编者按：本刊从今年第一期开始，以技术讲座的方式刊登由李韵豪同志撰写的《锻压工业中的感应加热》系列文章。将分别介绍感应加热的基础、感应加热的电流频率、功率、加热时间的确定及螺线管感应器等匝距及变匝距的设计和计算、整流变压器的选择和电源配置、电网谐波分析及抑制措施；以及碳钢温锻、冷切感应器的设计计算，铝坯料、铜坯料感应器的设计计算，空心圆柱体加热感应器的设计计算，局部U形、矩形、多工位感应器的设计计算，方形、异形及变断面感应器的设计与计算等；最后还将介绍锻压工厂采用感应加热的设计要点及感应加热设备的正确操作维修与管理、锻压工厂采用感应加热的经济技术分析等。本文浓缩了作者多年的、宝贵的从业经验，读者阅后可以参照相关内容和例题进行锻压工厂感应加热设备的规划和选型，对感应加热设备进行操作、维修和管理，并可对感应器进行必要的设计、计算。敬请关注!
一、感应加热的特点
感应加热没有诞生前，火焰炉是锻压工业加热的惟一选择。其实，如果单纯从经济性来说，火焰炉要优于任何电加热包括感应加热设备。这是因为，从电的发生到坯料被感应加热，要经过多次的能量转换，而每次转换都伴随着损耗。以火力发电为例，从燃料燃烧获得的热能转换为机械能和电能会损耗一部分能量；电能从发电厂出来到达感应加热设备的途中，一部分电能也在升、降压变压器、高、低压传输线中转变为热能而消耗掉；剩下的电能在感应加热设备中转变成磁场能，磁场能转化为热能使坯料加热，又带来新的损耗( 见图1) 。
但是，在锻压工业中，坯料的加热采用感应加热相对于火焰炉加热具有以下两个特点。
1. 高的单位功率和短的透热时间
感应加热具有高达500 ～1000k W/ m2 的单位功率( 由于坯料中可建立起高的磁通密度和一定量的有效加热层深) 和短的透热时间( 由于热发自坯料自身) 。这一特点给锻造坯料的加热带来的好处是：
( 1) 加热速度快，即使在空气中加热，坯料表面的氧化、脱碳也非常少。锻后的零件有合理的流线分布,它可以使坯料获得较高的疲劳性能。用火焰炉加热，其氧化皮量为3 % ～4 % ，而感应加热可控制在0. 05 % ～0. 5 % ； 感应加热在加热区没有燃料生成物，因而可以获得比较洁净的坯料，这对坯料高品质制造是一个非常有益的因素。
( 2) 短的加热时间有利于局部加热。加热区温度可以迅速建立，温度过渡区比较窄，既减少了电能的损耗，又利于有些局部加热工件的锻压成形。
( 3) 节能、节材。
( 4) 短的加热时间，使感应加热便于提高生产率,降低生产成本。
( 5 ) 加热速度快，时间短，所获得的奥氏体晶粒细。感应加热的工件具有非常好的金相组织。
( 6) 设备启动快。火焰炉中有许多耐火材料，启动时吸收大量热能，即装置的热损大。不工作时，也必须维持一定的温度。
( 7) 加热速度快，氧化皮生成极少，使模具寿命延长( 有资料表明，仅由于感应加热氧化皮减少一项，可以使模具寿命提高30 %) 。
2. 可重现性
感应加热具有可重现性，即对给定的坯料规格、材质、始锻温度和节拍，感应加热所需功率基本恒定。因此，可以用节拍来确定精确的加热温度，工艺重复性好，产品品质稳定。该特点给锻造坯料的加热带来的好处是：
(1) 由于设备紧凑，功率可调，感应加热设备可以同锻压设备组成生产线，做到同步生产。
(2) 采用感应加热方式在特定的功率、节拍条件下可以有效地防止坯料加热温度不够或过烧，从根本上保证锻件质量。
(3) 便于同计算机、测温装置( 如红外测温仪) 、PID 控温装置及半导体变频器( 如SCR、IGBT、MOSFET变频器) 等组成一个闭环的温度控制系统，以实现温度的精确控制及自动化，确保产品品质稳定。
(4) 便于锻压工厂实行现代管理体系。
上述特点以及由此带来的环境和劳动条件极大改善、人力节省和生产占地减少等，使感应加热完全符合现代化生产的3S 标准( SURE 可靠、SAFE 安全、SAVING节约) 及3C 标准( COOL 低温、CLEAN 清洁、CALM安静) 。完全有理由这样说：感应加热是当今坯料锻造加热的最理想的手段，特别是对品种相对单一、批量特别大的坯料。nextpage
二、感应加热的基本原理
感应加热基于两个基本物理现象：法拉第电磁感应和焦耳效应( 见图2) 。当线圈中通过交变电流I 1 ，则线圈周围空间建立起交变磁场。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；
——磁通量；
t ——时间；
式( 1) 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。
当其他参数不变时，功率P 与频率f 成正比。因此，提高频率，在相同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。
三、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，并以指数函数的规律向心部衰减，这种现象称之为趋肤效应。趋肤效应产生的原因：当在金属坯料两端施以交流电压U 时，则金属坯料内建立起交变电场。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i 2 > 心部电流密度i 1 。电流密度沿表层分布见图3 ，可由下列公式表达：
式中 I ——离表面距离为X 处的电流密度有效值；
I 0 ——表面处的电流密度有效值；
Δ——电流透入深度。
由于功率与电流是平方的关系，故：
如图4 所示，可以看到约有63. 2 %的电流在厚度为Δ的表面层内流动，86. 5 % 的感应功率在Δ的表面层内转化为热能。
nextpage
可将电流透入深度Δ内的电流视为直流，这就大大简化了感应加热的计算。经电磁理论推导，可求出：
式中 ρ———金属坯料的平均电阻率，Ωm；
μr———金属坯料的相对磁导率；
f ———电流的频率，Hz 。
(2) 邻近效应 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( 见图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。
如两平行导体的电流在任何瞬间方向相同( 见图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，这种现象即是圆环效应( 见图6) 。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。这也是为什么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，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。
(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，坯料系统的作用表现为趋肤效应， 两者之间是邻近效应和端部效应。
