什么是感应

Inductotherm集团旗下各公司利用电磁感应技术,为多个行业的熔化、加热和焊接应用提供解决方案。但感应技术究竟是什么?它与其他加热方法又有何不同?

对于普通工程师而言,感应加热是一种引人入胜的加热方法。对于不熟悉感应加热的人来说,看到线圈中的金属件在几秒钟内就变得通红,可能会感到惊讶。感应加热设备需要掌握物理学、电磁学、电力电子学和过程控制方面的知识,但感应加热背后的基本原理却很容易理解。

基础知识

电感现象由迈克尔·法拉第发现,其原理始于由导电材料(例如铜)制成的线圈。当电流通过线圈时,线圈内部及周围会产生磁场。磁场做功的能力取决于线圈的设计以及流经线圈的电流大小。

磁场的方向取决于电流的方向 磁通量,因此当交变电流通过线圈时,会产生一个磁场,其方向的变化速率与交变电流的频率相同。60Hz的交变电流会使磁场每秒换向60次。400kHz的交变电流会使磁场每秒换向400,000次。

当将导电材料(即工件)置于变化的磁场中(例如由交流电产生的磁场)时,工件中会感应出电压(法拉第定律)。感应电压将导致电子流动:即电流! 流经工件的电流方向与线圈中的电流方向相反。这意味着,通过控制线圈中电流的频率,我们可以控制工件中电流的频率。

当电流通过某种介质时,电子的运动会遇到一定的阻力。这种阻力会以热量的形式表现出来(即焦耳热效应)。对电子流动的阻力越大的材料,在电流通过时产生的热量就越多,但利用感应电流加热高导电性材料(例如铜)也是完全可能的。这一现象对感应加热至关重要。

感应加热需要什么?

这一切告诉我们,要发生感应加热,需要两个基本条件:一个变化的磁场,以及置于该磁场中的导电材料。

感应加热与其他加热方法相比如何?

除了感应加热外,还有几种加热物体的方法。一些较常见的工业做法包括燃气炉、电炉和盐浴。这些方法都依赖于热源(燃烧器、加热元件、液态盐)通过对流和辐射将热量传递给产品。一旦产品表面被加热,热量就会通过热传导在产品内部传递。

感应加热产品并非依靠对流和辐射将热量传递到产品表面。相反,热量是由电流在产品表面流动产生的。随后,产品表面的热量通过热传导在产品内部传递。利用感应电流直接产生热量的深度取决于所谓的“电参考深度”

该 电位基准深度 这在很大程度上取决于 流经工件的交流电。频率越高,电镀层越浅 电位基准深度 而频率较低的电流会导致更深的 电位基准深度. 该深度还取决于工件的电学和磁学性能。 见图:高频(左)和低频(右)的电学参考深度

Inductotherm集团旗下公司利用这些物理和电学现象,为特定产品和应用量身定制加热解决方案。通过对功率、频率和线圈几何形状的精确控制,Inductotherm集团旗下公司能够设计出具有高度工艺控制能力和可靠性的设备,无论应用场景如何。

感应熔炼

对于许多工艺而言,熔化是生产有用产品的第一步;感应熔化既快速又高效。通过改变感应线圈的几何形状,感应熔化炉可容纳的坯料尺寸范围从咖啡杯的体积到数百吨的熔融金属不等。此外,通过调节频率和功率,英迪克集团旗下公司几乎可以处理所有金属和材料,包括但不限于:铁、钢和 不锈钢合金、铜及铜基合金、铝和硅。感应设备会根据每种应用场景进行定制设计,以确保其效率达到最高。

感应熔化固有的一个主要优势是感应搅拌。在感应炉中,金属坯料通过电磁场产生的电流进行熔化或加热。当金属熔化后,该电磁场还会促使熔池发生运动,这被称为感应搅拌。这种持续的运动会自然地混合熔池,从而形成更均匀的混合物,并有助于合金化。 搅拌程度取决于电炉尺寸、输入金属的功率、电磁场的频率以及炉内金属的种类和数量。如有需要,可根据特定应用要求调节任何给定电炉中的感应搅拌程度。

感应真空熔炼

由于感应加热是利用磁场实现的,因此可以通过耐火材料或其他非导电介质将工件(或负载)与感应线圈物理隔离。 磁场将穿过该材料,在其中的被加热体中感应出电压。这意味着被加热体或工件可以在真空环境或严格控制的气氛中进行加热。这使得对活性金属(如钛、铝)、特种合金、硅、石墨及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,无论批量大小如何,感应加热均可实现精确控制。通过调节感应线圈的电流、电压和频率,可实现精细调控的加热过程,非常适合表面淬火、淬火与回火、退火及其他形式的热处理等精密应用。对于汽车、航空航天、光纤、线材淬火以及弹簧线材的淬火与回火等关键应用而言,高精度至关重要。 感应加热非常适合涉及钛、贵金属和先进复合材料的特种金属应用。感应加热所能实现的精确加热控制是无可比拟的。此外,由于采用与真空坩埚加热应用相同的加热原理,感应加热可在有大气环境下进行连续加工。例如,不锈钢管和管道的光亮退火。

高频感应焊接

当使用高频(HF)电流进行感应加热时,甚至可以实现焊接。在此应用中,熔深非常浅 电位基准深度 这可以通过高频电流来实现。在这种情况下,金属带材会连续成型,然后通过一套 由精密制造的辊子组成,其唯一目的是将成形带钢的边缘压合在一起,从而形成焊缝。在成形带钢到达这组辊子之前,它会先通过一个感应线圈。在这种情况下,电流沿着带钢边缘形成的几何“V”形槽向下流动,而不是仅仅绕过成形槽的外侧。 随着电流沿带材边缘流动,边缘会加热至合适的焊接温度(低于材料的熔点)。当边缘被压合在一起时,所有碎屑、氧化物和其他杂质都会被挤出,从而形成固态锻焊接头。

未来

随着高性能工程材料时代的到来、替代能源的发展以及赋能发展中国家的需求日益增长,感应加热的独特优势为未来的工程师和设计师提供了一种快速、高效且精确的加热方法。