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  感应加 热来源于法拉第发现的电磁感应现象,也就是 交变的电流会在导体中产生感应电流,从而导致导体发热。1890年瑞典 技术人员发明了第一台感应熔炼炉 ——开槽式有芯炉, 1916年美国 人发明了闭槽有芯炉,从此感 应加热技术逐渐进入实用化阶段。
  20世纪电 力电子器件和技术的飞速发展,极大地 促进了感应加热技术的发展。
  1957年,美国研 制出作为电力电子器件里程碑的晶闸管,标志着 现代电力电子技术的开始,也引发 了感应加热技术的革命。1966年,瑞士和 西德首先利用晶闸管研制感应加热装置,从此感 应加热技术开始飞速发展。
  20世纪80年代后,电力电 子器件再次快速发展,GTO、MOSFET、IGBT、M CT及 SIT等器件相继出现。感应加 热装置也逐渐摒弃晶闸管,开始采用这些新器件。现在比较常用的是IGBT和MOSFET, IGBT用于较大功率场合,而MOSFET用于较高频率场合。据报道,国外可以采用IGBT将感应 加热装置做到功率超过1000kW ,频率超过50kHz。而MOSFET较适用高频场合,通常应 用在几千瓦的中小功率场合,频率可达到500kHz以上,甚至几兆赫兹。然而国 外也有推出采用 MOSFET的大功 率的感应加热装置,比如美国研制的2000kW /400kHz的装置。
  我国感 应热处理技术的真正应用始于1956年,从前苏联引入,主要应用在汽车工业。随着 20世纪电源设备的制造,感应淬 火工艺装备也紧随其后得到发展。现在感 应淬火工艺装备制造业也日益扩大,产品品种多,原来需要进口的装备,逐步被国产品所取代。目前感 应加热制造业的服务对象主要是汽车制造业,今后现 代冶金工业将对感应加热有较大需求。
  一、感应加热特点
  感应加 热技术具有快速、清洁、节能、易于实 现自动化和在线生产、生产效率高等特点,是内部热源,属非接触加热方式,能提供高的功率密度,在加热 表面及深度上有高度灵活的选择性,能在各种载气中工作 (空气、保护气、真空),损耗极低,不产生任何物理污染,符合环 保和可持续发展方针,是绿色 环保型加热工艺之一。它与可控气氛热处理、真空热 处理少无氧化技术已成为热处理技术的发展主流。
  其主要应用有:
  (1)冶金 有色金属的冶炼,金属材料的热处理,锻造、挤压、轧制等 型材生产的透热,焊管生产的焊缝。
  (2)机械制造 各种机械零件的淬火,以及淬火后的回火、退火和 正火等热处理的加热;压力加工前的透热。
  (3)轻工 罐头以 及其他包装的封口,比如着 名的利乐砖的封口包装。
  (4)电子 电子管 真空除气的加热。
  (5)特殊应用 如等离子、堆焊等。
  以一汽为例,在生产的中型车、轻型车和轿车上,就有近200种零件 需要感应加热淬火处理,从感应 加热淬火零件的形状和尺寸来看,可称得 上花样繁多且大小均有。随着感 应淬火技术的不断发展,感应淬 火的零件已上升到占全部热处理零件的50%左右。据有关数据表明,在我国的汽车工业中,感应热 处理的应用正进入世界先进水平的行列。
  二、感应加热新工艺
  感应加 热工艺是感应加热技术水平的主要体现,是技术发展的基础,先进的 感应加热工艺技术可以有效地发挥感应加热的特点,节能的局部热处理。
  (1)纵向感应加热淬火 半轴纵 向感应加热淬火已用于汽车、拖拉机工业。半轴纵向加热是淬火。在德国、美国有 半轴淬火专用机床,将加热、校正和 淬火在一台机床上完成,提高了生产率,淬火与 连续淬火相同产量的设备占地面积各为40m2与115m2。
  (2)曲轴颈圆角淬火 曲轴颈圆角淬火后,疲劳强 度比正火的提高一倍,我国生产的康明斯与 NH发动机 曲轴均已采用此种工艺。
  (3)低淬透性钢齿轮淬火 早在20世纪70年代我国曾进行55DT、60DT、70DT钢研究 并取得初步成果,以后因 钢的淬透性不稳定等原因,低淬钢 未继续用于生产。1992年俄罗 斯低淬钢创始人,K.3ЩЕПЕ ЛЯКОВСКЦЦ博士来中国讲学,并到某 一钢厂调查冶炼低淬钢的条件,认为该 厂具备生产低淬钢条件。YB 2009—1981《低淬透 性含钛碳素结构钢》中对合 金元素的控制与俄罗斯不同,(俄)1054—74、58(55П П)钢的元素含量对 Mn、Cr、Ni、Cu四元素之和规定要求<0.5%(质量分数),而YB2009—8155Ti钢对Cr、Ni、Cu三元素之和规定<0.5%(质量分数),这可能是关键所在。
  俄罗斯 低淬钢及控制淬透性钢已大量应用于汽车、拖拉机后桥齿轮、挖掘机齿轮、传动十字轴、火车车厢用滚动轴承、汽车板 簧和铁路螺旋弹簧等,取得了 极大的经济效益。
  (4)感应电阻淬火 众所周知,转向齿 条的齿部采用感应电阻法淬火,有三台 以上的进口机床在生产。英国一 台机床将此工艺用于齿轮生产,发现淬 火后齿轮基本不变形并可随后进入装配工序。
  (5)曲轴轴 颈固定加热淬火 新设备称为 Gr ankproTM,用二个 半环形固定加热感应器取代8字半环 形旋转加热感应带。此套设 备能对曲颈进行淬火与回火,与老工艺相比,具有节能、占地面积小、工件变 形小和感应器寿命长等优点。
  三、感应加热电源及技术
  在电源 方面晶闸管中频取代机式发电机。20世纪 90年代初,晶闸管 电源厂曾如雨后春笋,遍地开花,经过优胜劣汰的竞争,现在生 产厂已趋向稳定。目前晶 闸管电源又在向 IGBT晶体管电源发展,而电子 管高频则将发展为MOSFET晶体管电源,手提晶体管超音频、高频电 源市场竞争十分激烈,也将是谁的质量高、技术水平高,谁就能站稳脚跟。
  国产中 频电源目前都采用并联谐振型逆变器结构。因此,在研究 和开发更大容量的并联逆变中频电源的同时,研制结构简单、易于频 繁起动的串联逆变中频电源是中频感应加热装置领域有待解决的问题,尤其是在熔炼、铸造应用中,串联逆 变电源易实现全工况下恒功率输出 (有利于降低电能吨耗)及一机 多负载功率分配控制,更值得推广应用。
  在超音频 (10~100kHz)范围内,由于晶 闸管本身开关特性等参数的限制,给研制 该频段的电源带来了很大的技术难度。虽然在 80年代浙 江大学采用晶闸管倍频电路研制了50kW /50kHz超音频电源,采用时 间分割电路研制了30kHz的晶闸管超音频电源,但由于 倍频电路的双谐振回路耦合使负载呈非线性,时变加 热负载参数与谐振回路参数匹配调试相当复杂,而时间 分割电路控制和主回路结构复杂,逆变管利用率低,因此没 有得到很好的推广应用。
  70至80年代初,人们将 现代半导体微集成加工技术与功率半导体技术进行结合,相继开 发出一大批全控电力电子半导体器件 (GTR、MOSFET、SIT、SITH及MCT等),为全固态超音频、高频电 源的研制打下了坚实的基础。
  在高频 (100kHz以上)频段,目前国 外正处在从传统的电子管电源向晶体管化全固态电源的过渡阶段。日本某些公司采用SIT,电源水平在80年代末达到了1000kW、200kHz, 400kW、400kHz。
  而在欧美,由于SIT存在高通态损耗 (SIT工作于非饱和区)等缺陷,其高频功率器件以MOSFET为主。随着MOSFET功率器件的模块化、大容量化, MOSFET高频感 应加热电源的容量得到了飞速发展。西班牙采用MOSFET的电流 型感应加热电源制造水平达600kW、400kHz,德国在1989年研制的电流型MOSFET感应加热电源水平达480kW、50~200kHz,比利时I nductoEiphiac公司生产的电流型MOSFET感应加 热电源水平可达1000kW、15~600kHz。浙江大学在 90年代研制出 20kW、300kHz MOSFET高频电源,已被成 功应用于小型刀具的表面热处理和飞机涡轮叶片的热应力考核。
  目前,感应加 热电源在中频频段主要采用晶闸管,超音频频段主要采用IGBT,而在高频频段,由于SIT存在高 导通损耗等缺陷,主要发展MOSFET电源。感应加 热电源虽采用谐振逆变器,有利于 功率器件实现软开关,但是感 应加热电源通常功率较大,对功率器件、无源器件、电缆、布线、接地和 屏蔽等均有许多特殊要求。因此,实现感 应加热电源高频化仍有许多应用基础技术需要进一步探讨,特别是 新型高频大功率器件 (如MCT、IGBT及SIT功率器件等)的问世,将进一 步促进高频感应加热电源的发展。
  从电路 的角度来考虑感应加热电源的大容量化,可将大 容量化技术分为两大类:一类是器件的串、并联;另一类 是多桥或多台电源的串、并联。在器件的串、并联方式中,必须认 真处理串联器件的均压问题和并联器件的均流问题,由于器 件制造工艺和参数的离散性,限制了器件的串、并联数目,且串、并联数越多,装置的可靠性越差。多台电源的串、并联技术是在器件串、并联技 术基础上进一步再容量化的有效手段,借助于可靠的电源串、并联技术,在单机 容量适当的情况下,可简单地通过串、并联运 行方式得到大容量装置,每台单 机只是装置的一个单元 (或一个模块)。
  感应加 热电源逆变器主要有并联逆变器和串联逆变器,串联逆 变器输出可等效为一低阻抗的电压源,当两电压源并联时,相互间的幅值、相位和 频率不同或波动时将导致很大的环流,以至逆 变器件的电流产生严重不均,因此,串联逆 变器存在并机扩容困难;而对并联逆变器,逆变器 输入端的直流大电抗器可充当各并联逆变器之间的电流缓冲环节,使得输入端的AG/DG或DG/DG环节有 足够的时间来纠正直流电流的偏差,达到多机并联扩容,晶体管化超音频、高频电 流多采用并联逆变器结构,并联逆 变器易于模块化、大容量 化是其中的一个主要原因。
  感应加 热电源的负载对象各式各样,而电源 逆变器与负载是一有机的整体,一般采 用匹配变压器连接电源和负载感应器,高频、超音频 电源用的匹配变压器从磁性材料到绕组结构正在得到进一步的优化改进,同时,从电路 拓扑上可以用三无源元件代替二无源元件,以取消变压器,低成本匹配。
  感应加热电源,晶闸管、晶体管 与电子管式在均能生产。晶闸管 电源已生产应用多年。目前 IGBT电源因 其优点更多而更为用户所采用。MOSFET电源电效率高、低压,但价格较高,正在逐 步取代电子管高频电源。手提式 小型高频电源因价廉、方便,在应用广泛,甚至进入国外市场。
  超高频电源 (27.12MHz),过去依赖进口,现在至 少有两个企业已进行生产,解决了刀片、锯条等 特殊工艺的需要。
  随着感 应热处理生产线自动化控制程度及电源高可靠性要求的提高,必须加 强加热工艺成套装置的开发。同时感 应加热系统正向智能化控制方


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