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,从而招致导体发热。1890年瑞典技术人员创造了一台感应熔炼炉 ——开槽式有芯炉, 1916年美国人创造了闭槽有芯炉,从此感应加热技术逐步进入适用化阶段。
20世纪电力电子器件和技术的飞速开展,极大地促进了感应加热技术的开展。
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端,也引发了感应加热技术的反动。1966年,瑞士和西德首先应用晶闸管研制感应加热安装,从此感应加热技术开端飞速开展。
20世纪80年代后,电力电子器件再次快速开展,GTO、MOSFET、IGBT、M CT及 SIT等器件相继呈现。感应加热安装也逐步摒弃晶闸管,开端采用这些新器件。如今比拟常用的是IGBT和MOSFET, IGBT用于较大功率场所,而MOSFET用于较高频率场所。据报道,国外能够采用IGBT将感应加热安装做到功率超越1000kW ,频率超越50kHz。而MOSFET较适用高频场所,通常应用在几千瓦的中小功率场所,频率可到达500kHz以上,以至几兆赫兹。但是国外也有推出采用 MOSFET的大功率的感应加热安装,比方美国研制的2000kW /400kHz的安装。
我国感应热处置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,感应淬火工艺配备也紧随其后得到开展。如今国内感应淬火工艺配备制造业也日益扩展,产品种类多,原来需求进口的配备,逐渐被国产品所取代,在为国度俭省外汇的同时,开展了国内的相关企业。目前感应加热制造业的效劳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、感应加热特性
感应加热技术具有快速、清洁、节能、易于完成自动化和在线消费、消费效率高等特性,是内部热源,属非接触加热方式,能提供高的功率密度,在加热外表及深度上有高度灵敏的选择性,能在各种载气中工作 (空气、维护气、真空),损耗极低,不产生任何物理污染,契合环保和可持续开展方针,是绿色环保型加热工艺之一。它与可控氛围热处置、真空热处置少无氧化技术已成为热处置技术的开展主流。
其主要应用有:
(1)冶金 有色金属的冶炼,金属资料的热处置,锻造、挤压、轧制等型材消费的透热,焊管消费的焊缝。
(2)机械制造 各种机械零件的淬火,以及淬火后的回火、退火和正火等热处置的加热;压力加工前的透热。
(3)轻工 罐头以及其他包装的封口,比方好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,在消费的中型车、轻型车和轿车上,就有近200种零件需求感应加热淬火处置,从感应加热淬火零件的外形和尺寸来看,可称得上把戏繁多且大小均有。随着感应淬火技术的不时开展,感应淬火的零件已上升到占全部热处置零件的50%左右。据有关数据标明,在我国的汽车工业中,感应热处置的应用正进入世界先进程度的行列。
二、感应加热新工艺
感应加热工艺是感应加热技术程度的主要表现,是技术开展的根底,先进的感应加热工艺技术能够有效地发挥感应加热的特性,完成高效、节能的部分热处置。
(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。半轴纵向加热是一次淬火。在德国、美国有半轴一次淬火专用机床,将加热、校正和淬火在一台机床上完成,进步了消费率,一次淬火与连续淬火相同产量的设备占空中积各为40m2与115m2。
(2)曲轴颈圆角淬火 曲轴颈圆角淬火后,疲倦强度比正火的进步一倍,我国消费的康明斯与 NH发起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年代我国曾停止55DT、60DT、70DT钢研讨并获得初步成果,以后因钢的淬透性不稳定等缘由,低淬钢未继续用于消费。1992年俄罗斯低淬钢开创人,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,以为该厂完整具备消费低淬钢条件。YB 2009—1981《低淬透性含钛优质碳素构造钢》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四元素之和规则请求<0.5%(质量分数),而YB2009—8155Ti钢对Cr、Ni、Cu三元素之和规则<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、发掘机齿轮、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,获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,国内已有三台以上的进口机床在消费。英国一台机床将此工艺用于齿轮消费,发现淬火后齿轮根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。此套设备能对曲颈停止淬火与回火,与老工艺相比,具有节能、占空中积小、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,国内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,如今消费厂已趋向稳定。目前晶闸管电源又在向 IGBT晶体管电源开展,而电子管高频则将开展为MOSFET晶体管电源,手提晶体管超音频、高频电源市场竞争非常剧烈,其将来也将是谁的质量高、技术程度高,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构造。因而,在研讨和开发更大容量的并联逆变中频电源的同时,研制构造简单、易于频繁起动的串联逆变中频电源是国内中频感应加热安装范畴有待处理的问题,特别是在熔炼、铸造应用中,串联逆变电源易完成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,更值得推行应用。
在超音频 (10~100kHz)范围内,由于晶闸管自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。固然在 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构造复杂,逆变管应用率低,因而没有得到很好的推行应用。
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停止分离,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根底。
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,电源程度在80年代末到达了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开展。西班牙采用MOSFET的电流型感应加热电源制造程度达600kW、400kHz,德国在1989年研制的电流型MOSFET感应加热电源程度达480kW、50~200kHz,比利时I nductoEiphiac公司消费的电流型MOSFET感应加热电源程度可达1000kW、15~600kHz。浙江大学在 90年代研制出 20kW、300kHz MOSFET高频电源,已被胜利应用于小型刀具的外表热处置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,国际上主要开展MOSFET电源。感应加热电源虽采用谐振逆变器,有利于功率器件完成软开关,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请求。因而,完成感应加热电源高频化仍有许多应用根底技术需求进一步讨论,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开展。
从电路的角度来思索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,必需认真处置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,安装的牢靠性越差。多台电源的串、并联技术是在器件串、并联技术根底上进一步再容量化的有效手腕,借助于牢靠的电源串、并联技术,在单机容量恰当的状况下,可简单地经过串、并联运转方式得到大容量安装,每台单机只是安装的一个单元 (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,互相间的幅值、相位和频率不同或动摇时将招致很大的环流,以致逆变器件的电流产生严重不均,因而,串联逆变器存在并机扩容艰难;而对并联逆变器,逆变器输入端的直流大电抗器可充任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耿直流电流的偏向,到达多机并联扩容,晶体管化超音频、高频电流多采用并联逆变器构造,并联逆变器易于模块化、大容量化是其中的一个主要缘由。
感应加热电源的负载对象形形色色,而电源逆变器与负载是一有机的整体,普通采用匹配变压器衔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资料到绕组构造正在得到进一步的优化改良,同时,从电路拓扑上能够用三无源元件替代二无源元件,以取消变压器,完成高效、低本钱匹配。
感应加热电源,晶闸管、晶体管与电子管式在国内均能消费。晶闸管电源已消费应用多年。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,但价钱较高,正在逐渐取代电子管高频电源。手提式小型高频电源因价廉、便当,在国内应用普遍,以至进入国外市场。
超高频电源 (27.12MHz),过去依赖进口,如今国内至少有两个企业已停止消费,处理了刀片、锯条等特殊工艺的需求。
随着感应热处置消费线自动化控制水平及电源高牢靠性请求的进步,必需增强加热工艺成套安装的开发。同时感应加热系统正向智能化控制方向开展,具有计算机智能接口、远程控制和毛病自动诊断等控制性能的感应加热电源系统正成为下一代的开展目的。
