硫化機(jī)電磁加熱磁場分布的均勻性研究

王冠中，潘 星

（青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061）

隨著電磁加熱技術(shù)在橡膠硫化機(jī)中的應(yīng)用，其高效、節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢不斷體現(xiàn)出來[1-2]。但電磁加熱硫化機(jī)使用過程中，由于電磁加熱裝置的圓環(huán)效應(yīng)，熱板中心會出現(xiàn)一塊加熱死區(qū)，其溫度明顯低于熱板其他部分。在進(jìn)行橡膠制品硫化時(shí)，熱板上各部分的溫度相差較大，可能會導(dǎo)致焦燒和過硫化現(xiàn)象。因此如何提高硫化機(jī)電磁加熱裝置所形成的溫度場的均勻性，是當(dāng)前面臨的重大問題。

電磁硫化的加熱原理是通電線圈產(chǎn)生的交變磁場在熱板上形成渦流，由于熱板具有一定的阻值，通過熱板上的渦流熱效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)對橡膠制品的硫化[3]。磁場是整個(gè)加熱過程的能量場，分析加熱過程中熱板上磁場分布的均勻性對橡膠硫化工藝具有重要意義。

1 建模分析

以平板硫化機(jī)為例，采用橫向磁通的加熱方式，即將通電線圈（見圖1）平放于熱板下方，通過熱板的熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)對橡膠模具的加熱。

圖1 通電線圈Fig.1 Energized coil

熱板材料為45鋼板，線圈材料為退火處理的紫銅。由于熱板結(jié)構(gòu)是關(guān)于中心對稱的，因此只對線圈感應(yīng)加熱裝置的1/4進(jìn)行有限元建模。在分析模型所處的物理環(huán)境時(shí)[4]，采用PLANE53分析單元和二維諧波磁場進(jìn)行仿真。模型的物理環(huán)境如表1所示。

表1 模型的物理環(huán)境Tab.1 Physical environment of model

在進(jìn)行建模分析時(shí)，將空氣和線圈的相對磁導(dǎo)率設(shè)置為1，并在模型的左側(cè)施加磁力平行條件。線圈感應(yīng)加熱裝置的幾何模型與網(wǎng)絡(luò)劃分如圖2所示。

圖2 線圈感應(yīng)加熱裝置的幾何模型與網(wǎng)格劃分Fig.2 Geometric model and meshing of coil induction heating device

線圈感應(yīng)加熱裝置的磁感應(yīng)強(qiáng)度等值云圖如圖3所示。從圖3可以看出，線圈底部位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，其次是熱板的內(nèi)部。這是由于熱板材料的相對磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣，使得空氣中的磁場被吸收至熱板內(nèi)部，從而導(dǎo)致空氣中分布的磁場較少。另一方面，在熱板的中心處出現(xiàn)了一塊磁感應(yīng)強(qiáng)度為零的區(qū)域，即在此處沒有產(chǎn)生磁場，渦流強(qiáng)度也為零，在加熱過程中沒有熱量的產(chǎn)生[5]，這對于硫化結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制品來說，很難使其各部位在同一時(shí)間段內(nèi)達(dá)到相同的溫度，所以要改善熱板上的磁場分布的均勻性，提高整體的加熱效果。

圖3 線圈感應(yīng)加熱裝置的磁感應(yīng)強(qiáng)度等值云圖Fig.3 Magnetic induction intensity’s isonephogram of coil induction heating device

2 線圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在電磁感應(yīng)加熱過程中，熱板的中心處所形成的加熱死區(qū)對于熱板的整體加熱效果有很大的負(fù)面影響。為了消除加熱死區(qū)[6]，采用透熱加熱方式以提高溫度場的均勻性。在線圈中心增加鐵芯，減少空間磁漏，可以達(dá)到減小熱板上的磁場死區(qū)、提高加熱效果和均勻性的目的。

為確定增加鐵芯對線圈感應(yīng)加熱裝置磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的影響，制定了以下4種線圈結(jié)構(gòu)方案：方案1為鐵芯完全貫穿線圈；方案2為鐵芯與線圈等高；方案3為鐵芯位于熱板部分；方案4為鐵芯位于熱板部分為圓臺形。

增加鐵芯的4種線圈感應(yīng)加熱裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示，通過仿真分析得到的相應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖5所示。

圖4 4種線圈感應(yīng)加熱裝置結(jié)構(gòu)方案Fig.4 Structure schemes of 4 kinds of coil induction heating device structure

從圖5可以看出：方案1鐵芯完全貫穿線圈時(shí)，線圈感應(yīng)加熱裝置所產(chǎn)生的磁感應(yīng)熱主要分布在增加鐵芯的部分，在熱板上所形成的磁場不滿足加熱條件；方案2鐵芯與線圈等高時(shí)，熱板上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布與方案1相似，磁感應(yīng)熱也主要分布在鐵芯部分；方案3鐵芯位于熱板部分時(shí)，熱板上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布較為均勻，磁感應(yīng)強(qiáng)度最大點(diǎn)出現(xiàn)在鐵芯部分，雖然熱板的中心處還存在加熱死區(qū)，但熱板上的磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯增大；方案4鐵芯位于熱板部分為圓臺形時(shí)，線圈感應(yīng)加熱裝置使熱板上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的均勻性進(jìn)一步改善，可降低后期集中熱應(yīng)力的影響。

圖5 4種方案線圈感應(yīng)加熱裝置的磁感應(yīng)強(qiáng)度等值云圖Fig.5 Magnetic induction intensity’s isonephogram of 4 kinds of coil induction heating device

線圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案確定為方案4，該結(jié)構(gòu)線圈感應(yīng)加熱裝置在熱板上所形成的磁場均勻性得到很好地改善[7]，在熱板中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯增大，這意味著在此處所形成的渦流強(qiáng)度也會增大，最終表現(xiàn)為熱板溫度升高和熱板溫度分布較為均勻。

3 結(jié)論

電磁加熱技術(shù)高效和節(jié)能的優(yōu)勢使其在諸多的加熱方式中脫穎而出。在橡膠硫化領(lǐng)域，橡膠是熱的不良導(dǎo)體，對硫化溫度均勻性的要求較高。針對線圈感應(yīng)加熱裝置加熱過程中熱板中心形成加熱死區(qū)的問題，對線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的線圈鐵芯位于熱板部分，為圓臺形，使熱板上的磁感應(yīng)強(qiáng)度和溫度場分布較為均勻，提升了橡膠硫化質(zhì)量。