当导电材料暴露在磁场中时,材料中会产生涡流。这种现象被称为 "感应加热"。涡流集中在材料表面。
材料中的热量是由感应涡流产生的。当导体回路周围的磁通发生变化时,回路中会产生感应电动势。同样,当导体暴露在交变磁场中时,也会在电磁感应作用下产生感应电动势,从而在导体中形成感应电流或涡流。
这些感应电流克服导体本身的电阻,产生焦耳热。这些热量被用来加热导体本身,使其升温、熔化,实现各种热加工目的。这就是中频感应加热的原理。
感应加热过程的物理原理非常简单。交流电在螺线管或线圈中流动,产生瞬态磁场。根据麦克斯韦方程,该磁场会在附近的导体材料中产生电流(涡流)。由于焦耳效应,导体材料中产生热量,达到被加热金属的熔点。通过调整电流参数,可将熔融金属保持为液态或精确控制其凝固。
产生的涡流与金属的电阻率相反,从而产生精确的局部热量,而零件与感应器之间没有任何直接接触。磁性和非磁性部件都能产生这种热量,这就是通常所说的 "焦耳效应"。
除焦耳效应外,磁滞还会在内部产生额外的热量。磁性部件在通过电感器时会产生内部摩擦。磁性材料自然会抵制感应器内部快速变化的磁场,产生内部摩擦,从而产生热量。
感应炉的工作原理是用一个非导电坩埚盛放要熔化的金属,坩埚周围绕以铜线。强大的交流电流经铜线,产生一个快速反转的磁场,穿透金属。该磁场在金属内部产生涡流,通过焦耳热加热金属。在铁磁性材料(如铁)中,材料还可以通过磁滞来加热,这涉及金属中分子磁偶极子的反转。涡流还能使熔体剧烈搅拌,确保充分混合。
感应加热的一个优点是热量由炉料本身产生,而不是由燃烧的燃料或其他外部热源提供。这对于需要考虑污染问题的应用尤为重要。
当炉料熔化时,磁场和感应线圈中的电流相互作用,在熔融金属中产生搅拌作用。这种搅拌作用迫使熔融金属从中心向上升起,在表面上形成特有的半月形。搅拌作用的程度取决于应用的功率和频率、线圈的尺寸和形状以及熔融金属的密度和粘度等因素。搅拌作用对于混合合金、熔化镟屑以及实现整个熔炉的温度均匀性非常重要。但是,过度搅拌会导致气体吸入增加、炉衬磨损和合金氧化。
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