2.8米宽平板式中频感应加热炉的制造

[摘 要]中频感应加热炉广泛应用于金属热加工行业，特别是石化行业使用的管道配件、压力容器等的生产。本文介绍了加热金属板材宽度达2.8米的平板式中频感应加热炉的成功制造经验。

[关键词]平板式、加热炉、感应圈、电容器

中图分类号：TG315.1；TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）06-0094-01

为了解决国内还没有生产厂家生产过加热宽度超过1.5米以上的感应加热炉这个问题，我厂利用多年制作、使用螺旋型感应加热炉经验，成功自制一台结构尺寸为3200×2500×200 mm的中频感应加热炉。

1.感应加热炉内部尺寸的计算

1.1 确定加工钢板的尺寸

由于该管件厂需要一台能加热：长为2000―2800mm、宽为1000―1900mm、厚度为10―40mm钢板的矩形感应加热炉。按照能加热钢板的最长尺寸原则，确定加工钢板的尺寸为：

长度（a1）：2800mm；宽度（b1）：1900mm；厚度（c1）：40mm

1.2 计算感应加热炉内部的长（a2）、宽（b2）、高（c2）

为了使制造出来的感应加热炉能加热尽可能宽的钢板，减少感应圈的缠绕圈数，在选择感应加热炉的宽度时，尽量按钢板的长度来计算。

1.2.1 计算公式

式中：建议r=c2/2；Δa 为钢板立面与感应圈侧面的间隙，建议在50―150mm之间选择。

式中：Δb为因感应圈端部效应而增加的补充长度，建议Δb=（5―10）Δc

式中：Δc 为钢板上侧的间隙，建议在40―80mm之间选择；

d0为单边炉衬的厚度，建议在10―20mm之间选择。

符号定义见（图1），其单位均为mm。

1.2.2 实际计算

该管件厂加热的钢板厚度多数在10―20mm之间，加热厚度为40mm钢板的机会比较少，本次Δa、Δc、d0的取值尽量取下限，分别是：

Δa = 100mm；Δc = 40mm；d0 = 15mm；Δb = 5Δc = 200mm

代入公式（1）、（2）、（3），得出感应圈内部的长、宽、高分别是：a2 = 3100mm、b2=2300mm、c2 =110mm。

2.计算感应圈的总匝数

感应圈的总匝数由感应圈的总宽度和绕制铜管的宽度、匝间距离决定的，其计算公式是：

根据市场上拥有的铜管规格，选择30×25×3 mm矩形铜管进行本次感应圈的制作。由于感应圈需要进行绝缘和保温处理，为了方便缠绕绝缘云母带和保温材料，感应圈的匝间留有30mm的距离。按照钢管宽度30mm，感应圈的匝间距离30mm，a2=2300mm，根据公式（4），计算得：N总 = 38.3匝，匝数不能取小数，为了制作方便，取N总= 40匝。

由于感应圈总匝数为40匝，其实际宽度a2变为：

a2=40×（30+30）=2400mm

为了方便制造和便于调整感应圈的电感量，把40匝线圈分成8组，每组线圈为5匝。

3. 理论计算

3.1 电感线圈正常工作的电感量范围

中频感应加热炉正常工作时需要感应圈与之并联的电容发生谐振，即感应圈的感抗要与之并联的电容器组的容抗相匹配。在不考虑电阻影响时感应线圈与电容的谐振理论公式是：

由于本感应圈比较大，根据实际经验判断其电感量会比较大，为使电容量达到最大值，中频电源所带电容需要全部并联运行。

该中频电源所配套的单台电容器的电容量是113μF，共计14台。总的电容量是：

113×14=1582μF=1.582×10-3 F

该中频感应电源工作频率的范围是：500―2000Hz

把这些数值代入公式（7），分别得到：

L1≈64μH；L2≈4μH

即：感应圈电感量的理论值范围应在4―64μH之间。

3.2 计算1组线圈的电感量L

由于本例中a>>b，d>>c，线圈对角线的长度（m），这样a ≈g，空心矩形感应圈电感量的计算公式经简化为：

本例中： a ≈b2 = 3.1m；b = c2+c = 0.135m（c=25mm为铜管的厚度）；d=2.4/8=0.3 m；N=5匝，代入公式（6）得： L ≈ 22μH

3.3 线圈之间互感量M的计算

线圈与线圈之间在工作时会产生互感现象，邻近边互感大，远离边互感小。对于大小相等、平行并同轴放置的矩形线圈，在制造时线圈之间的距离非常近，S≈30mm，因此a>>S，b>>S，由于a>>b，相距为S之间的线圈互感量的计算简化为公式（7）

（7）

将a=3.1m，b=0.13m，S=0.02m代入公式（7），得：

M≈-6.4×10-7H=-0.64μH

线圈之间的互感量只有0.64μH，与单组线圈的电感量22μH相比小很多，在下面的计算中可以忽略线圈之间的互感影响。

3.4 确定感应圈的连接方式

整个感应圈一共分成了8组，每组感应圈的电感量为22μH，通过谐振理论计算得到的电感量范围为4―64μH。为此把8组感应圈分成两个小组，即每个小组为4组感应圈，每一小组并联然后两个小组再串联，这样得到的感应圈的电感量是：

1个小组的电感量是22/4=5.5μH，2个小组串联后的电感量是5.5+5.5=11μH，在需要范围的4―64μH之间，符合谐振理论计算结果要求。

因此，最后确定感应圈的连接方法是：4组感应圈并联成1个小组， 2个小组再进行串联。

4. 感应圈和支撑架的制作

感应圈使用30×25×3 mm矩形铜管绕制，每份5圈，共绕制8份。绕制完成后，在感应圈的上侧均匀分布焊接6个Φ10的铜（或不锈钢）螺栓，用于固定上部支架。感应圈的两个端部焊接铜板，用于感应圈之间的连接。

以上工作完成后，使用绝缘云母带包缠矩形铜管，然后使用耐高温绝缘漆进行绝缘固定处理。

5. 结构组装、材料打结

由耐火砖砌制的隔离墩水泥硬化后，把已经由上部支撑三角架固定好的8组感应圈放到下部支撑架上，使用耐高温水泥对感应圈的下部和侧面进行打结，打结厚度为15mm左右。耐高温水泥打结硬化后，使用电工摇表测试感应圈铜管部分与下部铁制支架的绝缘电阻，只要大于0.5M？就可以了。

制造完成后的加热炉最终结构尺寸是：3200×2500×200 mm（不包括上下两个支撑架的尺寸）。

参考文献

[1] 赵修科.《实用电源技术手册磁性元器件分册》[M].辽宁科学技术出版社，2002年8月.

[2] 肖新棉.《感应加热线圈中的电磁场》[J].《武汉水利电力大学学报》 1996年06期.