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感應加熱技術和設備的發展

日期:2018-12-21 

  感應加熱來源于法拉第發現的電磁感應現象,也就是交變的電流會在導體中產生感應電流,從而導致導體發熱。1890年瑞典技術人員發明了第一臺感應熔煉爐 ——開槽式有芯爐, 1916年美國人發明了閉槽有芯爐,從此感應加熱技術逐漸進入實用化階段。 
  20世紀電力電子器件和技術的飛速發展,極大地促進了感應加熱技術的發展。
  1957年,美國研制出作為電力電子器件里程碑的晶閘管,標志著現代電力電子技術的開始,也引發了感應加熱技術的革命。1966年,瑞士和西德首先利用晶閘管研制感應加熱裝置,從此感應加熱技術開始飛速發展。
  20世紀80年代后,電力電子器件再次快速發展,GTO、MOSFET、IGBT、M CT及 SIT等器件相繼出現。感應加熱裝置也逐漸摒棄晶閘管,開始采用這些新器件?,F在比較常用的是IGBT和MOSFET, IGBT用于較大功率場合,而MOSFET用于較高頻率場合。據報道,國外可以采用IGBT將感應加熱裝置做到功率超過1000kW ,頻率超過50kHz。而MOSFET較適用高頻場合,通常應用在幾千瓦的中小功率場合,頻率可達到500kHz以上,甚至幾兆赫茲。然而國外也有推出采用 MOSFET的大功率的感應加熱裝置,比如美國研制的2000kW /400kHz的裝置。
  我國感應熱處理技術的真正應用始于1956年,從前蘇聯引入,主要應用在汽車工業。隨著 20世紀電源設備的制造,感應淬火工藝裝備也緊隨其后得到發展?,F在國內感應淬火工藝裝備制造業也日益擴大,產品品種多,原來需要進口的裝備,逐步被國產品所取代,在為國家節省外匯的同時,發展了國內的相關企業。目前感應加熱制造業的服務對象主要是汽車制造業,今后現代冶金工業將對感應加熱有較大需求。
  一、感應加熱特點
  感應加熱技術具有快速、清潔、節能、易于實現自動化和在線生產、生產效率高等特點,是內部熱源,屬非接觸加熱方式,能提供高的功率密度,在加熱表面及深度上有高度靈活的選擇性,能在各種載氣中工作 (空氣、保護氣、真空),損耗極低,不產生任何物理污染,符合環保和可持續發展方針,是綠色環保型加熱工藝之一。它與可控氣氛熱處理、真空熱處理少無氧化技術已成為熱處理技術的發展主流。
  其主要應用有:
 ?。?)冶金 有色金屬的冶煉,金屬材料的熱處理,鍛造、擠壓、軋制等型材生產的透熱,焊管生產的焊縫。
 ?。?)機械制造 各種機械零件的淬火,以及淬火后的回火、退火和正火等熱處理的加熱;壓力加工前的透熱。
 ?。?)輕工 罐頭以及其他包裝的封口,比如著名的利樂磚的封口包裝。
 ?。?)電子 電子管真空除氣的加熱。
 ?。?)特殊應用 如等離子、堆焊等。
  以一汽為例,在生產的中型車、輕型車和轎車上,就有近200種零件需要感應加熱淬火處理,從感應加熱淬火零件的形狀和尺寸來看,可稱得上花樣繁多且大小均有。隨著感應淬火技術的不斷發展,感應淬火的零件已上升到占全部熱處理零件的50%左右。據有關數據表明,在我國的汽車工業中,感應熱處理的應用正進入世界先進水平的行列。
  二、感應加熱新工藝
  感應加熱工藝是感應加熱技術水平的主要體現,是技術發展的基礎,先進的感應加熱工藝技術可以有效地發揮感應加熱的特點,實現高效、節能的局部熱處理。
 ?。?)縱向感應加熱淬火 半軸縱向感應加熱淬火已用于汽車、拖拉機工業。半軸縱向加熱是一次淬火。在德國、美國有半軸一次淬火專用機床,將加熱、校正和淬火在一臺機床上完成,提高了生產率,一次淬火與連續淬火相同產量的設備占地面積各為40m2與115m2。
 ?。?)曲軸頸圓角淬火 曲軸頸圓角淬火后,疲勞強度比正火的提高一倍,我國生產的康明斯與 NH發動機曲軸均已采用此種工藝。
 ?。?)低淬透性鋼齒輪淬火 早在20世紀70年代我國曾進行55DT、60DT、70DT鋼研究并取得初步成果,以后因鋼的淬透性不穩定等原因,低淬鋼未繼續用于生產。1992年俄羅斯低淬鋼創始人,K.3ЩЕПЕ ЛЯКОВСКЦЦ博士來中國講學,并到某一鋼廠調查冶煉低淬鋼的條件,認為該廠完全具備生產低淬鋼條件。YB 2009—1981《低淬透性含鈦優質碳素結構鋼》中對合金元素的控制與俄羅斯不同,(俄)1054—74、58(55П П)鋼的元素含量對 Mn、Cr、Ni、Cu四元素之和規定要求<0.5%(質量分數),而YB2009—8155Ti鋼對Cr、Ni、Cu三元素之和規定<0.5%(質量分數),這可能是關鍵所在。
  俄羅斯低淬鋼及控制淬透性鋼已大量應用于汽車、拖拉機后橋齒輪、挖掘機齒輪、傳動十字軸、火車車廂用滾動軸承、汽車板簧和鐵路螺旋彈簧等,取得了極大的經濟效益。
 ?。?)感應電阻淬火 眾所周知,轉向齒條的齒部采用感應電阻法淬火,國內已有三臺以上的進口機床在生產。英國一臺機床將此工藝用于齒輪生產,發現淬火后齒輪基本不變形并可隨后進入裝配工序。
 ?。?)曲軸軸頸固定加熱淬火 新設備稱為 Gr ankproTM,用二個半環形固定加熱感應器取代8字半環形旋轉加熱感應帶。此套設備能對曲頸進行淬火與回火,與老工藝相比,具有節能、占地面積小、工件變形小和感應器壽命長等優點。
  三、感應加熱電源及技術
  在電源方面晶閘管中頻取代機式發電機。20世紀 90年代初,國內晶閘管電源廠曾如雨后春筍,遍地開花,經過優勝劣汰的競爭,現在生產廠已趨向穩定。目前晶閘管電源又在向 IGBT晶體管電源發展,而電子管高頻則將發展為MOSFET晶體管電源,手提晶體管超音頻、高頻電源市場競爭十分激烈,其未來也將是誰的質量高、技術水平高,誰就能站穩腳跟。
  國產中頻電源目前都采用并聯諧振型逆變器結構。因此,在研究和開發更大容量的并聯逆變中頻電源的同時,研制結構簡單、易于頻繁起動的串聯逆變中頻電源是國內中頻感應加熱裝置領域有待解決的問題,尤其是在熔煉、鑄造應用中,串聯逆變電源易實現全工況下恒功率輸出 (有利于降低電能噸耗)及一機多負載功率分配控制,更值得推廣應用。
  在超音頻 (10~100kHz)范圍內,由于晶閘管本身開關特性等參數的限制,給研制該頻段的電源帶來了很大的技術難度。雖然在 80年代浙江大學采用晶閘管倍頻電路研制了50kW /50kHz超音頻電源,采用時間分割電路研制了30kHz的晶閘管超音頻電源,但由于倍頻電路的雙諧振回路耦合使負載呈非線性,時變加熱負載參數與諧振回路參數匹配調試相當復雜,而時間分割電路控制和主回路結構復雜,逆變管利用率低,因此沒有得到很好的推廣應用。
  70至80年代初,人們將現代半導體微集成加工技術與功率半導體技術進行結合,相繼開發出一大批全控電力電子半導體器件 (GTR、MOSFET、SIT、SITH及MCT等),為全固態超音頻、高頻電源的研制打下了堅實的基礎。
  在高頻 (100kHz以上)頻段,目前國外正處在從傳統的電子管電源向晶體管化全固態電源的過渡階段。日本某些公司采用SIT,電源水平在80年代末達到了1000kW、200kHz, 400kW、400kHz。
  而在歐美,由于SIT存在高通態損耗 (SIT工作于非飽和區)等缺陷,其高頻功率器件以MOSFET為主。隨著MOSFET功率器件的模塊化、大容量化, MOSFET高頻感應加熱電源的容量得到了飛速發展。西班牙采用MOSFET的電流型感應加熱電源制造水平達600kW、400kHz,德國在1989年研制的電流型MOSFET感應加熱電源水平達480kW、50~200kHz,比利時I nductoEiphiac公司生產的電流型MOSFET感應加熱電源水平可達1000kW、15~600kHz。浙江大學在 90年代研制出 20kW、300kHz MOSFET高頻電源,已被成功應用于小型刀具的表面熱處理和飛機渦輪葉片的熱應力考核。
  目前,感應加熱電源在中頻頻段主要采用晶閘管,超音頻頻段主要采用IGBT,而在高頻頻段,由于SIT存在高導通損耗等缺陷,國際上主要發展MOSFET電源。感應加熱電源雖采用諧振逆變器,有利于功率器件實現軟開關,但是感應加熱電源通常功率較大,對功率器件、無源器件、電纜、布線、接地和屏蔽等均有許多特殊要求。因此,實現感應加熱電源高頻化仍有許多應用基礎技術需要進一步探討,特別是新型高頻大功率器件 (如MCT、IGBT及SIT功率器件等)的問世,將進一步促進高頻感應加熱電源的發展。
  從電路的角度來考慮感應加熱電源的大容量化,可將大容量化技術分為兩大類:一類是器件的串、并聯;另一類是多橋或多臺電源的串、并聯。在器件的串、并聯方式中,必須認真處理串聯器件的均壓問題和并聯器件的均流問題,由于器件制造工藝和參數的離散性,限制了器件的串、并聯數目,且串、并聯數越多,裝置的可靠性越差。多臺電源的串、并聯技術是在器件串、并聯技術基礎上進一步再容量化的有效手段,借助于可靠的電源串、并聯技術,在單機容量適當的情況下,可簡單地通過串、并聯運行方式得到大容量裝置,每臺單機只是裝置的一個單元 (或一個模塊)。
  感應加熱電源逆變器主要有并聯逆變器和串聯逆變器,串聯逆變器輸出可等效為一低阻抗的電壓源,當兩電壓源并聯時,相互間的幅值、相位和頻率不同或波動時將導致很大的環流,以至逆變器件的電流產生嚴重不均,因此,串聯逆變器存在并機擴容困難;而對并聯逆變器,逆變器輸入端的直流大電抗器可充當各并聯逆變器之間的電流緩沖環節,使得輸入端的AG/DG或DG/DG環節有足夠的時間來糾正直流電流的偏差,達到多機并聯擴容,晶體管化超音頻、高頻電流多采用并聯逆變器結構,并聯逆變器易于模塊化、大容量化是其中的一個主要原因。
  感應加熱電源的負載對象各式各樣,而電源逆變器與負載是一有機的整體,一般采用匹配變壓器連接電源和負載感應器,高頻、超音頻電源用的匹配變壓器從磁性材料到繞組結構正在得到進一步的優化改進,同時,從電路拓撲上可以用三無源元件代替二無源元件,以取消變壓器,實現高效、低成本匹配。
  感應加熱電源,晶閘管、晶體管與電子管式在國內均能生產。晶閘管電源已生產應用多年。目前 IGBT電源因其優點更多而更為用戶所采用。MOSFET電源電效率高、低壓,但價格較高,正在逐步取代電子管高頻電源。手提式小型高頻電源因價廉、方便,在國內應用廣泛,甚至進入國外市場。
  超高頻電源 (27.12MHz),過去依賴進口,現在國內至少有兩個企業已進行生產,解決了刀片、鋸條等特殊工藝的需要。
  隨著感應熱處理生產線自動化控制程度及電源高可靠性要求的提高,必須加強加熱工藝成套裝置的開發。同時感應加熱系統正向智能化控制方向發展,具有計算機智能接口、遠程控制和故障自動診斷等控制性能的感應加熱電源系統正成為下一代的發展目標。
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