
中頻熔煉爐化鐵水的核心原理是電磁感應(yīng)加熱,通過(guò)交變電磁場(chǎng)在鐵料內(nèi)部產(chǎn)生渦流,利用渦流的熱效應(yīng)使鐵料升溫并熔化。其具體過(guò)程可分解為以下幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié):
1. 中頻電源產(chǎn)生交變電流
中頻熔煉爐的核心能源來(lái)自中頻電源裝置(通常輸出頻率為 500Hz~10kHz 的交變電流)。該電源將工頻交流電(380V/50Hz)通過(guò)整流、濾波轉(zhuǎn)化為直流電,再通過(guò)逆變器將直流電逆變?yōu)橹蓄l交流電。
中頻電流的 “高頻特性” 是關(guān)鍵:頻率越高,電磁感應(yīng)產(chǎn)生的渦流效應(yīng)越強(qiáng),加熱效率越高(但頻率過(guò)高會(huì)導(dǎo)致集膚效應(yīng)過(guò)強(qiáng),不利于深層加熱,因此中頻是兼顧效率和加熱深度的選擇)。
2. 感應(yīng)線(xiàn)圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)
中頻交流電通過(guò)纏繞成環(huán)狀的感應(yīng)線(xiàn)圈(通常由空心紫銅管繞制,內(nèi)部通冷卻水降溫,避免線(xiàn)圈自身因電阻發(fā)熱燒毀),根據(jù)電磁感應(yīng)定律,交變電流會(huì)在 coil 周?chē)a(chǎn)生交變磁場(chǎng)(磁場(chǎng)方向隨電流方向周期性變化)。
感應(yīng)線(xiàn)圈的形狀(如螺旋狀)決定了磁場(chǎng)的分布,通常環(huán)繞在爐體外側(cè),使磁場(chǎng)集中于線(xiàn)圈內(nèi)部的爐料區(qū)域。
3. 鐵料中感應(yīng)出渦流
爐內(nèi)的鐵料(導(dǎo)體)處于交變磁場(chǎng)中,磁場(chǎng)的磁通量隨時(shí)間快速變化。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,鐵料內(nèi)部會(huì)感應(yīng)出閉合的感應(yīng)電流(渦流),渦流的方向與感應(yīng)線(xiàn)圈電流方向相反(楞次定律),且頻率與中頻電源一致。
這里的 “渦流” 可理解為:鐵料相當(dāng)于無(wú)數(shù)個(gè) “短路的閉合線(xiàn)圈”,在交變磁場(chǎng)中被 “感應(yīng)發(fā)電”,電流在鐵料內(nèi)部循環(huán)流動(dòng)。
4. 渦流的熱效應(yīng)使鐵料熔化
鐵料本身存在電阻(盡管鐵是良導(dǎo)體,但仍有一定電阻),根據(jù)焦耳 - 楞次定律(Q=I2Rt),渦流在鐵料內(nèi)部流動(dòng)時(shí),電能會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能:電流(I)越大、電阻(R)越大、時(shí)間(t)越長(zhǎng),產(chǎn)生的熱量(Q)越多。
鐵料吸收熱量后,溫度逐漸升高,當(dāng)溫度達(dá)到鐵的熔點(diǎn)(約 1538℃)時(shí),固態(tài)鐵轉(zhuǎn)化為液態(tài)鐵水。
同時(shí),由于 “集膚效應(yīng)”(高頻電流傾向于在導(dǎo)體表面流動(dòng)),渦流主要集中在鐵料表層,表層先升溫,再通過(guò)熱傳導(dǎo)使內(nèi)部逐步加熱熔化,因此大塊鐵料需通過(guò)攪拌或逐步加料確保均勻熔化。
5. 輔助結(jié)構(gòu)的作用
坩堝:感應(yīng)線(xiàn)圈內(nèi)側(cè)通常有耐火材料制成的坩堝(如石英砂、剛玉質(zhì)),用于盛放鐵料和鐵水,隔離鐵料與感應(yīng)線(xiàn)圈(避免短路),并減少熱量散失。
冷卻系統(tǒng):感應(yīng)線(xiàn)圈(銅管)和中頻電源的關(guān)鍵部件(如逆變器)需通冷卻水(通常是工業(yè)純水或去離子水)冷卻,防止因自身發(fā)熱損壞(線(xiàn)圈的渦流損耗和電阻損耗也會(huì)產(chǎn)熱)。
總結(jié)中頻熔煉爐化鐵水的本質(zhì)是:中頻交變電流→交變磁場(chǎng)→鐵料感應(yīng)渦流→渦流生熱→鐵料熔化。這一過(guò)程無(wú)需明火接觸,加熱效率高(熱能直接產(chǎn)生于鐵料內(nèi)部)、溫度易控制,因此廣泛用于鑄鐵、鑄鋼等金屬熔煉。