高云峰

（太原理工大學(xué)，山西太原030024）

一種小型高頻加熱裝置系統(tǒng)的設(shè)計

高云峰

（太原理工大學(xué)，山西太原030024）

通過對小型高頻加熱系統(tǒng)特點的分析，提出了該系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計要點及技術(shù)措施，對該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化及技術(shù)進(jìn)步有積極的借鑒意義。

小型高頻加熱；設(shè)計；熱傳遞；人性化

引言

高頻加熱作為一成熟技術(shù)在工業(yè)界應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，作為一高效加熱手段替代茂福爐在實驗室操作意義非常重大。高頻加熱有以下優(yōu)點：一是熱效率高，受熱均勻度高；二是過程可控度高，符合加熱流程要求；三是由于加熱過程短，對受熱體元素流失少，材料性能變化小。但是作為小型高頻加熱系統(tǒng)，其工業(yè)設(shè)計特殊問題是牽涉專業(yè)面廣：電氣、熱傳遞、材料、機械裝備、工藝流程等方方面面?？梢哉f，面對的是小型巨復(fù)雜系統(tǒng)，其技術(shù)等級高：工作溫度1 800～2 000℃，熱源范圍廣500～2 200℃；高頻：50 kHz以上；潛在應(yīng)用面廣：特殊熔點焊接、熱加工、熱傳遞等用戶；由于前述技術(shù)條件限制在實際應(yīng)用中，小客戶范圍并不廣泛，筆者通過多年實踐積累了一定的設(shè)計、應(yīng)用經(jīng)驗?zāi)軐I(yè)界高頻加熱系統(tǒng)走向小體量用戶在應(yīng)用設(shè)計上能有積極的借鑒作用和技術(shù)進(jìn)步。

1 高頻加熱裝置組成及工作特點

高頻加熱裝置一般由高頻電源、加工操作平臺、加熱螺旋銅管和循環(huán)水冷卻系統(tǒng)等組成，從理論角度講技術(shù)成熟度高，其實質(zhì)就是一線圈渦流加熱裝置。但是從小型工業(yè)化應(yīng)用角度講確實復(fù)雜，尤其是作為局部溫度達(dá)2 200℃，高頻為50 kHz以上，所以整個系統(tǒng)設(shè)計必須從工程化角度出發(fā)，否則事故將會不斷，甚至讓系統(tǒng)在毫秒級時間內(nèi)即可崩潰失敗。如圖一所示為一鍛壓工件小型高頻加熱系統(tǒng)實物圖。

2 熱系統(tǒng)設(shè)計要點

圖1 鍛壓工件小型高頻加熱系統(tǒng)實物圖

熱系統(tǒng)雖然在高頻加熱裝置僅作為輔助系統(tǒng)，但是成敗要點就在于加熱是否可靠，操作是否連續(xù)順暢，節(jié)律是否科學(xué)，既與系統(tǒng)加熱能力有關(guān)，又與工況工序過程一致。因此該輔助系統(tǒng)決定電氣加熱能力即電氣功率W值，該值確定后所有設(shè)計均按此值為基本出發(fā)點。加熱工藝的確定，熱的累積效應(yīng)是工件加熱另一個必須考慮的參數(shù)，在此基礎(chǔ)上確定工件的最高可加工溫度T值，這樣才能保證工作可靠性和可控性。冷卻系統(tǒng)是保證工作正常進(jìn)行的基本條件，所以冷熱交換量必須滿足工作需要，該值需要考慮額外熱量累積效應(yīng)，由工藝特點等決定，所以Q值需要取3～5的倍率系數(shù)，切記高溫元件的失效曲線中其溫度場分布是很陡的，倍率越高其適應(yīng)效果越好。如圖二所示工件加熱實物圖。

圖2 工件加熱實物圖

3 電氣控制系統(tǒng)要求

最大安全風(fēng)險來源是電氣控制系統(tǒng)，所以一定堅持獨立供電，獨立保護(hù)的原則，確實保證熔斷或電氣故障時立即切斷供電回路，確保人生安全。

4 工作平臺設(shè)計

高溫、高頻、大容量和熱傳遞過程快等特征決定了系統(tǒng)的成敗，而操作工序和水平也是決定系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵，通常所要求的“火眼金星”“眼疾手快”在這里均需要實現(xiàn)，所以操作平臺的設(shè)計就尤為關(guān)鍵，一定得實現(xiàn)人性化，一定得在操作范圍內(nèi)實現(xiàn)可控。

5 機械手設(shè)計要點

機械手作為加熱工件的一個常用手段在這里使用，對于批量加工可能不需要多考慮。但是在小型高頻加熱系統(tǒng)就必須換一個角度設(shè)計，小型高頻加熱系統(tǒng)限定了其用途的范圍小、批次小、工件小，但是也決定了工件的復(fù)雜性和易變性，這樣從安全和工藝上就必須考慮可靠性。筆者經(jīng)驗是在銅螺旋管外加一不導(dǎo)電的陶瓷管，雖損失了一些熱量，但是可以保證受熱更均勻、也可進(jìn)一步規(guī)避金屬加工工件與銅螺旋管碰撞事故。

6 結(jié)語

小型高頻加熱系統(tǒng)其優(yōu)越性是不言而喻的，但是因為其使用需要的知識面較廣，一般用戶沒有能力進(jìn)行二次配套設(shè)計完善工作，使得其市場化腳步與其技術(shù)先進(jìn)性不一致。通過上述技術(shù)分析我們知道首先需要考慮的核心是熱系統(tǒng)的可靠性、受熱均勻性、設(shè)計參數(shù)選型、自動控制方案選型、熱傳遞過程優(yōu)化、傳熱管受熱均勻化改造、工作平臺、機械手配套設(shè)計等，只要我們深入實際不斷探求實用技術(shù)核心與市場需求的關(guān)系，技術(shù)的廣泛推廣應(yīng)用是容易實現(xiàn)的。

（編輯：劉楠）

Design of a Small High-frequency Heating Device System

Gao Yunfeng
(Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi030024)

Through the analysis of the characteristics of small high-frequency heating system,this paper puts forward the key points of the system design and technical measures,has a positive significance to the industrialization of technology and the progress of technology.

high frequency heating;thermal design;transfer;humanization

D922.294；D923.4

A

2095-0748(2016)24-0049-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.24.19

2016-12-07

高云峰（1964—），男，山西萬榮人，畢業(yè)于山西礦業(yè)學(xué)院，現(xiàn)就職于太原理工大學(xué)，長期從事設(shè)備與礦山壓力測試研究和教學(xué)工作。