基于電磁感應(yīng)加熱的硫化機(jī)熱板溫度場(chǎng)分析*

□ 孫國(guó)通 □ 陳 興 □ 王 進(jìn) □ 孫寶壽

1.寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院 浙江寧波 315211 2.浙江省零件軋制成形技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江寧波 315211

1 研究背景

在用硫化機(jī)熱板加工橡膠制品的過程中,熱板表面溫度不均勻容易造成橡膠制品發(fā)生硫化不完全情況,嚴(yán)重制約最終產(chǎn)品的成型,成為制造瓶頸。傳統(tǒng)硫化機(jī)熱板采用油加熱或電阻加熱[1],加熱效率較低,且熱板表面溫度難以達(dá)到理想水平。電磁感應(yīng)加熱控制方式簡(jiǎn)單,在短時(shí)間內(nèi)能產(chǎn)生大量熱量,成為當(dāng)今加熱方式的研究熱點(diǎn)之一[2-3]。電磁感應(yīng)加熱主要通過控制電磁感應(yīng)過程中的電流、頻率來達(dá)到控制加熱的目的[4]。Eom等[5]研究發(fā)現(xiàn),隨著電磁波頻率及電流的增大,硫化機(jī)熱板的溫差也增大。余露等[6]應(yīng)用正交法對(duì)電磁參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,相對(duì)而言,電磁參數(shù)中電流的影響比較大,優(yōu)化后熱板溫差為3 K。陳富豪等[7]結(jié)合遺傳算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),對(duì)感應(yīng)頻率、感應(yīng)電流密度、時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化,得到最的優(yōu)參數(shù)組合。趙朋成等[8]運(yùn)用模糊控制原理控制感應(yīng)過程中的加熱功率,改善熱板溫度的均勻性,同時(shí)確認(rèn)由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象的復(fù)雜性,線圈的形狀對(duì)加熱所產(chǎn)生的影響也不容忽視。Huang Mingshyan等[9]提出使用分層式線圈,結(jié)合主成分分析及田口法來優(yōu)化線圈的結(jié)構(gòu),可以將熱板的溫差控制在3 K以內(nèi)。胡曉飛[10]研究得出,采用矩形線圈加熱熱板,溫度較均勻,同時(shí)推導(dǎo)得到熱板發(fā)熱區(qū)域與線圈形狀相關(guān)。Mrozek[11]發(fā)現(xiàn)磁屏蔽材料可以改善熱板上磁通密度的分布,以達(dá)到優(yōu)化的目的,但并未解決如何排布屏蔽材料。

以上研究通過線圈設(shè)計(jì)、參數(shù)優(yōu)化、添加磁屏蔽材料來解決熱板表面溫度均勻性問題。筆者通過采用COMSOL商業(yè)仿真軟件對(duì)電磁感應(yīng)加熱下的硫化機(jī)熱板進(jìn)行模擬仿真,分析噴涂不同尺寸及形狀45號(hào)鋼涂層時(shí)的加熱效率,研究如何選擇保溫電流,并采用溫度不均勻因數(shù)來評(píng)估熱板最終的溫差,為在電磁感應(yīng)加熱下的硫化機(jī)熱板優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

2 電磁感應(yīng)加熱理論

電磁感應(yīng)加熱源自法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁現(xiàn)象,當(dāng)線圈接通交流電時(shí),在線圈周圍會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。在交流磁場(chǎng)中,金屬導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生渦流,從而使導(dǎo)體內(nèi)發(fā)熱。

2.1 電磁場(chǎng)控制方程

由積分形式轉(zhuǎn)換為微分形式的麥克斯韋方程組適用于所存在空間的任意一點(diǎn),電磁感應(yīng)加熱時(shí)的電磁場(chǎng)控制方程為:

(1)

式中:A為磁矢量,Wb/m;為梯度算子;J為總電流密度矢量,A/m2;Je為渦流密度矢量,A/m2;Js為源電流密度矢量,A/m2;σ為電導(dǎo)率,S/m;μ1為磁導(dǎo)率,H/m;t為時(shí)間,s;Φ為標(biāo)量勢(shì),V。

對(duì)式(1)取散度,得:

(2)

(3)

綜上得到熱板電磁場(chǎng)控制方程為:

(4)

對(duì)于熱板及線圈周圍空氣域,假設(shè)Je、Js為0,則控制方程為:

(5)

對(duì)于線圈,假設(shè)渦流可以忽略,則控制方程為:

(6)

2.2 溫度場(chǎng)控制方程

求解電磁場(chǎng)和渦流場(chǎng)的目的是利用電磁感應(yīng)產(chǎn)生的焦耳熱作為內(nèi)部熱源來計(jì)算溫度場(chǎng)。溫度場(chǎng)控制方程為:

(7)

(8)

式中:ρ為材料密度,kg/m3;c(T)為比熱容,J/(kg·K);λ(T)為導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);qv為渦流引起的熱源強(qiáng)度,W/m3;T為熱板溫度,℃。

2.3 溫度場(chǎng)邊界條件

線圈與空氣交界面的邊界條件方程為:

-nair·(-λairTair)-ncoil·(-λcoilTcoil)=0

(9)

式中:nair、ncoil分別為空氣邊界和線圈邊界的法向向量;λair、λcoil分別為空氣和線圈的導(dǎo)熱系數(shù);Tair、Tcoil分別為空氣和線圈的溫度梯度。

無窮域的邊界條件為:

T=T0

(10)

式中:T0為初始溫度,T0=25 ℃。

絕緣層的電荷量q為0。

熱傳導(dǎo)的邊界條件為:

(11)

式中:T1、T2為熱傳導(dǎo)兩側(cè)的溫度;λ1、λ2為熱傳導(dǎo)兩側(cè)的導(dǎo)熱系數(shù);n為熱傳導(dǎo)法向方向。

熱板表面與空氣域邊界條件為:

=hw(Tα-T)+hm(Tα-T)

(12)

(13)

式中:nx、ny、nz依次為X、Y、Z方向向量;hm為熱輻射系數(shù),W/(m2·K);hw為對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2·K);Tα為環(huán)境溫度模型,取25 ℃;ε為輻射率模型,取0.68;σs為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)。

2.4 電磁場(chǎng)邊界條件

模型域邊界可以分為兩類,一類是不同介質(zhì)的界面,另一類是場(chǎng)的外邊界。

不同介質(zhì)的界面邊界條件為:

(14)

式中:H1、H2為兩側(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度,A/m;B1、B2為兩側(cè)磁通密度,Wb/m2;n為單位法向量;t1為單位切向量。

場(chǎng)的外邊界在不同條件下有不同的邊界條件。通量平行邊界條件為:

A=0

通量垂直邊界條件為:

無限域邊界條件為:

A=0

在感應(yīng)加熱的過程中,由于渦流的影響,在靠近線圈的熱板底部薄層中首先產(chǎn)生熱量,熱量的穿透深度δ為:

(15)

式中:f為交流頻率,Hz;ρ1為電阻率,Ω·m。

3 熱板溫度場(chǎng)分析

3.1 熱板物理模型

熱板電磁感應(yīng)加熱模型如圖1所示,安裝位置如圖2所示。采用熱噴涂工藝在熱板上噴涂45號(hào)鋼涂層[12],為研究噴涂形狀對(duì)電磁加熱的影響,噴涂方式一般選擇菱形噴涂、全噴涂、三角形噴涂、仿線圈形狀噴涂、圓形噴涂、正方形噴涂。

▲圖1 熱板電磁感應(yīng)加熱模型

▲圖2 熱板安裝布置

在SolidWorks軟件中建立熱板三維模型,并建立六種噴涂模型,如圖3所示。

熱板平面尺寸均為500 mm×500 mm,線圈直徑為16 mm,冷卻管道直徑為8 mm,所使用的線圈與噴涂表面距離為5 mm。菱形噴涂尺寸為32 mm×32 mm,每個(gè)菱形噴涂間距為7 mm。全噴涂尺寸為320 mm×320 mm。三角形噴涂為等邊三角形,邊長(zhǎng)為32 mm,每個(gè)三角形噴涂間距為7 mm。仿線圈形狀噴涂尺寸為46 mm。圓形噴涂直徑為32 mm,每個(gè)圓形噴涂間距為7 mm。正方形噴涂尺寸為32 mm×32 mm,每個(gè)正方形涂漆間距為7 mm。

根據(jù)式(15)可以得出,選用頻率為70 kHz時(shí),在感應(yīng)加熱過程中熱量的穿透深度為0.08 mm。由于穿透深度和頻率成反比,因此可選取較高的頻率。噴涂厚度需大于穿透深度,由此選擇噴涂厚度為0.3 mm。與文獻(xiàn)[13]介紹的傳統(tǒng)熱板不同的是,筆者在紫銅熱板頂面處額外增加2 mm厚的45號(hào)鋼鋼板,用于延緩溫度的迅速下降。

3.2 模型材料參數(shù)

模型中線圈及熱板材料為銅,涂層及熱板底面材料為45號(hào)鋼,所采用的材料屬性見表1。熱板溫度通常不高于300 ℃,因此不會(huì)使45號(hào)鋼涂層達(dá)到居里溫度。

表1 模型材料屬性

3.3 有限元模擬

根據(jù)以上分析,應(yīng)用SolidWorks軟件進(jìn)行熱板幾何建模后,將六種噴涂類型模型以.step格式文件導(dǎo)出,并在COMSOL Multiphysics軟件中依次導(dǎo)入文件,設(shè)置模型材料屬性,進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分,如圖4所示。感應(yīng)電流為850 A,仿真頻率為50 kHz,線圈與熱噴涂涂層間距為5 mm,環(huán)境溫度為25 ℃,輻射率為0.68。

線圈在電磁感應(yīng)加熱過程中,由于趨膚感應(yīng)的存在,線圈外表面是感應(yīng)電流的主要分布區(qū)域,在劃分網(wǎng)格時(shí),需要對(duì)線圈的外表面進(jìn)行集中網(wǎng)格細(xì)化處理。在COMSOL軟件中采用掃略網(wǎng)格對(duì)線圈進(jìn)行網(wǎng)格劃分。硫化機(jī)熱板的工作區(qū)域形狀規(guī)整,此部分網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格掃略。對(duì)于與線圈接近的熱板面,為保證仿真精度,需要進(jìn)行額外細(xì)化處理。網(wǎng)格尺寸需小于熱板的趨膚深度。對(duì)于模型中的空氣域,由于區(qū)域形狀復(fù)雜,可以采用四面體網(wǎng)格來劃分。需要注意的是,因?yàn)榫€圈與熱板附近的空氣域接觸為曲面物理場(chǎng),為保證有較好的計(jì)算精度和收斂性,需要進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理。

▲圖3 熱板噴涂模型

▲圖4 模型網(wǎng)格劃分

設(shè)置熱板目標(biāo)面溫度為120 ℃,觀察熱板目標(biāo)面溫度分布云圖及目標(biāo)面溫差情況,分析在達(dá)到相同溫度120 ℃時(shí)六種噴涂方案溫升的速率及溫升過程中目標(biāo)面溫度的均勻性。若電流一直保持在850 A,則熱板目標(biāo)面溫度會(huì)隨加溫時(shí)間的延長(zhǎng)而持續(xù)升高。過高的溫度會(huì)對(duì)硫化產(chǎn)品造成不利影響,如破壞硫化產(chǎn)品內(nèi)部分子鏈破壞,硫化反原導(dǎo)致產(chǎn)品性能降低等。為使熱板在達(dá)到所需溫度時(shí)能夠保持溫度穩(wěn)定,需要在目標(biāo)面溫度達(dá)到120 ℃時(shí)及時(shí)減小加熱電流,進(jìn)入保溫階段,并調(diào)整好保溫電流。此時(shí)熱板45號(hào)鋼涂層最高溫度會(huì)明顯下降,并逐步趨于穩(wěn)定,熱板表面最小溫度與最大溫度的溫差也會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷減小,熱板的溫度達(dá)到均勻。由于保溫電流的影響相對(duì)獨(dú)立,因此筆者分析在加熱過程中如何合理確定保溫電流。

3.4 目標(biāo)面溫度對(duì)保溫電流影響

仿真中,保溫電流和目標(biāo)面溫度關(guān)系如圖5所示。

▲圖5 保溫電流與目標(biāo)面溫度關(guān)系

由圖5可以發(fā)現(xiàn),目標(biāo)面溫度升高時(shí),所對(duì)應(yīng)的保溫電流增大。熱板目標(biāo)面溫度升高時(shí)的熱量方程為:

QT=QE-QL

(16)

式中:QT為溫升時(shí)吸收的熱量;QE為渦流發(fā)熱量;QL為熱損失。

目標(biāo)面溫度升高可分為兩個(gè)階段,第一是加熱階段,第二是保溫階段。第一階段中,隨著加熱電流增大,渦流發(fā)熱增加,溫升速度加快,此時(shí)熱板目標(biāo)面最高、最低溫度的溫差也會(huì)增大。第二階段中,隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng),目標(biāo)面最高、最低溫度的溫差逐步減小,并趨近于零。當(dāng)QT為零時(shí),式(16)變?yōu)?

QE=QL

(17)

此時(shí)目標(biāo)面達(dá)到熱平衡,目標(biāo)面溫度處于穩(wěn)定,保溫電流僅起到維持熱板目標(biāo)面溫度均勻的作用。如果目標(biāo)面的目標(biāo)溫度高,那么所對(duì)應(yīng)的保溫電流需相應(yīng)增大。由圖5還可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)目標(biāo)面溫度為60～120 ℃時(shí),保溫電流變化斜率較大,保溫電流由30 A增大到110 A;當(dāng)目標(biāo)面溫度為120～180 ℃時(shí),保溫電流變化斜率相對(duì)較小,保溫電流逐漸穩(wěn)定在120 A。

3.5 溫度均勻性評(píng)估

引入溫度不均勻因數(shù)公式對(duì)目標(biāo)面溫度均勻性進(jìn)行評(píng)估,通過對(duì)熱板加熱后熱板目標(biāo)面的溫度不均勻因數(shù)進(jìn)行有效統(tǒng)計(jì)計(jì)算,量化熱板目標(biāo)面溫度場(chǎng)分布的均勻性。目標(biāo)面網(wǎng)格如圖6所示。溫度不均勻因數(shù)是目標(biāo)面溫度標(biāo)準(zhǔn)差與目標(biāo)面平均溫度的比值,反映的是熱板目標(biāo)面達(dá)到目標(biāo)溫度后熱板表面溫度的分布情況。通過加熱過程中熱板表面溫度不均勻因數(shù)的變化趨勢(shì),可以評(píng)估熱板表面溫度均勻性。溫度不均勻因數(shù)Kt為:

▲圖6 目標(biāo)面網(wǎng)格

(18)

溫度不均勻因數(shù)越小,熱板目標(biāo)面溫度的均勻性就越好。

3.6 溫度場(chǎng)分析結(jié)果

六種不同噴涂方案在電磁感應(yīng)加熱3 000 s后熱板目標(biāo)面的溫度分布云圖如圖7～圖12所示,溫度變化曲線如圖13～圖18所示。菱形噴涂方案在加熱時(shí)間達(dá)到2 220 s時(shí),熱板目標(biāo)面最高溫度達(dá)到初始設(shè)定目標(biāo)溫度120 ℃。這一階段在噴涂層中產(chǎn)生渦電流,目標(biāo)面溫度勻速上升。隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng),進(jìn)入保溫階段。由于銅具有優(yōu)良的導(dǎo)熱能力,使熱板目標(biāo)面溫度快速上升,并使目標(biāo)面溫度逐漸趨于均勻。進(jìn)入保溫階段且加熱時(shí)間達(dá)到3 000 s后,熱板目標(biāo)面最高溫度為120.100 ℃,最低溫度為119.648 ℃。全噴涂方案在加熱時(shí)間達(dá)到1 120 s時(shí),熱板目標(biāo)面最高溫度達(dá)到初始設(shè)定目標(biāo)溫度120 ℃,然后調(diào)整加熱電流,在加熱時(shí)間達(dá)到3 000 s后,熱板目標(biāo)面最高溫度為120.430 ℃,最低溫度為120.231 ℃。三角形噴涂方案在加熱時(shí)間達(dá)到1 410 s時(shí),熱板目標(biāo)面最高溫度達(dá)到初始設(shè)定目標(biāo)溫度120 ℃,在加熱時(shí)間達(dá)到3 000 s后,熱板目標(biāo)面最高溫度為122.878 ℃,最低溫度為117.898 ℃。仿線圈形狀噴涂方案在加熱時(shí)間達(dá)到710 s時(shí),熱板目標(biāo)面最高溫度達(dá)到初始設(shè)定目標(biāo)溫度120 ℃,在加熱時(shí)間達(dá)到3 000 s后,熱板目標(biāo)面最高溫度為121.128 ℃,最低溫度為120.950 ℃。圓形噴涂方案在加熱時(shí)間達(dá)到2 800 s時(shí),熱板目標(biāo)面最高溫度達(dá)到初始設(shè)定目標(biāo)溫度120 ℃,在加熱時(shí)間達(dá)到3 000 s后,熱板目標(biāo)面最高溫度為119.627 ℃,最低溫度為117.657 ℃。正方形噴涂方案在加熱時(shí)間達(dá)到2 220 s時(shí),熱板目標(biāo)面最高溫度達(dá)到初始設(shè)定目標(biāo)溫度120 ℃,在加熱時(shí)間達(dá)到3 000 s后,熱板目標(biāo)面最高溫度為120.957 ℃,最低溫度為120.658 ℃。

▲圖7 菱形噴涂方案溫度云圖

▲圖8 全噴涂方案溫度云圖

▲圖9 三角形噴涂方案溫度云圖

▲圖10 仿線圈形狀噴涂方案溫度云圖

▲圖11 圓形噴涂方案溫度云圖

▲圖12 正方形噴涂方案溫度云圖

▲圖13 菱形噴涂方案溫度變化曲線

▲圖14 全噴涂方案溫度變化曲線

▲圖15 三角形噴涂方案溫度變化曲線

▲圖16 仿線圈形狀噴涂方案溫度變化曲線

▲圖17 圓形噴涂方案溫度變化曲線

▲圖18 正方形噴涂方案溫度變化曲線

由分析可以發(fā)現(xiàn),仿線圈形狀噴涂方案最優(yōu),可以在較短時(shí)間內(nèi)滿足熱板目標(biāo)面的溫差要求,溫度不均勻因數(shù)小于0.001。全噴涂方案整體加熱速率低于仿線圈形狀噴涂方案,但優(yōu)于其余四種噴涂方案。全噴涂方案在加熱時(shí)間達(dá)到1 120 s的過程中,溫差較大,接近12 K,在施加保溫電流后,最終溫差與仿線圈形狀噴涂方案幾乎一致,為0.2 K。當(dāng)然,全噴涂方案經(jīng)濟(jì)成本較高。三角形噴涂方案加熱速率良好,處于六種噴涂方案中間值,但加熱過程中熱板目標(biāo)面溫差過大,大于50 K,雖然可以采用保溫電流方式來調(diào)節(jié)最終溫差,但最終溫差仍然接近5 K左右。菱形噴涂方案、圓形噴涂方案、正方形噴涂方案雖然在加熱過程中可以將溫差控制在5～7 K,但是在加熱速率方面遠(yuǎn)低于其它三種噴涂方案,并且耗能大。

由加熱過程中熱板目標(biāo)面溫度不均勻因數(shù)的變化趨勢(shì)可以看出,未達(dá)到目標(biāo)溫度120 ℃時(shí),六種噴涂方案在加熱初期溫度不均勻因數(shù)呈線性增大趨勢(shì),并迅速達(dá)到峰值,其中,三角形噴涂方案在加熱420 s后達(dá)到峰值0.136,菱形噴涂方案、正方形噴涂方案、圓形噴涂方案在加熱370 s后依次達(dá)到峰值0.027、0.027、0.024,仿線圈形狀噴涂方案在加熱130 s后達(dá)到峰值0.042,全噴涂方案在加熱100 s后達(dá)到峰值0.054。在六種噴涂方案溫度變化曲線中,還有溫度不均勻因數(shù)第二次下降的現(xiàn)象,這是因?yàn)槭┘颖仉娏骱?熱板目標(biāo)面溫度的均勻性得到迅速改善,三角形噴涂方案由未施加保溫電流時(shí)的0.092下降到施加保溫電流后的0.01,菱形噴涂方案、正方形噴涂方案由0.01下降到0.001,圓形噴涂方案由0.008下降到0.004,全噴涂方案、仿線圈形狀噴涂方案分別由0.012、0.12下降到接近于0.000 1。綜合評(píng)估六種噴涂方案目標(biāo)面的溫度不均勻因數(shù),可以得到仿線圈形狀噴涂方案為最優(yōu)方案。

4 仿線圈形狀噴涂方案參數(shù)優(yōu)化

綜合以上分析,選擇仿線圈形狀噴涂方案進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。通常影響熱板表面溫差的主要因素為加熱頻率、線圈與噴涂層距離、加熱電流。正交試驗(yàn)?zāi)軌驈娜嬖囼?yàn)中選取具有代表性的試驗(yàn)組合,使試驗(yàn)具有均勻分散、齊整可比的特點(diǎn),在多因素多水平研究中可以大幅減少試驗(yàn)次數(shù),在各研究領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。筆者選擇加熱頻率、線圈與噴涂層距離、加熱電流三個(gè)主要因素,確定三因素三水平正交表,正交試驗(yàn)因素和水平見表2。

表2 正交試驗(yàn)因素和水平

根據(jù)表2設(shè)計(jì)正交試驗(yàn),由L9(33)正交表得到九種變量組合,應(yīng)用COMSOL軟件進(jìn)行三維瞬態(tài)求解,試驗(yàn)結(jié)果為仿線圈形狀噴涂方案熱板表面溫差。正交試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

利用極差分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,見表4。極差R表示任意一列因素水平的試驗(yàn)指標(biāo)最大值與最小值之差,Ti表示任意一列中水平i所對(duì)應(yīng)的指標(biāo)之和。由分析結(jié)果可知,仿線圈形狀噴涂方案各因素對(duì)溫差影響從大到小為線圈與噴涂層距離、加熱頻率、加熱電流。

表4 極差分析

根據(jù)Ti的大小可以判斷三個(gè)因素的最優(yōu)水平,試驗(yàn)指標(biāo),即熱板表面溫差越小越好,因此應(yīng)選擇每個(gè)因素小指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的水平。由表4可見,各因素的最優(yōu)水平組合為加熱頻率60 kHz、線圈與噴涂層距離7 mm、加熱電流900 A。

得出最優(yōu)參數(shù)組合后,對(duì)仿線圈形狀噴涂方案采用COMSOL軟件進(jìn)行三維瞬態(tài)模擬分析,得出熱板表面溫度分布云圖,如圖19所示。優(yōu)化前后熱板表面溫度不均勻因數(shù)曲線如圖20所示。

▲圖19 熱板表面溫度分布云圖

經(jīng)正交試驗(yàn)極差參數(shù)優(yōu)化后,未施加保溫電流時(shí),熱板表面溫差由為9.1 K減小為2.2 K。施加保溫電流后,保溫時(shí)間縮短,溫差進(jìn)一步減小至0.2 K,優(yōu)化后的結(jié)果符合硫化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

▲圖20 熱板表面溫度不均勻因數(shù)曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

為了研究電磁感應(yīng)加熱過程中硫化機(jī)熱板溫度場(chǎng),采用COMSOL軟件進(jìn)行了仿真模擬,分析噴涂不同形狀45號(hào)鋼涂層加熱效率與溫差的關(guān)系、熱板表面目標(biāo)溫度及噴涂尺寸與保溫電流的關(guān)系、噴涂尺寸與加熱速率的關(guān)系,并采用正交試驗(yàn)對(duì)最優(yōu)方案參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,以達(dá)到減小溫差的目的。

當(dāng)熱板表面目標(biāo)溫度從60 ℃提高到200 ℃時(shí),保溫電流從30 A增大到120 A。

通過不同噴涂方案噴涂45號(hào)鋼涂層,在頻率為50 kHz,加熱電流為850 A,保溫電流為110 A,線圈與熱板距離為5 mm的條件下,菱形噴涂方案、全噴涂方案、三角形噴涂方案、仿線圈形狀噴涂方案、圓形噴涂方案、正方形噴涂方案六種噴涂方案中,仿線圈形狀噴涂方案加熱效率最高,加熱710 s后,熱板表面溫度可達(dá)到120 ℃。

利用正交試驗(yàn)與極差分析對(duì)仿線圈形狀噴涂方案進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,各因素對(duì)溫差的影響程度從大到小為線圈與噴涂層距離、加熱頻率、加熱電流。用最佳參數(shù)組合進(jìn)行模擬,在未施加保溫電流時(shí),溫差由原來的9.1 K減小到2.2 K,在施加保溫電流后,溫差進(jìn)一步減小至0.2 K。