水壓計 測溫計等 此外 還有淬火冷卻介質管路及循環(huán)冷卻系統(tǒng) 及必要的抽油煙 擋水和照明裝置 14 5淬火機床 立式淬火機床 臥式淬火機床 14 6其它表面加熱裝置 一 火焰表面加熱裝置1 火焰表面熱處理 用火焰加熱工件的某些部位 使零件表面迅速被加熱到預定溫度 然后根據(jù)零件技術要求進行不同速度的冷卻 以獲得所需的組織性能 優(yōu)點 加熱溫度高 速度快 時間短 設備簡單 對操作場所要求不高 使用方便 缺