锻造加热设备

  （4）端部效应 分为坯料的端部效应和感应线圈的端部效应。 趋肤效应描述了金属坯料横截面上的磁场分布，而端部效应却显示 了坯料和感应线圈端部的磁场分布。它将影响沿坯料轴向的功率分 布及坯料加热温度的分布情况。 对于纵向磁场中的非磁性坯料，坯料的端部效应使坯料端部吸收的 功率增加，对于磁性坯料，端部效应使其吸收的功率增加还是降低， 取决于坯料的半径、材料特性、频率和磁场强度。 感应加热是上述四种效应的综合应用，感应器线圈系统的作用表现 为圆环效应，坯料系统表现为趋肤效应，两者之间是邻近效应和端 部效应。

  如两平行导体的电流在任何瞬间方向相同（图1-5b）导体外 侧电流密度较内侧大。

  （3）圆环效应 当交变电流通过圆环形线圈时，最大电流密度出现在线圈导体的内 侧，此现状即是圆环效应。 磁力线在环内较密集，环外分散，因此，外侧电流线较内侧穿透较 多的磁通，反电势大，所以，外侧的总电势和电流密度较内侧小。 圆环效应对圆柱体坯料外表面加热时起有利作用。这也是怎么回事坯 料在螺线管感应器内加热不必加导磁体的原因。而对于内孔加热或 平面加热时，圆环效应对加热是不利的，这时可利用导磁体改变磁 力线状态，把电流由内侧驱赶到外侧。

  趋肤效应产生的原因：当金属坯料两端施以交流电压U时，则在 金属坯料中建立起交变电场。由于电磁感应，坯料中电流所形成 的交变磁场又产生一个方向相反的感应电势e。由于坯料心部穿 透的磁通比表面多，心部的感应电动势e1大于表面的感应电动 势e2，即U-e1＜U-e2，故表面电流密度i2＞心部电流密度i1。

  通以交流电流的相邻两金属导体的电流密度要重新分布。当 两导体的电流方向相反时，最大值出现在导体内侧，反之， 最大值出现在导体外侧。这种现象称为邻近效应。

  邻近效应产生的原因：设在任何瞬间，两平行导体中的电流 方向相反（图1-5a），在导体之间由两电流所建立的磁场方 向相同，两导体间的总磁场增大，而两导体外侧的磁场减弱。 位于导体外侧的电流“线”比内侧电流“线”交链较多的磁 通，因而沿外侧的电流线比内侧感应的反电势大，外侧的电 源电势与反电势之和较内侧低，因此，导体外侧电流密度较 内侧小。

  当其它参数不变时，功率P与频率f成正比，因此，提高频率， 在一样体积中释放的能量增大，这就是感应加热中采用中、 高频率的原因。 感应加热的电磁效应 （1）趋肤效应 线圈导体中的交变电流和金属坯料内的涡流在其横截面上的 电流密度不均匀分布，最大电流密度出现在该横截面的表层， 并以指数函数规律向心部衰减，这种现象称之为趋肤效应。

  今日所称的锻造概念，包含自由锻、模锻、挤压、轧制、 冷镦、冷冲和辗扩等诸多工艺方法，除冷镦、冷冲在常温下 进行外，不论采用何种锻造方法，都要将欲进行锻造的金属 坯料进行预先加热，以使金属拥有非常良好的塑性，较低的变形 抗力。经过锻造的金属，组织更为致密，具有更高的力学性 能。

  一般金属锻造坯料的加热温度，取决于金属的再结晶温度。锻造的 温度与金属的性质紧密关联。钢的再结晶温度约在460~C左右。 300～800~C一般称为温锻；钢的热锻依据合金的差异一般界于 800～1200~C。而对于铝及铝合金，一般的锻造温度在400~C左右； 铜与铜合金的锻造温度在750～900℃ ；钛及钛合金的锻造温度， 通常都要高于IO00~C。

  锻造加热设备主要由变频电源和电磁 感应器组成。和其它加热炉比较，优 势明显。如升温速度快，加热时间短， 能成倍提高生产率；能与其它工艺设 备组成连续的生产线%高出许多；感应加热 过程不产生烟气和烟尘，节能与环保； 自动化程度高，很适合毛坯形状简 单，品种少，产量大的产品零件生产。 因其诸多的优势，正在快速的淘汰利 用火焰加热和电阻加热的装置，大量 用于热成型，毛坯锻造、热冲压、热 挤压轧制等热加工行业。它充分的利用 的是许多产品通过金属加热到一定温 度，具有可塑性的特点，然后再利用 各种方式使金属轧制成希望的形状。

  将坯料视为只有一匝的闭合回路，当感应电动势产生时，该回路中 产生交变的自成环路的环流——涡流I2。感应加热中是利用涡流 产生的热能来加热金属坯料。 焦耳效应可用下式表述： Q=I22Rt（J） （1-3） 它反映了涡流在金属坯料中所产生热的速率与坯料的电阻和涡流的 平方成正比这样一种现象。 消耗于金属坯料中的功率为： P=EI2COSφ=4.44f nφmI2cosφ （1-4）

  金属坯料锻造前的加热必须配备加热设备。而加热设备的配 置主要根据金属本身对加热温度的工艺技术要求，满足这些工 艺要求的热源有多种。原则上，凡是能使金属温度上升至锻 造工艺要求的热源都可通过，但选择加热设备仍然要考虑 能源的经济性，加热设备建造的投入成本，加热温度控制的 可能性、稳定性，以及满足环保所提出的要求。

  感应加热基于两个基本物理现象：法拉第电磁感应、焦耳效应。 当线，则在线圈周围空间建立交变磁场。处 于该交变磁场中的金属坯料内产生出感应电动势E。

  法拉第电磁感应定律确定： 式中：E ——感应电动势、n ——感应线圈匝数 Φ——磁通量、t ——时间 式中的负号表示感应电动势的方向与磁通量变化率的方向相 反。 对于Φ=Φmsinωt，角频率为ω=2πf，则感应电动势的有效值 为： E=4.44f nΦm （1-2） 式中：f——电流频率

  感应加热的现状及其发展的趋势 (1)感应加热炉的设计、制造，从技术方面讲，可以说已经完全 成熟。用于小规格钢坯锻压坯料加热，因其便于实现自动化、连续 化已经被普遍采用；用于有色金属挤压坯料的加热，即使是大规格 的锭坯，也有趋于采用工频感应加热的明显趋势。