感應加熱：您一直想知道卻不敢問的一切（2016年10月）

本月問題：我們工廠從事銅合金棒材與坯料的加工。目前使用燃氣爐來加熱 C14500、C44300、C46400、C48500、C64200 等材質的坯料。 坯料／棒材的直徑範圍在 200 至 240 毫米之間。我們熔爐的最高溫度為^860oC，對於這些工序而言已足夠。 然而，隨著業務擴展，我們正開始處理 C71500、C63000 及其他需在^{950°C 至 1050°C}溫度下加工的銅合金。請問能否先使用現有燃氣爐對坯料進行預熱，再透過門式輸送系統將坯料移送至感應加熱爐進行最終加熱？

回答：是的，這種方法有助於降低資本成本，因為您的新感應加熱系統只需將坯料平均溫度提升不到^200oC。根據所需的生产速率及溫度均勻度要求（從表面到核心，以及從一端到另一端），您可以使用多台靜態感應加熱器來達到目標溫度。 請注意，若您的坯料／棒材長度差異顯著，則需透過採用可調匝數、磁通延伸器及／或磁通集中器，妥善控制電磁端部效應。考量到坯料的直徑，採用低頻（50-120 Hz）應是最合適的選擇。 在燃氣爐預熱及感應加熱系統進行最終加熱後，坯料運輸的時間應盡量縮短。過長的運輸時間會破壞在燃氣爐中獲得的受熱均勻性，導致感應加熱器必須進行補償，並使系統設計更加複雜。

以 C71500 為例，銅合金進行感應加熱時所面臨的挑戰，與其極低的熱導率有關。 以 C71500 為例，該合金的熱導率比純銅低14 倍以上，也比您目前正在加工的 C14500 合金低 12 倍以上。由於熱傳導不足，表面至核心的熱傳遞將大幅降低，導致熱均勻化效果減弱，且熱梯度增加。因此，需要足夠的時間。

此外，C71500 的電導率僅為純銅的 4.6%。這雖然增加了電流滲透深度並提升了電氣效率，卻也降低了所需功率：這意味著，若以相同尺寸的坯料及生產速率來比較，C71500 與其他銅合金（例如 C14500）所需的最大功率數值可能會產生誤導。 銅合金 C71500 的電阻率僅為奧氏體不鏽鋼的約 54%，其熱導率則約為非鐵質不鏽鋼的 1.6 倍。換言之，無論從電磁或熱學角度來看，銅合金 C71500 對感應加熱的反應特性，都更接近不鏽鋼而非銅。

在設計將安裝於燃氣爐後方的感應加熱器時，必須考量新型銅合金的細微特性。應採用電腦數值模擬，以釐清由不同合金製成的工件在感應加熱過程中的細微特性。

瓦列里·魯德涅夫博士，FASM
科技總監
Inductoheat Inc
www.inductoheat.com