电磁感应加热技术及其在材料加工中的应用

1890年瑞典人发明了开槽式感应熔炼炉。1916年闭槽式有芯炉在美国诞生，感应加热技术进入实用化阶段（1921年无芯炉在美国出现）。随着晶闸管的出现， 20世纪30年代工频炉问世，当晶体管诞生后，50年代国外就有了中频感应加热应用，在我国70年代后期开始在中频加热领域得到应用；在场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）研发成功后，我国于90年代中期在超音频波段得到应用^[1]。近十年来电磁感应加热技术得到快速发展并成为现今工业领域和民用设备中最广泛的一种加热方式，采用电磁感应加热技术使被加热的工件表面形成涡流来直接加热工件，既提高了加热效率，又杜绝了明火在加热过程中的危害和干扰，这是一种清洁环保、高效节能的加热方法，成为国家支持和提倡的加热方法。

1 电磁加热原理

电磁加热技术是将380V，50Hz的交流电转换成频率为20-30kHz的高频高压电，高速变化的高频高压电流流过线圈会产生高速变化的交变磁场，当磁场内的磁力线通过导磁性金属材料时会在金属体内产生无数小涡流，涡流使容器金属体内的原子高速无规则运动，原子互相碰撞、摩擦而产生热能，金属材料本身自行快速发热，从而起到加热物品的效果。电磁感应加热是电热变换的一种形式，这种运用感应涡流的热效应进行的加热的方法就称为电磁感应加热^[2]。

根据设备所输出的交变电流的频率高低不同，可将感应加热技术按工作频率分为五类：低频感应加热，中频感应加执为，超音频感应加热，高频感应加热和超高频感应加热^[3]。

由于交变电流在导体中流动时存在着集肤效应，即：当交变电流通过导体时,电流将集中在导体表面流过。由电流的透入深度公式可以看出，电流的透入深度与电流的频率f成反比^[4]。因此，这五种感应加热方式便有了不同的特性。

1.1特性比较：

低频感应加热方式：频率最低，工频范围在50HZ至1KHZ左右。相对加热深度最深，加热厚度最大，约10-20mm，主要用于对大工件的整体加热、退火、回火和表面淬火等^[5]。

中频感应加热方式：工频范围一般在1KHZ至20KHZ左右，典型值是8KHZ。加热深度、厚度约3-10mm。多用于较大工件，大直径轴类，大直径厚壁管材，大模数齿轮等工件的加热、退火、回火、调质和表面淬火及较小直径的棒材煅压等。

超音频感应加热方式：工频范围一般在20KHZ至40KHZ左右（因为音频频率为20HZ至20KHZ左右，所以称它为超音频。），加热深度、厚度约2-3mm。多用于中等直径的工件深层加热、退火、回火、调质，较大直径的薄壁管材加热、焊接、热装配，中等齿轮淬火等。

高频感应加热方式：工频范围一般在40KHZ至200KHZ左右，常用40KHZ至80KHZ。加热深度、厚度，约 1-2mm 。多用于小型工件的深层加热、红冲、煅压、退火、回火、调质，表面淬火，中等直径的管材加热和焊接、热装配，小齿轮淬火等。

超高频感应加热方式：频率相对最高，工频范围一般200KHZ以上，甚至可高达10MHZ。加热深度、厚度最小，约0.1-1mm。多用于局部的极小部位或极细的棒材淬火、焊接，小型工件的表面淬火等。

1.2电磁感应加热的方式与普通电阻加热圈加热方式的比较

普通电阻加热圈加热方式：

A、只有将所耗电量的 30-70% 转化为有效的工作热能。

B、加热时必须通过相互接触的方式来传递热能。

C、加热及冷却时都有热惯性现象产生，使升温和降温都缓慢，缩短了有效工作时间。

D、电阻加热区有死角，温度很难控制均匀。

E、加热圈温度高，损耗大，寿命短。

电磁感应加热方式：

A、能将所耗电量的 95% 转化为工作热能。其中电磁线圈损耗≈2%, 控制单元损耗≈2%, 良好设计的绝缘隔热层可以将98%的能量保留在被加热的物体上^[6]。

B、只加热最靠近电磁线圈的外面构件，内部的构件能保持冷态。

C、有效消除了加热和降温时的热惯性现象，升温和降温迅速高效，延长了设备的有效工作时间；

D、只要电磁线圈设计合理，就能使加热区无死角，做到被加工件均匀加热；

E、电磁线圈温度很低（小于70度），因此寿命超长，工作环境得到改善。

2应用领域

电磁感应加热技术广泛应用于塑料橡胶制品、化工、医药、食品、能源、印刷、建筑型材等行业的加热节电方向，其中在塑料橡胶制品的加工成型中的应用如：塑料拉丝、吹膜、造粒、注塑等加热部件。电缆生产挤出机、挤塑机、热塑性塑胶管材、型材生产等加热部件以及以电磁加热为基础出现的一些应用在橡塑制品成型加工中的设备。设备经电磁感应加热产品改装后节电率一般均超过40%以上^[7]。

2.1电磁感应加热在注塑机上的应用

由于现阶段的注塑机普遍采用电阻丝绕制方式加热料筒，发热圈的内外双面均发热，而实际上只有其内壁发出的热量通过热传导加热料筒，其外表面温度高达400℃，所产生的热量大部分散失到空气中，使车间温度不断升高，员工工作环境恶劣，又因为许多车间地处南方，为了车间降温又增加空调的间接能耗。

电磁感应加热作为塑料机械市场的一种新型加热方式。它打破了传统的电阻丝方式加热。采用磁场感应电流的加热原理，通过电子线路板产生交变电流直接作用到包裹在钢铁制成的料筒外的电磁线圈，通过电磁线圈产生的高频磁场，使铁基的料筒对应产生了高频交变电流（涡流），因这种涡流而产生热能，加热了料筒自身。因此电磁感应加热的方式是：使料筒本身发热而不是由电阻丝加热圈发热传导给料筒，因此其热效率要比传统的电阻丝加热圈的效率均高出近1倍,工作原理如图1所示。加热后的料筒融化了塑胶原料，从而达到生产塑胶制品的目的[8]。

注塑机采用电磁加热圈后，有升温速度快、热量利用效率高、无外表面的高温（它所产生的磁场只对铁质的料筒起作用，自身温度并不高）、对周围环境几乎不产生热扩散、不会烫伤人、安全性好和外观美观、安装和维护方便等优点，能完全胜任各种塑胶原料的加温要求，因此是一种值得广泛普及的好方法。

注塑机电阻丝加热改用注塑机专用电磁加热控制以后有以下几种优点：

1.节能降耗、降低用电成本40%左右。加热圈的保温棉，将热量包裹其中，能量损失较小，故接触器通断率下降，从而节能。

2.降低车间的温度3-6摄氏度，节省空调耗电。由于保温棉的作用，将热量包裹其中，故车间温度降低，提高员工舒适度，如果是空调车间，则缩短了空调压缩机的工作时间，从而达到二次节能。

3.塑化效果好，加热效率高，提高了产品质量、产量。料料筒内部自身加热，加热速度反应快，塑化能力增强，加热均匀。

4.相对降低了注塑机油压泵的油温，延长机器使用寿命。由于发热圈本身不发热，是靠涡流使料筒螺杆铁分子高速无规则运动，分子互相碰撞、摩擦而产生热能，热能瞬间到达，热效率大大提高，当塑胶原理从下料口进入，电脑发出信号后，电磁加热器马上工作，线圈通电后即时对料筒及螺杆进行加热，将剪切抗力和摩擦力降到最低，从而减少了电动机的负荷，降低了油压泵的油温，延长了机器使用寿命。

5.车间环境改善、减少了热辐射，安全。电磁加热圈外部有一层可耐温1000摄氏度的保温棉，确保表面50摄氏摄氏度以下，且表面光亮坚固，不会烫伤人，安全系数高。

2.2电磁加热在连续挤铅机上的应用

YQL-150/5型连续挤铅机主要用于电线电缆包复铅护层及线缆硫化生产。主要设备是：熔铅保温炉、挤铅机主机、冷却系统、油润滑系统、流量控制系统、输铅管、行走式被动放线架、张力控制系统、履带式前、后牵引机、行走式收排线架、剥铅机、铅片输送机、电控系统等。

考虑在实际使用中电阻丝加热管加热温度上升速度缓慢、温度控制容易过冲（热惯性大）、电阻丝容易损坏，每次电热管损坏要更换还得破坏外部保温层，严重影响设备性能和外观。为了改变电阻丝加热的缺点，本次改造主要是对原设备电加热部分进行电磁感应加热改造。原设备实际加热功率为240KW，其中本次电加热要改造部分为模座、机身和Ω管道加热三个部分设计总功率为76KW。对于挤铅机的电磁感应加热改造，以前还没有实际改造经验，但对于电磁感应加热在塑料挤出机上的应用已经积累了多年的改造应用经验。因此，按照电磁感应加热的特点，在挤铅机上各部位的应用的实际加热功率可以是原电阻丝管加热功率的70%左右,即可以满足和达到原挤出机的加热效果。同时由于采用了电磁感应加热方式，挤铅机的加热部分可以实现节约电能、减少设备维护量、改善工人工作环境，提高产品质量等效果，同时，由于电磁感应加热的热效率达90%以上，经过改造后的设备电加热部分耗电可以节约30%至50%，因此，在提高经济效益的同时还有利于提高整个企业变电站的供电利用率。挤铅机原有冷却方式维持不变，具体电磁感应加热功率配置如下表1所示。

表1 电磁感应加热功率具体分布情况

本系统共7个加热区。加热区和和模块对应关系为：模座2个温区对应3个10KW加热模块；机身2个温区对应3个6KW加热模块；Ω管2个温区对应6KW2个模块。功率发生器需要使用380VAC/50Hz的电源供电，其自带多种保护功能，具有过热、过流，欠压自动检测保护措施，安全可靠。通过自诊断功能显示出错信息，所以具有很高的可靠性和实用性。每个加热区相互独立，在安装完毕后，接通电源，只需要对每个控制器进行简单操作即可实现开机加热。加热区的温度通过原有PID温度控制器采集，并由PID温控器发出控制信号直接输入到电磁功率发生控制器并根据该输入信号判断是否控制加热线圈产生电磁场并输出功率以达到挤铅机按预设温度加热的目的。

2.3电磁加热技术在小型蒸汽锅炉上应用

最近由于对环保的要求更高了，很多原来燃煤和燃气的小锅炉被关闭了，采用电阻丝加热的小锅炉由于加热速度慢，热惯性大也暴露出种种弱点，因此采用电磁感应加热技术的超高速绿色智能蒸汽发生器（如图2所示）异军突起占领了许多需要蒸汽，用蒸汽量又不是很大的企业（如服装厂需熨烫），医院（需消毒灭菌），学校等场所。

超高速绿色智能蒸汽发生器主要由炉体、电磁控制器和加热线圈组成。电磁控制器将工频交流电整流、滤波、逆变成20—30KHz的高频交流电，通过连接线接到电磁加热圈上，高频交流电产生高频交变磁场，透过保温材料作用于炉胆上，炉胆金属内部产生涡流效应，使炉胆本身发热，从而达到加热炉胆内水的目的，使水汽化，最终产生高温蒸汽。超高速绿色智能蒸汽发生器是通过电磁感应原理使金属炉胆自身发热，炉胆外部包裹一定厚度的隔热保温材料大大减少了热量的散失，提高了热效率，因此节电效果显著。 

超高速绿色智能蒸汽发生器特点 ：    

(1)功率密度大，热效率高，能在短时间内产生蒸汽（4分钟），比传统电阻丝加热更加节能。

(2)采用单元式组合蒸汽发生器装置，可根据需求配置不同单元机组，不会造成能源浪费。

(3)采用优质成熟的电磁加热控制方式控制蒸汽发生器，（热--磁—电 ）有隔离防护设计以保证人身安全。

(4)显示与控制采用触摸屏人机交互的控制方式，直观、简捷、大方。

(5)占地少，安装维护方便。

(6)无噪音无任何污染。

(7)全自动操作，安全可靠，并具有缺水与超压保护装置。

(8)外观色彩轮廓较为美观大方。

表2燃煤锅炉、电阻丝加热锅炉及电磁加热蒸汽发生器性能对比

2.4电磁感应加热在压铸熔炉设备上的应用

原始的烧柴油的熔炉对车间污染大，还要辅设管道排烟，熔炉内外的热量都大量散发在车间内，所以导致车间温度过高。原始的电炉状况也是如此，大部分散失到空气中，存在热传导损失，同时造成环境温度升高。传统电炉加热方式是采用电阻丝发热，电阻丝长期在高温恶劣的环境中使用将会氧化从而降低它的使用寿命。采用电磁感应加热技术改造后，在很多方面有了很大的提升（如图3、4所示），表3中列出了不同加热方式的熔炉数据对比[10]。

1、节约电能和降低环境温度。采用电磁感应加热方式时，是通过磁场磁力线使坩埚自身发热，以减少热传导损失，因此环境温度大幅度降低。经过实验测试和改装之后对比，节电效果在30%-50%。

2、加热迅速，温度控制实时准确。电磁感应加热方式是通过磁场磁力线使坩埚快速发热，使锌合金快速熔化。温度控制实时准确，明显改善了产品的质量和提高了生产效率！

3、使用寿命长 ，维护简单。电磁加热线圈本身不发热，而且是采用绝缘材料和高温电线绕制，所以使用寿命长和且无需维护。

4、功率密度大。电磁感应加热随着技术的发展和成熟，元器件生产工艺和技术的提升，软件的可靠保护等，目前功率可以做到30-200KW。

5、安全可靠。采用电磁感应加热，可以使机器表面温度降低，人体可以安全触摸，避免传统加热方式而造成的烧伤、烫伤事故的发生，保护了员工的生产安全。

电热管熔炉

3.总结

1.电磁感应加热技术是将交流电转换成无数小涡流从而使线圈中的金属材料快速产生大量热的一种加热方式。

2.电磁感应加热中的频率与透入深度成反比，根据透入深度可分为五种不同的电磁感应加热方式。

3.电磁感应加热的热转换效率高，能量利用率高。

4.电磁感应加热在注塑机上应用节能40%，并且提升产品质量，改善工作环境。

5.电磁感应加热蒸汽发生器替代燃煤小锅炉，超高的加热效率，4min钟内出蒸汽。

6.电磁感应加热技术用在压铸熔炉上可实现高效节能的作用，同时大大改善车间环境。

参考文献

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[2]张长友,张锁怀.感应加热在曲轴红套工艺中的应用[J].节能技术,2011,(5): 36-40.

[3]张玉英,王永宏,赵国相.中频感应加热装置的结构及工作原理[J].石油矿场机械,2004,33(4): 81-82

[4]傅正博,感应加热与节能[M].北京:机械工业出版社,2008

[5]杜全国. 全电动注塑机电热圈加热和电磁加热的性能分析[J], IT Time Weekly,151-154

[6]陈鹏. 基于电磁加热技术的电容沥青自动光装机的研究与实现[D].辽宁：辽宁工程技术大学，2009

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[8]侯建华. 感应加热在注塑成型中的应用[D].苏州：苏州大学，2010

[9]张化福. 电磁感应加热蒸汽发生器的开发与研究[D].北京：北京化工大学，2013

[10]王鑫. 穿梭式镁合金半固态压铸成形装置及成形工艺[D].大连：大连交通大学

(摘自压铸注塑装备能效提升研讨会会刊)