电加热炉

12.1 电阻加热炉
电阻加热炉的种类很多，按传热方式不同可分为辐射传热 为主的、对流传热为主的和传导方式为主的电阻炉；按电流是 否通过物料本身，可分为间接加热电阻炉和直接加热电阻炉。 12.1.1 以辐射为主的电阻炉 以辐射传热为主的电阻炉电热元件产生的热主要通过辐射 的方式传递给被加热的金属。电热元件辐射的热流，一部分直 接投射到炉衬内表面上及邻近的电热元件和托挂电热元件的搁 砖或挂钩上。其各部分的比例取决于相互之间的角度系数。为 了强化电热元件对金属的辐射传热，在炉子的结构设计上应注 意以下原则：
常用电热体材料有金属材料与非金属材料两大类。
0Cr27Al7Mo2等 合金 ：Cr20Ni80； 金属材料 纯金属：铂、钼、钨、钽等 非金属材料：碳化硅、炭、石墨、二硅化钼等
12.2 感应加热炉
12.2.1 感应加热炉工作原理 在感应加热炉内，被加 热的工件（见图12-4）置于感 应器内，后者通常是由紫铜管 绕制而成的感应线圈2，在线 圈与工件间一般有耐火绝缘层 隔开。当交流电源输入感应器 时，在感应器中激发起交变磁 通。它们穿过被加热的金属时， 因电磁感应产生感应电流。
第12章 电加热炉
铜陵学院
12 电加热炉
将电能转换成热能的设备叫电炉。与火焰炉相比，电炉 的温度容易准确控制，炉内气氛较易控制，热效率高，容易 实现生产过程的机械化和自动化。 根据电能转换成热能的原理不同，电加热炉分为电阻加 热炉与感应加热炉两种类型。 感应加热炉的原理是位于交变电磁场中的导体内，因电 磁感应而产生感应电流，感应电流克服自身的电阻而产生热， 把导体加热。
12.2.2.3 电热总效率
炉子的电热总效率是电效率与热效率的乘积，即：
η = η电 •η热
无芯感应加热炉的热效率较高，一般在0.9左右，电效 率不高，只有0.7左右。工业要求感应加热炉的电热总效率不 低于0.5。电效率与热效率并不总是统一的，二者之间存在矛 盾。如增加绝热层厚度，有利于提高热效率，但降低了电效 率，因为d1/d2增加了；提高供电频率，有利于提高电效率， 但却降低了热效率。所以应分别具体情况，抓住矛盾的主要 方面。
感应器通常是用紫铜管绕成的线 圈，一般采用矩形截面的铜管，管内 通水冷却。 为保证电效率，感应器内径与炉 料直径之比d1/d2应尽可能小些。所以 加热直径不同的物料，应制作相应的 感应器。 感应器与炉料之间有炉衬隔热， 保护感应器免受炉料辐射的影响。但 为保证电热效率炉衬应尽可能减薄。 工频炉周围有必要设置用薄硅钢 片叠成的导磁体，可大大增加穿过金 属锭的磁通量。同时还可削弱外围磁 场，使钢架等的感应损失显著减少。
12.2.3 金属的感应加热过程
一般地说，金属的电阻率与温度成正比。材料根据其导 磁性能可分为两大类。一类是铜、铝、钛、奥氏体不锈钢等， 它们的导磁率与真空及空气的导磁率很接近，相对导磁率等于 1，几乎与温度和磁场强度没有关系，这类材料称为非磁性材 料。另一类材料如铸铁、钢、镍等，导磁率比空气大得多，且 随温度及磁场强度而变。磁性材料有一特性，就是当温度升高 到某一临界值时，导磁率突然降低，相对导磁率将为1，而且 不再随温度升高而变化。这一磁性转变温度为居里点，如铁的 居里点为770℃，镍为360℃。 金属在感应加热过程中，由于截面上表面与中心温度不同， 故电阻率也不同。磁场强度也是从表面向中心衰减。
ρ1、ρ 2 — 分别为感应线圈的与物料的电阻率，Ω • cm； µ 2 — 被加热金属的相对导磁率；
d1、d 2 — 分别为感应器的与物料的直径，cm。
12.2.2.2
热效率
P2损 η热＝1 − P2有
感应加热炉的热效率指加热物料的有用功率与物料吸收的 有功功率之比。
欲提高感应炉的热效率必须减少热损失。为此，应尽量 减少线圈与物料之间的空气间隙和线圈的匝间缝隙；在感应 器内径与物料的直径比不大时，散热主要是绝热层的导热损 失；热效率还与物料直径d2和其透热深度h有关，因为电热转 换基本上是在透入深度内完成的，如d2/h的值愈大，热效率 愈低，故直径一定时，提高电流频率会使集肤效应加强，物 料表面温度高，热电热元件对金属辐射的角度系数，应在不影 响进出料操作的前提下，尽可能缩短电热元件与金属之间的距 离，一般为50～100mm。 （2）减小电热元件相互之间对热辐射的遮蔽系数，让电 热元件辐射出来的热能更多地间接投射到金属上。为此，在设 计电热元件的结构尺寸时，丝状原件的螺距以及带状原件的间 距都不宜过小。 （3）减小电热元件托挂部件对电热元件辐射的遮蔽系数。 如丝状元件的螺旋形结构若改为波浪纹形结构，改搁砖放置为 用挂钩吊挂在炉墙上，则可使电热元件对金属的热辐射增强。
透入深度h与温度的增加成正比。加热磁性材料，当温度 上升到居里点时，µ下降到1，引起h猛烈增大到原来的7～9倍 由于存在集肤效应，故物料的表面与中心存在一定的温度 差。为了既要保证生产率，又要保证温差不超过允许范围，应 有一最短加热时间。
12.2.4
炉型结构
12.2.4.1 炉型 感应加热炉的炉型有多种。按电源频率不同，可分为高频 （10000HZ以上）、中频（150～10000HZ）、工频（50～ 60HZ）。铜、铝等有色金属由于电阻率低，多采用工频炉。 按物料的加热深度不同，可分为表面加热与深透加热。 前者用于零件的表面淬火前加热，后者用于金属锭在轧制、挤 压、锻造前的加热及型材的退火，这类感应加热炉又称为透热 炉。 12.2.4.2 炉子的基本结构 感应加热炉的炉体由以下基本构件组成：感应器、炉衬、 滑轨、导磁体、炉架等。
这种涡状电流将由于工件自身的电阻而作功，把电能转化为热 能从而加热工件。 由于交流电的集肤效应，感应电流在金属物料截面上的分 布是不均匀的，表面电流密度最大，热量也主要产生于表面层 内，通过传导传热逐渐向中心传递。所以从电工的角度看，无 芯感应电炉原理相当于次级只有一匝的空芯变压器。当电流密 度由表面向中心逐渐减少，约减少到表面电流的37%的那点， 此时到表面的距离h称为感应电流的透入深度。
ρ h = 5030 µ2 f
式中
ρ — 被加热金属的电阻率，Ω • cm； µ 2 — 被加热金属的相对导磁率；
f — 供电频率，H Z
12.2.2
感应加热炉的电热效率
12.2.2.1 电效率 电效率等于物料吸收的有功功率与输入感应器的功率的比 值，其值为：
η电 =
1+ 式中 1 d1 d2
ρ1 µ2 ρ2
12.1.5 电热体材料及其性能
电热体是电阻炉的发热元件，选择电热体材料应满足下 述要求： （1）电热体应具有高的电阻率。当电压一定时，电热体的 电阻率愈大，发出同样功率所用的电热体材料愈少，电热体在 炉内所占的位置越小。 （2）电热体材料的电阻温系数要小。 （3）电热体应有足够的耐热性与高温强度。 （4）热膨胀系数小。
12.1.3
以传导传热为主的电阻炉
如盐浴炉，加热金属物料主要靠高温的盐浴溶液将热直接 以传导方式传递来进行的。与一般电阻炉相比，盐浴炉具有加 热速度快（液态熔盐的导热系数大），加热均匀（物料的所有 表面与熔盐接触），物料有熔盐的保护可减少氧化，以及炉子 结构简单等优点。其缺点是热损失大，盐消耗大及劳动条件差。
12.1.4
电阻直接加热炉
将被加热的物料夹紧于两个接触夹头之间，当电流通过 物料时，物料本身内部电阻使电能转换为热能。因为没有加热 元件，加热速度很快，热损失小，热效率高，金属的氧化脱碳 也很少。由于热量的产生取决于物料的电阻和通过的电流，一 般金属物料的电阻小，故必须采用变压器供给低电压大电流的 电源。 交流电通过被加热的金属时，由于集肤效应，造成金属横 截面上的电流密度不均匀的现象，越靠近表层，电流密度越大， 越靠近中心，电流密度越小。电流分布不均匀，引起金属断面 上的温度也不均匀。
12.1.2
以对流传热为主的电阻炉
以对流传热为主的电阻炉是以循环的气体作为加热介质， 当气流通过电热元件表面时，以对流方式将热量带走，在以对 流方式把热量传给金属。 要达到金属加热温度的均匀性，要求气流分布要均匀。炉 内循环气流的流量也影响金属温度的均匀性。因为气流在流动 中将热量传给金属时，温度逐渐下降，造成在进口端与出口端 的温差。为了减小气流温差，要保证循环风机的风量达到一定 的数值。此外，电热元件合理均匀的布置也影响金属温度的均 匀性。 连续式气垫炉是一种新型的气体循环加热炉，我国已用于 铝带材的退火。