全屏显示专题章节

实用热处理技术手册

1.6.1.7 4.1.7 感应器

4.1.7 感应器

感应器的功能是把感应加热装置的能量，通过电磁感应原理传输给工件。其设计的合理性对工件的淬火质量和设备的热效率有直接的影响。

1.感应器的设计原则

1）由电磁感应产生的磁力线应尽可能均匀地分布在工件被加热的表面，使其形成的涡流能均匀地加热表面，保持加热温度均匀。

2）遵守感应加热的基本原理，尽可能提高感应加热的效率。

3）感应圈与淬火变压器之间的连接部分（汇流排与连接板）尽可能短，以减小电能损耗。

4）感应器的冷却良好。

5）制造简单，有一定强度，装卸方便。

2.高频、超音频和中频感应器的设计

（1）感应器的结构感应器都用纯铜制造，虽然形状、大小各不相同，但基本结构相同，一般都由四部分组成，如图4-17所示。

1）感应圈是感应器的主要部分，交流电流通过时产生交变磁场，使工件产生涡流而被加热。

2）汇流排（或汇流条、板）将交流电流传输给感应圈。

3）连接板用于连接淬火变压器的输出端和汇流排。

4）供水管用于感应器的冷却或连续淬火时兼供淬火介质用。

图4-17 感应器的结构

1—供水管 2—连接板 3—汇流排 4—感应圈

（2）感应器的设计

1）感应圈的形状应根据工件被加热面的形状、尺寸和所选定的淬火方式确定。

2）感应圈的直径的确定。外圆加热时感应圈的内径d₁按下式确定

d₁=d+2a （4-12）

式中 d——工件直径（mm）；

d₁——外圆加热时感应线圈的内径（mm）；

a——感应圈内壁与工件的间隙（mm）。

内孔加热时感应圈的外径d₂按下式确定

d₂=d-2a （4-13）

式中 d——工件内孔直径（mm）；

d₂——内孔加热时，感应线圈的外径（mm）；

a——感应圈外壁与工件的间隙（mm）。

感应圈与工件之间的间隙越小，电效率越高。一般情况下，工件外圆加热时，间隙为1.5～2.5mm。若间隙大于5mm，则热效率显著降低，所以不要采用较大的间隙。但当工件形状复杂或要求淬硬层加深时，可采用较大的间隙。感应圈与工件之间的推荐间隙如表4-18所示。

表4-18 感应圈与工件的推荐间隙（单位：mm）

3）感应圈的高度h。同时加热淬火用的高频单圈感应器高度不宜过高，一般情况下高度h≤15mm。内侧敷铜板的单圈感应器的高度h为15～30mm。感应器的高度还与工件的直径和形状有一定的关系，如表4-19和表4-20所示。

表4-19 同时加热淬火用的高频单圈感应器高度

表4-20 不同条件下的感应器高度

4）感应器的壁厚。根据感应器的工作条件，感应器分为加热时通水和加热时不通水两种。后者的壁厚要比前者厚一些，且加热时间不得过长，否则容易引起感应器发热。不同频率下感应器的壁厚如表4-21所示。水压为0.1～0.2MPa时感应器所用铜管的规格如表4-22所示。

表4-21 感应器的壁厚

表4-22 水压为0.1～0.2MPa时感应器所用铜管的规格

5）感应圈的截面。感应圈的截面形状根据工件形状选取，常见感应器的截面形状如图4-18所示。各种截面可由圆形铜管拉制而成。截面形状对淬硬层的分布有一定的影响，比较圆截面、正方形截面和矩形截面三种情况，矩形截面最好，圆形截面最差，且矩形截面的冷却条件最好。

图4-18 常见感应器的截面形状

6）感应器的圈数。一般情况下感应器均为单圈，特别是工件直径较大时更是如此。当工件直径较小，而淬硬区轴向长度较长时，可做成双圈或多圈，但应注意加热面积不得大于设备允许的加热面积。

7）感应器的喷液孔。连续加热淬火自喷式感应器的喷液孔数据如表4-23和表4-24所示。同一感应器上各喷液孔中心线与工件轴线夹角应保持一致，以保证冷却均匀。高、中频感应器喷水孔的尺寸及排列方式如图4-19所示。

表4-23 连续加热淬火自喷式感应器喷液孔数据

表4-24 不同淬火介质自喷式感应器喷液孔直径

图4-19 高、中频感应器喷液孔的直径及排列方式

8）汇流条与连接板。为减少能耗，降低汇流条的感抗和电阻，应尽可能缩短其长度并减小其间距。汇流条的间距一般为1～3mm。

在深孔连续淬火时，为提高加热速度和减少能量损耗，最好采用同心式汇流条，如图4-20所示。

图4-20 采用同心式汇流条的连续淬火感应器

1—内导电管 2—外导电管 3—导磁体 4—感应圈 5—黄铜定位螺钉

9）感应器的供水情况。感应器冷却水的压力为0.10～0.2MPa。淬火介质的压力为0.15～0.4MPa，一般进水管的面积是喷水孔总面积的1.5倍以上。喷水孔的总面积越小，喷水速度越快，冷却速度越快且越均匀，工件硬度也越均匀。

10）感应器的焊接。感应器一般采用铜焊，焊接时注意不要将铜液吹入铜管中，以免水流不畅或堵塞。焊后应试水，再用锉刀修理、打磨，并整形。最后，有条件的话，还可以搪瓷或涂绝缘漆（连接板接触面除外），以防使用中触碰工件引起短路，击穿感应器或烧坏工件。

12）感应器的机械强度。感应器在通电时有电磁力的作用而且在使用中也可能磕碰，容易引起变形。因此，感应器应有足够的机械强度。中频、超音频感应器因电流大，电磁作用强，所以要求的机械强度更高。

13）导磁体。在内孔和平面感应加热时，由于环流效应和邻近效应的作用，加热效率很低。在感应器上安装导磁体后，利用其缺口效应将电流“驱赶”到导磁体开口部位的感应器表面，使环流效应与邻近效应相一致。同时，磁力线通过磁阻很小的导磁体形成闭合回路，可大大减少磁力线的逸散，从而使内孔与平面感应加热的效率大大提高。

导磁体一般由磁导率高、磁阻小的材料制成。高频感应器的导磁体用铁氧体制造，中频、工频感应器的导磁体用硅钢片制作。为了减小导磁体额外的功率损耗，导磁体材料的厚度必须小于电流透入深度，否则会严重发热。导磁体的材料和规格如表4-25所示。

14）屏蔽。在感应淬火时，为防止漏磁场对淬火部位的邻近部分加热，可在感应器上设置屏蔽。轴类工件的屏蔽体通常为圆环状，屏蔽环为铜质或钢质，如图4-21所示。铜屏蔽环厚度：高频为1mm，中频为3～8mm。采用钢屏蔽环时，应在环上开许多槽，以切断涡流的通路，不致使屏蔽环被加热。槽的尺寸：宽为1.5mm，深为12mm，按15°等分。以上两种方法可以单独使用，也可同时使用，同时使用时效果更佳。

表4-25 导磁体的材料及规格

图4-21 屏蔽环工作原理

a）铜环屏蔽 b）钢环屏蔽

1—绝缘体 2—环 3—轴 4—感应器

3.工频感应器的设计

工频感应器也分为同时加热感应器和连续加热感应器，按电源不同分为单相感应器和三相感应器两类，如表4-26所示。感应器的工作特性如表4-27所示。

表4-26 工频感应器的分类

表4-27 工频感应器的工作特性

工频感应器主要由感应圈、导磁体、绝缘体和水冷系统等组成，其结构如图4-22所示。

图4-22 工频感应器的结构

a）单相工频感应器 b）三相工频感应器

1—钢板 2—石棉板 3—胶木板 4—感应圈 5—导磁体 6—绝缘体

1）感应圈。加热部分为圆柱体时，感应圈内径

D_i=d+2a （4-14）

式中 D_i——感应圈内径（mm）；

d——工件外径（mm）；

a——线圈与工件之间的间隙（mm），a一般取10～50mm。

感应圈匝数W可按下式计算：

W=K/I （4-15）

式中 K——常数，32000～60000，一般为45000；

I——感应器电流（A）。

线圈匝数也可用类比法按下式求得：

式（4-16）中的P₁、U₁、D₁、h₁、W₁与P₂、U₂、D₂、h₂、W₂分别为已经使用成功的感应器和新设计感应器的功率、电压、内径、高度和匝数。

感应圈用纯铜管制造。管径和壁厚根据允许通过的最大电流密度计算，一般为20～40A/mm²。感应圈的出水温度应低于70℃。为保证充分的冷却，应有足够的冷却水量，可将线圈的3～5匝分为一组，再将各组并联起来，构成水冷回路。

2）导磁体。导磁体为厚度b_i≤0.5mm的硅钢片。硅钢片数

式中 K——硅钢片的安装紧密度系数，一般为0.85；

D_i——线圈内径（mm）。

所需硅钢片总有效导磁面积A按下式计算：

式中 U——变压器二次侧电压（V）；

A——总有效导磁面积（mm²）；

W——线圈匝数；

f——频率（Hz）。

当U=380V、f=50Hz时，A=1.71×10⁶/W（mm²）。

通常，将硅钢片分为8～12组，每组分别用螺钉紧固，构成块体，再将块体固定在感应圈上。

3）电绝缘和热绝缘。线圈的匝间绝缘方法有以下几种：①包扎多层玻璃布带；②包扎细布带后浸绝缘漆；③包扎云母带，外扎白布带，铜管间用云母片隔开；④包扎一层塑料布，两层玻璃布，一层白布带。

为了防止工件的热辐射，线圈与工件之间的热绝缘方法可采取以下方法：①用三层厚度为5mm的石棉板隔开，总厚度约为15mm；②用耐火陶瓷异形砖隔开；③在线圈上抹涂料，涂料成分为：质量分数50%的隔热砖粉+质量分数20%的石棉粉+质量分数15%的耐火泥+质量分数15%的水泥耐火涂料，或MgO、锯末、石棉粉各一份（质量份），用适量液体和氧化镁调成糊状即可。

4.常用的感应器

感应器按电流频率可分为高频、中频和工频感应器；按加热方法可分为同时加热和连续加热感应器；按形状可分为圆柱外表面加热、内孔表面加热、平面加热及特殊形状表面加热等感应器。

（1）常用的高频感应加热感应器（见表4-28）

表4-28 常用的高频感应加热感应器