感應加熱電源及設備工藝特點與感應加熱技術的發(fā)展現(xiàn)狀
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yflwzj 發(fā)布時間：2013-10-16 08:16:35
感應加熱工藝是感應加熱技術水平的主要體現(xiàn)，是技術發(fā)展的基礎，先進的感應加熱工藝技術可以有效地發(fā)揮感應加熱的特點，實現(xiàn)高效、節(jié)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(yè)。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(chǎn)率，一次淬火與連續(xù)淬火相同產(chǎn)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(chǎn)的康明斯與 NH發(fā)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(wěn)定等原因，低淬鋼未繼續(xù)用于生產(chǎn)。1992年俄羅斯低淬鋼創(chuàng)始人，K.3ЩЕПЕ ЛЯКОВСКЦЦ博士來中國講學，并到某一鋼廠調(diào)查冶煉低淬鋼的條件，認為該廠完全具備生產(chǎn)低淬鋼條件。YB 2009—1981《低淬透性含鈦優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)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(guī)定要求<0.5%（質(zhì)量分數(shù)），而YB2009—8155Ti鋼對Cr、Ni、Cu三元素之和規(guī)定<0.5%（質(zhì)量分數(shù)），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(jīng)濟效益。
（4）感應電阻淬火 眾所周知，轉(zhuǎn)向齒條的齒部采用感應電阻法淬火，國內(nèi)已有三臺以上的進口機床在生產(chǎn)。英國一臺機床將此工藝用于齒輪生產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)淬火后齒輪基本不變形并可隨后進入裝配工序。
（5）曲軸軸頸固定加熱淬火 新設備稱為 Gr ankproTM，用二個半環(huán)形固定加熱感應器取代8字半環(huán)形旋轉(zhuǎn)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(jié)能、占地面積小、工件變形小和感應器壽命長等優(yōu)點。
感應加熱電源及技術
在電源方面晶閘管中頻取代機式發(fā)電機。20世紀 90年代初，國內(nèi)晶閘管電源廠曾如雨后春筍，遍地開花，經(jīng)過優(yōu)勝劣汰的競爭，現(xiàn)在生產(chǎn)廠已趨向穩(wěn)定。目前晶閘管電源又在向 IGBT晶體管電源發(fā)展，而電子管高頻則將發(fā)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(zhì)量高、技術水平高，誰就能站穩(wěn)腳跟。
國產(chǎn)中頻電源目前都采用并聯(lián)諧振型逆變器結(jié)構。因此，在研究和開發(fā)更大容量的并聯(lián)逆變中頻電源的同時，研制結(jié)構簡單、易于頻繁起動的串聯(lián)逆變中頻電源是國內(nèi)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(lián)逆變電源易實現(xiàn)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(nèi)，由于晶閘管本身開關特性等參數(shù)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(shù)與諧振回路參數(shù)匹配調(diào)試相當復雜，而時間分割電路控制和主回路結(jié)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(xiàn)代半導體微集成加工技術與功率半導體技術進行結(jié)合，相繼開發(fā)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(tài)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(tǒng)的電子管電源向晶體管化全固態(tài)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(tài)損耗 （SIT工作于非飽和區(qū)）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(fā)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(chǎn)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(fā)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(xiàn)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(xiàn)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(fā)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(lián);另一類是多橋或多臺電源的串、并聯(lián)。在器件的串、并聯(lián)方式中，必須認真處理串聯(lián)器件的均壓問題和并聯(lián)器件的均流問題，由于器件制造工藝和參數(shù)的離散性，限制了器件的串、并聯(lián)數(shù)目，且串、并聯(lián)數(shù)越多，裝置的可靠性越差。多臺電源的串、并聯(lián)技術是在器件串、并聯(lián)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(lián)技術，在單機容量適當?shù)那闆r下，可簡單地通過串、并聯(lián)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(lián)逆變器和串聯(lián)逆變器，串聯(lián)逆變器輸出可等效為一低阻抗的電壓源，當兩電壓源并聯(lián)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(huán)流，以至逆變器件的電流產(chǎn)生嚴重不均，因此，串聯(lián)逆變器存在并機擴容困難;而對并聯(lián)逆變器，逆變器輸入端的直流大電抗器可充當各并聯(lián)逆變器之間的電流緩沖環(huán)節(jié)，使得輸入端的AG/DG或DG/DG環(huán)節(jié)有足夠的時間來糾正直流電流的偏差，達到多機并聯(lián)擴容，晶體管化超音頻、高頻電流多采用并聯(lián)逆變器結(jié)構，并聯(lián)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(jié)構正在得到進一步的優(yōu)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(xiàn)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(nèi)均能生產(chǎn)。晶閘管電源已生產(chǎn)應用多年。目前 IGBT電源因其優(yōu)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(nèi)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(xiàn)在國內(nèi)至少有兩個企業(yè)已進行生產(chǎn)，解決了刀片、鋸條等特殊工藝的需要。
隨著感應熱處理生產(chǎn)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(fā)。同時感應加熱系統(tǒng)正向智能化控制方向發(fā)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(tǒng)正成為下一代的發(fā)展目標。
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