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什么是感应

Inductotherm Group公司将电磁感应技术应用于多个行业的熔化、加热和焊接操作。那么,为何要使用感应技术呢?感应技术和其他加热方法有何不同?

对一般工程师而言,感应是一种极好的加热方法,而对于不熟悉感应加热的人来说,看到线圈内的金属条在几秒钟之内热到发红是非常令人吃惊的事情。虽然感应加热设备涉及到物理、电磁、功率电子学和加工控制等专业领域,但感应加热的基本概念其实简单易懂。

基本原理

Michael Faraday最先发现感应现象,基本说来就是导电材料(比如铜)线圈,电流通过线圈,线圈内和线圈周围就会产生磁场。磁场作用的能力取决于线圈设计,以及通过线圈的电流量。

磁场方向取决于电流方向,因此,通过线圈的交流电电流方向的变化会导致磁场方向改变,变化速度与交流电电流变化速度相同。60Hz 交流电会导致磁场在一秒内变换60次方向。400kHz 交流电会导致磁场在一秒内变换400,000次方向。

不断变化的磁场(比如交流电产生的磁场)内放置导电材料工件时,工件内会产生电压(法拉第定律)。感应电压会带来电子的流动:这就是电流!通过工件的电流与线圈中电流的方向相反。这就表示,我们可以通过控制线圈中电流的频率,从而控制工件中电流的频率。

当电流通过介质时,电子的移动会遇到一定的阻力。这种阻力表现为热(焦耳热效应)。虽然当电流通过材料时,材料对电子流产生的阻力越大,产生的热量也就越多,但是,使用感应电流加热高导电性材料(比如铜)也是可能的。这种现象对于感应加热是非常重要的。

感应加热需要哪些要素?

所有这些告诉我们,感应加热的产生需要两个基本要素:

  1. 不断变化的磁场
  2. 放置在磁场内的导电材料

感应加热和其他加热方法相比如何?

不通过感应来加热物品的方法有很多。更通用的工业实践方法包括燃气炉、电路和盐浴。这些是通过对流和辐射将热源(燃烧器、发热元件、液体盐)的热量转移到产品中去。一旦产品表面加热,热量会通过热传导传递到整个产品。

感应加热产品并非依赖对流和辐射将热量传递到产品表面,其热量是由产品表面的电流流动产生的,产品表面的热量通过热传导,传递到整个产品。感应电流直接产生的热传导深度取决于所谓的电参考深度

电参考深度很大程度上取决于通过工件的交流电频率。电流频率越高,电参考深度越浅,电流频率越低,电参考深度越深。该深度同样还取决于工件的电气性质和磁性。

Inductotherm Group公司利用该等物理和电气现象,为特定产品和应用量身定制了加热解决方案。对功率、频率和线圈几何结构的严谨控制使得Inductotherm Group公司在任何应用领域都能设计出具有高度过程控制和可靠性的设备。

感应熔化

对很多工序而言,生产有用产品的第一步就是熔化;感应熔化快速高效。通过更改感应线圈的几何结构,感应熔化电炉可容纳小到咖啡杯大到几百吨熔融金属的炉料。另外,通过调整频率和功率,Inductotherm Group几乎可加工所有金属和材料,包括但不限于铁、钢和不锈钢合金、铜和铜合金、铝和硅。感应设备是针对各种应用量身定制的,以尽可能的确保其效率。

A major advantage that is inherent with induction melting is inductive stirring. In an induction furnace, the metal charge material is melted or heated by current generated by an electromagnetic field. When the metal becomes molten, this field also causes the bath to move. This is called inductive stirring. This constant motion naturally mixes the bath producing a more homogeneous mix and assists with alloying. The amount of stirring is determined by the size of the furnace, the power put into the metal, the frequency of the electromagnetic field and the type/amount of metal in the furnace. The amount of inductive stirring in any given furnace can be manipulated for special applications if required.

感应真空熔化

由于需使用磁场才能实现感应加热,因此可使用耐火或其他非导电介质,将工件(或负载)与感应线圈隔离开来。磁场会通过该材料,并在磁场负载中产生感应电压。这就表示,负载或工件可在真空条件下加热,或在严谨控制的环境中加热。这使得活性金属(钛、铝),特种合金、硅、石墨和其他敏感导电材料的加工成为可能。

感应加热

与某些燃烧方法不同,无论产品批量大小,感应加热均可精确控制。通过更改通过感应线圈中的电流、电压和频率,可对工艺加热进行微调,特别适用于表面硬化、硬化和回火、退火和其他形式的热处理等精确应用。对于汽车、航空航天、光导纤维、弹药焊接、金属丝硬化和弹簧钢丝回火等关键应用而言,高精确度至关重要。感应加热非常适用于钛、贵金属和高级复合材料的特种金属应用。感应所带来的精确加热控制是无与伦比的。另外,使用相同的加热原理,比如真空坩锅加热,可在空气中连续进行感应加热。比如,不锈钢管的非氧化退火。

高频率感应焊接

example of induction welding

通过高频率(HF)电流产生的感应甚至可进行焊接。在该应用中,高频率电流产生的电参考深度较浅。在此情况下,可连续形成一条金属,然后,金属条通过一系列精确设计的辊筒,以让成形的金属条边缘结合在一起,焊接成整体。在成形金属条到达辊筒之前,会通过一个感应线圈。在此情况下,电流沿金属条边缘形成的“vee”字形往下流动,而非在成形通道外周围流动。电流沿金属条边缘流动时,会将金属条加热到合适的焊接温度(材料熔化温度之下)。当金属条边缘压在一起时,所有碎片、氧化物和其他杂质都会挤出以形成固态的锻焊焊缝。

未来应用

随着高度工程化材料时代的到来,替代能源和崛起的发展中国家的需求,感应的独特能力为未来的工程师和设计师提供了一个快速、有效和精确的加热方法。