系列五:鋁合金感應加熱的電流頻率、功率和加熱時間的確定

2021-01-16 熱處理生態圈

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——與一汽、二汽鍛造廠就鋁合金鍛造感應加熱問題技術交流提綱

1.電流頻率的選擇

將平均電阻率ρ2、相對磁導率μr及直徑D2代入下式：

由於鋁合金的平均電阻率大約是鋼平均電阻率的十分之一，對同樣直徑的坯料來說，鋁合金感應加熱的電流頻率也大約為鋼的十分之一。


實際選定的頻率比公式計算的頻率高出很多，這是因為，如按公式選定的頻率，在不同多層線圈的情況下，單匝線圈匝數會很多，以至於銅管太窄，或根本繞不下。頻率提高後，對提高電效率有利，但加熱時間經計算要長些。根據我們的經驗，只要有比較窄的銅管，只要能繞得開，還是儘量按公式確定的頻率範圍來確定頻率，不要選擇過高的頻率。


日本工業爐協會的一份鋁合金選擇頻率的資料，說明鋁合金頻率選擇有很大的隨意性：

表5-1 不同尺寸鋁合金坯料與頻率的適配表

坯料直徑mm

＞70

23～650

16～450

10～250

頻率Hz

50

500

1000

3000

2.功率的計算

其中：C——坯料的平均比熱容。比熱容表示單位質量坯料每升溫1℃所需要的熱量。單位：kJ/kg℃

表5-2 鋁的熱容值（kJkg-1）

溫度（℃）

20

100

200

300

400

500

熱容（kJ.kg-1）

—

93.3

188.8

271.9

381.3

483.5

表5-3 常用鋁合金的比熱容值（KJkg-1℃-1）

鋁合金牌號

20℃

100℃

200℃

300℃

400℃

平均比熱容

(400℃)

6A02

—

0.795

0.879

0.963

1.089

0.932

2A50

0.795

0.837

0.879

0.963

1.005

0.896

2A11

—

0.921

0.963

1.005

1.047

0.984

2A12

—

0.921

1.047

1.130

1.172

1.068

7A04

—

0.921

1.005

1.047

1.089

1.016

7A05

0.888

0.904

1.056

—

—

0.949

5A03

—

0.879

0.921

1.005

1.047

0.963

5A06

—

0.921

1.005

1.047

1.089

1.016

根據表5-3可求出鋁合金的平均比熱容，如6A02，它的400℃時的平均比熱容為：

C=（0.795+0.879+0.963+1.089）/4=0.932(kJkg-1℃-1)

由表5-2知，鋁在400℃時的熱容為381.3kJkg-1，480℃時的熱容近似為463.1kJkg-1，它們平均比熱容分別為：

C400℃=381.3/400=0.953（kJkg-1℃-1)

C480℃=463.1/480=0.965（kJkg-1℃-1)

可以看到，鋁400℃與480℃時的平均比熱容只差1%，因此，在工程上我們也可以將鋁合金在400℃時的平均比熱容作為480℃時的平均比熱容來使用。

T－T0——始鍛溫度與初溫（取20℃）之差。

G——坯料質量，鋁20℃時的密度2.70gcm-3。常用鋁合金20℃的平均密度值為2.75gcm-3。

t——節拍，單位：s。

η——鋁合金感應加熱時的電效率0.45～0.52，熱效率0.9～0.95，總效率：0.40～0.50。


3.加熱時間

鋁合金最短加熱時間tk可根據熱傳導微分方程的特解求得：

其中：tk——為保證一定心表溫差的最短加熱時間（s）；

a——導溫係數。

a = λ/（cγ）

λ——導熱係數；

c——平均比熱容；

γ——密度。

表5-4 鋁及鋁合金導溫係數計算表

坯料類型

a=

λc-1 r -1

λ

wm-1℃-1

c

Jkg-1℃-1

γ

kgm-3

鋁

88×10-6

231

0.967×103

2.70×103

鋁合金

57×10-6

156

0.997×103

2.75×103

表5-4中鋁的λ、c、γ是鋁從20℃到500℃的算術平均值。鋁合金的λ、c、γ分別是常用鋁合金20℃～400℃的算術平均值。


鋁合金的導溫係數a=57×10-6m2s-1，鋁的導溫係數為88×10-6m2s-1，是鋁合金的1.5倍。

τ——付裡葉準數，

鋁合金加熱到480℃，心表溫差ΔT為25℃時的最短加熱時間簡化公式的推導：

a= 1-△2/R2，

設△2≈0，∴α=1。

查圖可得：

S（1，1）=0.125

S（1，0）=－0.125

將α=1、S（1，1）=0.125和S（1，0）= －0.125代入公式，得：

根據我們的經驗：

硬鋁合金、超硬鋁合金（高合金化）加熱時間用ΔT25℃時的公式；而低合金、純鋁加熱時間用ΔT50℃時的公式；中等程度合金，其加熱時間介於ΔT25℃和ΔT50℃公式中間。

（未完待續）

鍛造感應加熱系列↓↓

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