感应加热的方式及其应用

感应加热的方式及其应用

作者：潘春芳 项蔷媛

来源：《中学物理·高中》2014年第01期

电磁感应现象是电磁学的重大发现之一，这一重大发现进一步揭示了电和磁之间的密切联系.电磁感应有着广泛的应用，例如，利用电磁感应可以制成发电机、变压器、高频感应炉等，可以实现磁悬浮列车的高速运行，进行高频焊接等.本文试对感应加热的方式及应用作略一介绍，仅供参考. 1感应加热的方式

感应加热是利用感应电流来使工件加热的.在工业应用中，采用的感应加热方式有两种，一种是有铁芯的感应加热方式（如图1甲），这时被加热的材料相当于次级线圈；另一种是无铁芯的感应加热方式（如图1乙），这时被加热材料相当于芯棒.

由于感应电流有趋肤效应，交变电流的频率越高，趋肤效应越显著，材料的受热层越薄.因而采用感应加热时，要根据加热的目的、要求、被加热物体的材料和尺寸，选择适当的频率.感应加热的电源按频率可分为工频、中频和高频三种.

工频即50 Hz的电源，可直接从供电网中取得，不需要特殊的频率变换装置.中频是50 Hz～10000 Hz的频率.常用的中频频率为500 Hz、1000 Hz、2500 Hz、4000 Hz、8000 Hz、10000 Hz.获得中频电流有两种方法，一种是利用旋转变频机，它是用感应电动机来驱动中频发电机.另一种方法是利用可控硅变频器，它是利用硅整流元件将工频交流变为直流，再利用可控硅元件将直流变为所要求的中频交流.高频电源一般指20000 Hz以上的电源，它是通过电子管振荡器获得的. 2感应加热的应用

感应加热的应用范围很广，主要用于合金钢、铸铁、有色金属的熔炼、钢制零件的表面热处理和焊接等. 2.1金属熔炼设备

用于金属熔炼的感应熔炼炉有：

（1）有芯感应熔炼炉有一个用硅钢片叠成的闭合铁芯，采用50 Hz工频电源.主要用于铜、锌、铝、黄铜、青铜等低熔点金属和合金的熔炼、保温.在铸铁生产过程中，可用于铁水的加热、保温和调整化学成分.有芯感应炉的容量为几百千克到几百吨.

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（2）无芯感应炉的熔炼室一般做成坩埚形状.用紫铜管绕在坩埚四周作为感应线圈.主要用于熔炼钢、铸铁和铜、铝、镁、锌等有色金属及其合金.有工频、中频和高频三种.一般说来，炉子的装料容量越大，所用的电源频率就越低.高频炉的装料容量只有几十千克，输入功率只有几十千瓦，用于熔炼少量的特种合金和合金钢.中频炉容量从几十千克到20吨左右，输入功率可达几千千瓦，用于熔炼钢及有色金属.工频炉主要用于熔炼铸铁.合金钢保温炉的容量可达一百多吨.

将无芯感应炉的坩埚放在真空室里，就成为真空感应炉.炉料在真空中熔炼，可除去材料中的氢、氮、氧等气体，并减少材料的氧化损失.这种感应炉可用于熔炼耐热合金、磁性材料、电工材料、高强度钢和核燃料.大型的真空感应炉容量可达几十吨. 2.2感应加热设备

采用感应加热的设备有透热、淬火、焊接等.金属材料的锻造、冲压、挤压、轧制等热加工之前需要加热，使材料整体被热透，称之为透热.图2是感应透热设备的示意图.这种设备还可以用于金属部件的退火等加工工艺. 2.3感应淬火

利用交变电流的趋肤效应，采用感应加热的方法使金属零件表面加热，随即进行淬火，能使零件表面达到高的硬度、耐磨度和抗疲劳强度，而内部仍保持原有的韧性.利用感应淬火比用一般的火焰淬火加热速度快，零件表面氧化损失少，加工成本低，劳动条件好，已成为机械加工行业主要的表面淬火方法. 3感应加热的相关习题举偶

以感应加热为背景知识，根据中学物理要求，有下列习题可供教学选择使用.

（1）高频感应炉是用来熔化金属对其进行冶炼的，图4是冶炼金属的高频感应炉的示意图.冶炼锅内装入被冶炼的金属，线圈通入高频交变电流，这时被冶炼的金属就能被熔化，这种冶炼方法速度快、温度容易控制，并能避免有害杂质混入被炼金属中，因此适于冶炼特种金属.该炉的加热原理是

A.利用线圈中电流产生的焦耳热 B.利用红外线

C.利用交变电流的交变磁场在锅内金属产生的涡流 D.利用交变电流的交变磁场所激发的电磁场

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（2）图5是利用高频交流电焊接自行车零件的原理示意图，其中外圈A是通高频交流电的线圈，B是自行车零件，a是待焊接口，焊接时接口两端接触在一起，当A中通有交流电时，B中会产生感应电流，使得接口处金属熔化焊接起来. ①试分析说明，焊接的快慢与交流电的频率有什么关系？

②试解释说明为什么焊接过程中，接口处被熔化而零件的其他部分并不很热.

（3）有一种磁性加热装置，其关键部分由焊接在两个等大的金属圆环上的n根间距相等的平行金属条组成“鼠笼”状，如图6所示.每根金属条的长度为L，电阻为R，金属环的直径为D、电阻不计.图中虚线所示的空间范围内存在着磁感应强度为B的匀强磁场，磁场的宽度恰好等于“鼠笼”金属条的间距.当金属环以角速度ω绕过两圆环圆心的轴OO′旋转时，始终有一根金属条在垂直切割磁感线，“鼠笼”的转动由一台电动机带动，这套设备的效率为η.求电动机输出的机械功率.