第一讲 感应加热原理与感应熔炼电炉特点
第一讲 感应加热原理与感应熔炼电炉特点
目录
第一讲 感应加热原理与感应熔炼电炉特点感应电炉的分类（1）按照有无铁心（2）按照频率划分（3）按照用途分
感应电炉的主电路组成感应熔炼电炉特点（1）具有高功率密度（2）可重现性（3）总结
感应加热基本原理（1）电磁感应定律，产生感应电动势（2）感应电动势有效值计算（3）感应电动势有效值产生的对应功率计算（4）产生电流后的金属热量计算 - 焦耳定律（5）注意点 - 磁性材料可能导致的额外加热
感应电流电磁效应（1）趋肤效应（2）邻近效应（3）圆环效应（4）端部效应（5）四个效应的总结
感应熔炼电炉设计与感应器参数计算程序与方法（1）感应熔炼电炉设计 - 感觉看了没啥用，粗粗的讲了下。（2）感应器参数计算程序与方法 - 感觉看了没啥用，粗粗的讲了下。
有关感应熔炼电炉设计与制造的国家标准、行业标准参考
感应电炉的分类
（1）按照有无铁心
感应电炉按照有无铁心，分为：
有心感应电炉（沟槽式感应电炉）。无心感应电炉（坩埚式感应电炉），无心感应电炉又分为两类：
真空炉非真空炉（平时默认无心感应电炉为该类）
（2）按照频率划分
有好几种分法，也不必过于纠结怎么分，目前也还用不到。
（3）按照用途分
按用途分，对炉料进行不同操作的炉子分为：
感应熔炼炉：用于炉料的熔炼。感应保温炉：用于炉料的保温。感应浇注炉：用于炉料的浇注。
感应电炉的主电路组成
中频无心感应电炉的主电路分为两类：
并联逆变电路：指逆变器输出的电压是并联的，多个逆变器在同一电压下运行。这种设计适用于需要多路独立功率输出的情况。串联逆变电路：指逆变器的输出电压串联在一起，通过级联的方式提高输出电压。这种设计通常用于电炉需要较高电压的场景。
多路输出变频装置由同一台 （组）整流器向多台逆变器供电，形成多路彼此独立的中频功率输出，给处于熔炼或保温的多台中频无心感应电炉同时供电的装置（即所谓“一拖 二”“一拖三”等）。
注解：
逆变器：逆变器是一种电子设备，其作用是将直流电（DC）转换成交流电（AC）。整流器：将交流电（AC）转换为直流电（DC）。“一拖二”、“一拖三”：这种表述表示一台整流器可以向多个逆变器（例如两台或三台）供电，从而实现多个中频无心感应电炉同时加热的功能。比如，一台整流器能够同时为两台（“一拖二”）或三台（“一拖三”）电炉提供电力支持。每台电炉独立运行，互不干扰。疑问：为什么不直接用电源交流电施加给感应电炉进行熔炼，而是先整流，再逆变给交流信号？
解答：因为逆变器有个非常大的作用就是，在把直流电转化为交流电的时候可以提高电流的频率，从而达到电磁炉加热（中高频为1kHz ~ 数十kHz）的要求，如果直接用，那频率（电网假设为50Hz）不够。同时我自认为这样也安全，只是需要部分的频率高，在电信号传输的过程全为低频信号，那么对于工人而言发生事故的概率也小很多。至于一拖二、一拖三，单纯是这样够了，可以促进资源的合理利用。拖的逆变器太少，要的经费多，拖的逆变器太多可能会导致满足不了电磁炉的要求。
感应熔炼电炉特点
感应电炉，是从火焰炉不断发展过来的。
火焰炉：比较的经济，便宜，直接（主要是因为经过的路径比较短，直接产热，并且烧的原料也便宜），但是存在各类污染吧，被整治后，开始慢慢减少。感应电炉：损耗资源多，多次能量转换，电能(交直流转换，高低压转换，高低频转换等等) -> 磁能 -> 热能，相对也比较容易监控等等吧，比如根据电压电流可以进行推理监控等等。
尽管如此，由于感应熔炼电炉的下述特点，且 随着发电量的增长及电源设备、计算机、电力电子技术的不断进步，感应熔炼电炉还是得到了越来越广泛的应用。
（1）具有高功率密度
高功率密度使被加热金属自身感应产生足够大的电流，使金属熔化；电磁力使金属熔液搅动。
注解：
功率密度（Power Density）：指的是单位体积或单位面积上的功率输出。在中频无心感应电炉的应用中，功率密度越高，意味着单位体积的金属能吸收更多能量，加热更快、更高效。电磁搅拌作用：由于感应电流流动会形成洛伦兹力（电磁力），它会推动金属熔液流动，使熔池内的液态金属不断翻滚；高功率密度的电磁力更强，使金属熔液搅拌更充分。结论：综合上述两点，可以发现加热金属利用这个会变得简单，因为如果想要火烧，不同熔点的金属可能需要达到特定的温度，现在可能相同的功率，可能两个都能融化啥的。
（2）可重现性
感应加热具有可重现性，即只要给定金属的材质、熔化温度、浇注温度及熔炼时间，感应熔炼炉所需的功率就基本恒定，因此可以用作业时间确定精确的熔化温度，工艺重复性好，铸件品质稳定。不像火烧，就很难控制，可能受各类环境，操作的影响导致很难复现。
（3）总结
上述两特点，给电磁感应加热带来了很多的好处，但是同时也带来的坏处：以无心感应熔炼炉熔炼铸铁为例：由于炉渣导电性低，受电磁场加热作用小，炉渣的加热主要是由铸铁熔液传导过来的热量，炉渣温度低，它的反应能力也就减弱。炉渣吸收了能量，会降低系统的总效率。
坏处：即炉渣不受热，热传导光吸收金属的热量，导致效率的降低。
感应加热基本原理
（1）电磁感应定律，产生感应电动势
含义：磁通量发生改变导致产生感应电动势：
ε
=
d
ψ
d
t
\varepsilon = \frac{d\psi}{dt}
ε=dtdψ
其中：
ε
\varepsilon
ε —— 闭合回路中感应电动势瞬时值（V）；
ψ
\psi
ψ ——
ψ
=
n
Φ
\psi = n\Phi
ψ=nΦ，匝数为
n
n
n 及磁通为
Φ
\Phi
Φ 的回路的磁链总数（就是TM的磁通量）（单位 Wb）；
t
t
t —— 时间（s）。
（2）感应电动势有效值计算
磁通量
Φ
\Phi
Φ 和时间
t
t
t 接近于正弦关系，感应电动势
ε
\varepsilon
ε 的有效值可以写成：
E
=
4.44
f
n
Φ
E=4.44fn\Phi
E=4.44fnΦ 其中：
E
E
E —— 感应电动势
ε
\varepsilon
ε 的有效值（V）；
f
f
f——电流频率（Hz）；
n
n
n——感应器线圈的匝数（匝）；
Φ
Φ
Φ——回路交链的磁通（Wb）。
（3）感应电动势有效值产生的对应功率计算
这时导体中的功率则可由下式确定（其实就是P=U*I）：
P
=
E
I
cos
ϕ
L
=
4.44
f
n
I
Φ
cos
ϕ
L
P=EI\cos \phi _L=4.44fnI\Phi \cos \phi _L
P=EIcosϕL=4.44fnIΦcosϕL 其中：
P
P
P——导体中的功率（kW）；
Φ
L
Φ_L
ΦL——
E
E
E、
I
I
I的夹角（º）；
I
I
I——感应电流（A）。
式中，
n
I
nI
nI（匝数×安培）决定任何电磁装置的载流部分（铜导体）的体积，而磁通
Φ
Φ
Φ则决定磁路的截面积。
（4）产生电流后的金属热量计算 - 焦耳定律
Q
=
I
2
R
t
Q=I^2Rt
Q=I2Rt
其中：
Q
Q
Q——电流通过电阻时产生的热量（J）；
I
I
I——感应电流（A）；
R
R
R——金属炉料的表层电阻（Ω）；
t
t
t——加热时间（s）。
（5）注意点 - 磁性材料可能导致的额外加热
金属材料在交变磁场中会被加热，其中一个加热机制是涡流效应（主要加热方式），另一个是磁滞效应（次要加热方式）。
如果该金属是铁磁性材料（如铁、镍、钴等），在温度较低（未超过居里温度）时，会额外受到磁滞现象的影响，使其产生一定的额外热量。
磁滞现象是指铁磁性材料在交变磁场中不断被磁化和退磁，由于磁畴重新排列，会产生能量损耗，这部分损耗会以热的形式释放出来，造成额外的加热。
但这种磁滞效应的加热作用是次要的，主要的加热方式仍然是感应电流（涡流）产生的焦耳热。
当温度超过居里温度（Curie Point）时，铁磁材料会失去磁性（变为顺磁性），此时磁畴结构消失，磁滞现象不再发生，因此由磁滞损耗带来的加热效应也随之消失。但是涡流加热不会，因为涡流加热是利用了金属的导电性。
感应电流电磁效应
（1）趋肤效应
概念：线圈导体中的交变电流和金属炉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，并以指数函数规律向心部衰减，这种现象称之为趋肤效应。
涡流的趋肤效应：金属熔料产生的涡流和电流密度，都分布在表面，指数级往里缩减。感应电炉线圈的趋肤效应：通电的时候，电流从导体外围的一圈过，内部电流不咋过，导致横截面变小了，电阻变大，从而造成了能量损耗，线圈发热。
通电线圈为例 - 电流密度沿表层分布
具体的一些公式表示如下，可以先跳过，用到再说
电流密度沿表层分布的表达式
电流透入深度Δ值的计算式
炉料由表面及里的电流分布及功率分布如图2所示。
炉料由表面及里的电流分布及功率分布
由图2可以看出，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**。
（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。 - 相对还是比较好理解，看图的话。
平行放置导体中的邻近效应现象如图所示。
平行放置导体中的邻近效应现象
具体的解释，可以先跳过，用到再说。
（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（即导体横截面上，在水平方向上越靠近中间，电流密度越强），这种现象即是圆环效应，如图所示。
圆环效应示例
磁力线在环内较密集（即S小），环外分散（即S大），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。
总结：
外侧磁通量大 → 磁通变化率大 → 反电势大 → 电流受抑制 → 电流密度小内侧磁通量小 → 反电势小 → 电流更容易通过 → 电流密度大最终电流密度集中在内侧，形成圆环效应。
效果：
线圈通电后，磁力线集中在线圈内部，导致线圈内侧感应的电流密度较大，而外侧较小。
结果：线圈的内侧磁场更强，感应电流更集中在靠近炉壁的区域，因为线圈内侧磁场更强，靠近炉壁的炉料涡流更强，导致加热更快，靠近中心的炉料感应电流较弱，加热较慢。
所以综上，圆环效应：
对于导线：导线电流分布在内测对于炉料：靠近线圈的加热快，靠近炉子中心的加热慢。
（4）端部效应
分为炉料的端部效应和感应器线圈的端部效应。
对于炉料而言：炉料的两端，或者一些边边角角等端部吸收的功率增加，就意味着端部的热度上升会更快。对于线圈来说：作者没说（bushi）。
（5）四个效应的总结
邻近效应、圆环效应、端部效应其实是趋肤效应的特殊表现形式。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，炉料系统表现为趋肤效应，两者之间是邻近效应和端部效应（总结了下不同效应的适用对象）。
感应熔炼电炉设计与感应器参数计算程序与方法
（1）感应熔炼电炉设计 - 感觉看了没啥用，粗粗的讲了下。
（2）感应器参数计算程序与方法 - 感觉看了没啥用，粗粗的讲了下。
唯一可能有点用的，感应器参数的计算：感应器设计分为变压器法和电磁场法。但是没细讲。
有关感应熔炼电炉设计与制造的国家标准、行业标准
感应熔炼电炉的设计与制造要遵循和参考相关的国家标准、行业标准。这里主要列举了不同的一些行业规范文件名字，感觉用不太到。
参考
李韵豪老师的《铸造工业的感应加热》系列讲座（我存在我github上啦）：YanxinTong/Principle-of-Induction-Furnace: 感应电炉的相关原理文件