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薄板试样的高频感应加热与温度测量 |
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作者：上海大学 黄慎之 费敏锐 俞鸿毅 |
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摘 要：对薄板试样高频感应加热设计了试样与平板加热线圈呈轴偏心的结构，采用在试样上点焊热电偶测量温度，并对试样可靠接地，以解决薄板试样加热快速性和测温的准确性，并克服强磁场的干扰。
关键词：高频感应加热 薄板试样 点焊热电偶感应平板线圈
引言
模拟、改进薄板热处理的温度工艺曲线，往往需要对单片薄板试样通过模拟装置来进行模拟试验。根据宝钢用户的要求研制了一套集计算机、电气、气氛和机械于一体的，由计算机对薄板温度工艺曲线进行自动控制的高频感应加热试验装置，其总框图如图1 所示。当试样安装好并经过氮气驱赶氧气充保护气体后，该装置在计算机指令下可自动完成全工艺流程控制，并进行参数显示和记录（打印）。也可以人工干预，并自由修改或形成多种工艺流程。
图1 高频感应加热试验装置总框图
本文将着重讨论薄板试样的高频感应加热与温度测量的问题。被加热薄板试样的尺寸为50×200×1.5 ㎜左右。薄板试样要求加热均匀，在试样的中间段要有一段100mm 均热区，温度的波动应≤7℃。
薄板的温度工艺曲线如图2 所示。加热保温段A－B－C 薄板的最高温度是1000℃，从室温到最高温度平均升温速率为0~40℃/s。冷却段C-D－E 平均冷却速率为5～50℃/s。根据薄板试样温度曲线的要求来看，要实现快速升温速率与降温速率，加热装置是最为关键的部分。
1 薄板试样的高频感应加热
金属薄板采用高频感应加热可达到快速升温的目的，并起到透热式加热的效果。
试样的加热可以利用横向磁场感应加热的方法。但要确切求出薄板工件的等效电阻表达式是比较困难的，因为在薄板上的电流通路很复杂，而且等效电阻的大小与工件和感应线圈之间的气隙有关，故工程上常用近似公式来表示薄板工件的等效电阻。
式中，Req为加热试样的等效电阻，W 为薄板的宽度，L 表示感应线圈的长度，ρ 表示工件的电阻率，t 表示薄板的厚度。其加热效率可以表示为
式中，Rc为线圈电阻。
因为金属工件自成回路，故在横截面内产生感应电流If，其数值取决于感应电动势e及涡流回路的阻抗z
式中：E—感应电动势e 的有效值(V)；
R—涡流回路内的电阻(Ω)；
X—涡流回路内的感抗(Ω)；
由于z 值很小，涡流If可以达到很高的数值，因而能在极短的时间里把试样加热到很高的温度。
经以上分析，对高频感应加热装置的加热功率、振荡频率、感应加热线圈的结构形式、线圈与加热试样的间隙大小等参数进行了合理的设计，达到了试样整体快速加热的要求。根据不同试样降温曲线和试样特性，可以通过改变高频感应加热线圈的功率来降温冷却。也可进一步将试样移动到加热线圈外，通过冷却喷嘴喷氮气来实现更快速的降温冷却。
热处理高频感应加热装置，感应加热线圈与加热工件之间一般的距离在几个毫米之内。实践证明，过大的间隙是达不到快速加热要求的。然而因为加热装置中夹持薄板试样的传动杆长度约1.2m，直径约4cm，如果要让传动试样杆穿过加热线圈，加热线圈至少要有让试样传动杆通过的内空间，这与薄板试样快速加热，减小加热线圈内空间的要求显然是矛盾的。为此设计了试样传动杆与平板加热线圈呈轴偏心的结构（此结构的设计已获得国家专利），具体结构如图3 所示。
图3 试样传动杆与平板加热线圈呈轴偏心的结构示意图
加热线圈设计成平板开口式，两平板的间隙可减小为11－15.5 ㎜。设计时考虑到在大电流强电场的作用下，薄板试样快速加热的弯曲变形，为避免试样与加热平板线圈短路，在加热平板的两边贴上了耐高温的微晶玻璃条。
试样传动杆与平板加热线圈呈轴偏心的结构，是薄板加热装置中最为关键的部分。确实解决了几个关键性的问题。
首先，试样的快速加热得到了保证。因为此结构大大缩小平板加热线圈之间的距离。
其次，试样的快速冷却也得到了保证。这一结构使得冷却喷嘴与试样之间的距离可以很小。这样可以加强喷嘴冷却的效果。
最后，应用到其它方面，如热镀锌模拟装置中，气刀也可以靠得很近。其示意图如图4 所示。这种结构对气刀角度等参数的调整和喷吹压力的减小等诸多因素的解决都是有利的。
图4 冷却喷嘴与气刀
2 薄板加热的温度检测
在高频感应加热中，通常采用红外（光导纤维传感器）定点测温的方法测量被加热体的温度。但是对于一个移动体的温度测量就存在困难。如薄板试样整体加热后移动到冷却喷嘴处，或者还要移动到锌锅镀锌，这就需要对试样的温度进行连续的检测。为了能准确测量移动加热薄板的真实温度，唯一的办法就是把热电偶与加热试样点焊起来，以此解决加热试样连续跟踪的测温问题。
2.1 测温热电偶
由于试样的测温范围≤1000℃，故采用了输出热电势较大、价格较便宜的k 型热电偶。热电偶丝的粗细对测温的热惰性有一定的影响，故以细者为佳。但在满足了测温响应的前提下，考虑到偶丝需有一定的强度，以满足热电偶点焊及试样安装方便的要求，故选用直径为0.5 ㎜的偶丝较为合适。
热电偶与试样表面通常采用电容储能焊接法。点焊时一定要把偶丝与试样的接触面压紧才能焊得牢。如图5 所示可采用偶丝与试样平行点焊的方法。该法经多次反复加热试验，不仅热电偶丝强度和焊接点牢度，而且被点焊热电偶的测温快速性等均能满足要求，效果很好。
图5 热电偶平行点焊示意图
2.2 热电偶的抗干扰措施
由于点焊在试样上的热电偶直接受到高频感应强磁场的作用，如图3 所示，点焊在试样上的热电偶同样也会产生高频感应电动势，感应电动势的值为
e = －dφ/dt
这里所产生的感应电势是很大的交流电势，而我们需要测量的热电偶信号的是一个小很多的直流电平信号，对于已定的热电偶，当其参考端温度 T0 恒定时， eab （T0）为一常数，则热电动势Eab（T, T0）仅是测量端温度T 的函数，即
所以薄板试样上点焊的热电偶在高频感应加热的作用下，热电偶上测到的信号是由两部分叠加而成的，即
热电偶上远远大于直流电平的高频感应电势基本上把需要的直流电平信号给淹没了，如果对加热试样测量端没有良好接地的话，则将在热电偶输出端感应出非常大的干扰电压，我们检测到的热电偶输出信号实际上就是热电偶两个电极在强磁场作用下的感应电势，用万用表交流档检测时竟大于500VAC，两输出端短路时会产生强烈的火花。所以有必要将这个很大的感应电势（干扰信号）给屏蔽掉。
为此，对热电偶采取了一系列的抗干扰措施。
① 热电偶测量端接地。具体的做法是：把加热试样和试样传动杆良好地接触在一起并固定，然后把试样传动杆可靠接地。这样和试样点焊在一起的热电偶也同时接地，保证热电偶的测量端对地处于同一电位。这在诸多抗干扰措施中是最有效的。
② 由于与试样点焊在一起的热电偶输出端的引出线是从空心的试样传动杆中引出，而试样传动杆又是接地的，从而使热电偶引出线得到了屏蔽。采取了这样的措施后，热电偶测温中的干扰大为改善。特别要强调的是，高频感应加热装置必须要有良好的接地，且接地电阻小于4Ω。
3 试样加热实验及分析
实验结果表明，采取了以上措施后所得的试样薄板实际加热曲线与所要求的加热工艺曲线图基本吻合，光滑并且没有毛刺，如图6 所示。
图6 实测和要求的加热工艺曲线
由图6 可以清楚地看到，试样加热到800℃仅用了20 多秒，满足了快速性的要求；纵观曲线的升温、保温、降温过程，曲线光滑且没有一点毛刺，表明已经把干扰完全抑制了。
4 结束语
由工业PC、可编程控制器YS－170、高频感应加热设备、热电偶等组成的薄板加热温度控制系统已运用于宝钢。经实际运行考验说明，在感应加热的试样上点焊热电偶测温以及控温系统对高频感应加热设备的自动控制是有效的，其快速性、准确性满足了工艺试验的要求。同时表明：
① 高频感应加热平板线圈同试样传动杆呈轴偏心的结构，保证了试样传动杆不通过加热平板线圈，从而使两块加热平板之间的距离与试样传动杆的直径粗细无关，满足了试样快速加热的条件和要求。
② 对运动的加热物体可采用在加热体上点焊热电偶的方法测温；而对加热体的良好接地是点焊热电偶测温中抗高频干扰最有效的措施。
参考文献
1 黄慎之,费敏锐,俞鸿毅.高频感应加热装置对薄板加热的温度测量与控制.首届全国热处理自动化学术年会,1996
2 黄慎之,费敏锐,俞鸿毅.智能仪表通信与计算机实时管理.电气自动化（增刊），1997
3 黄慎之,郑捷,费敏锐.用于高频感应加热设备的自动控制及系统模拟调试的一种方法.1998 工业仪表与自动化学术会议论文集(end)
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(12/31/2010) |
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