感應(yīng)加熱電源及設(shè)備工藝特點(diǎn)與感應(yīng)加熱技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
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yflwzj 發(fā)布時(shí)間：2013-10-16 08:16:35
感應(yīng)加熱工藝是感應(yīng)加熱技術(shù)水平的主要體現(xiàn)，是技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，先進(jìn)的感應(yīng)加熱工藝技術(shù)可以有效地發(fā)揮感應(yīng)加熱的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能的局部熱處理。
?。?）縱向感應(yīng)加熱淬火 半軸縱向感應(yīng)加熱淬火已用于汽車、拖拉機(jī)工業(yè)。半軸縱向加熱是一次淬火。在德國(guó)、美國(guó)有半軸一次淬火專用機(jī)床，將加熱、校正和淬火在一臺(tái)機(jī)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(shè)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(qiáng)度比正火的提高一倍，我國(guó)生產(chǎn)的康明斯與 NH發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸均已采用此種工藝。
?。?）低淬透性鋼齒輪淬火 早在20世紀(jì)70年代我國(guó)曾進(jìn)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(lái)中國(guó)講學(xué)，并到某一鋼廠調(diào)查冶煉低淬鋼的條件，認(rèn)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(gòu)鋼》中對(duì)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(duì) Mn、Cr、Ni、Cu四元素之和規(guī)定要求<0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），而YB2009—8155Ti鋼對(duì)Cr、Ni、Cu三元素之和規(guī)定<0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），這可能是關(guān)鍵所在。
俄羅斯低淬鋼及控制淬透性鋼已大量應(yīng)用于汽車、拖拉機(jī)后橋齒輪、挖掘機(jī)齒輪、傳動(dòng)十字軸、火車車廂用滾動(dòng)軸承、汽車板簧和鐵路螺旋彈簧等，取得了極大的經(jīng)濟(jì)效益。
?。?）感應(yīng)電阻淬火 眾所周知，轉(zhuǎn)向齒條的齒部采用感應(yīng)電阻法淬火，國(guó)內(nèi)已有三臺(tái)以上的進(jìn)口機(jī)床在生產(chǎn)。英國(guó)一臺(tái)機(jī)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(jìn)入裝配工序。
?。?）曲軸軸頸固定加熱淬火 新設(shè)備稱為 Gr ankproTM，用二個(gè)半環(huán)形固定加熱感應(yīng)器取代8字半環(huán)形旋轉(zhuǎn)加熱感應(yīng)帶。此套設(shè)備能對(duì)曲頸進(jìn)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(yīng)器壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
感應(yīng)加熱電源及技術(shù)
在電源方面晶閘管中頻取代機(jī)式發(fā)電機(jī)。20世紀(jì) 90年代初，國(guó)內(nèi)晶閘管電源廠曾如雨后春筍，遍地開(kāi)花，經(jīng)過(guò)優(yōu)勝劣汰的競(jìng)爭(zhēng)，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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，其未來(lái)也將是誰(shuí)的質(zhì)量高、技術(shù)水平高，誰(shuí)就能站穩(wěn)腳跟。
國(guó)產(chǎn)中頻電源目前都采用并聯(lián)諧振型逆變器結(jié)構(gòu)。因此，在研究和開(kāi)發(fā)更大容量的并聯(lián)逆變中頻電源的同時(shí)，研制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于頻繁起動(dòng)的串聯(lián)逆變中頻電源是國(guó)內(nèi)中頻感應(yīng)加熱裝置領(lǐng)域有待解決的問(wèn)題，尤其是在熔煉、鑄造應(yīng)用中，串聯(lián)逆變電源易實(shí)現(xiàn)全工況下恒功率輸出 （有利于降低電能噸耗）及一機(jī)多負(fù)載功率分配控制，更值得推廣應(yīng)用。
在超音頻 （10～100kHz）范圍內(nèi)，由于晶閘管本身開(kāi)關(guān)特性等參數(shù)的限制，給研制該頻段的電源帶來(lái)了很大的技術(shù)難度。雖然在 80年代浙江大學(xué)采用晶閘管倍頻電路研制了50kW /50kHz超音頻電源，采用時(shí)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(fù)載呈非線性，時(shí)變加熱負(fù)載參數(shù)與諧振回路參數(shù)匹配調(diào)試相當(dāng)復(fù)雜，而時(shí)間分割電路控制和主回路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，逆變管利用率低，因此沒(méi)有得到很好的推廣應(yīng)用。
70至80年代初，人們將現(xiàn)代半導(dǎo)體微集成加工技術(shù)與功率半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，相繼開(kāi)發(fā)出一大批全控電力電子半導(dǎo)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
在高頻 （100kHz以上）頻段，目前國(guó)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(guò)渡階段。日本某些公司采用SIT，電源水平在80年代末達(dá)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(yīng)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(yīng)加熱電源制造水平達(dá)600kW、400kHz，德國(guó)在1989年研制的電流型MOSFET感應(yīng)加熱電源水平達(dá)480kW、50～200kHz，比利時(shí)I nductoEiphiac公司生產(chǎn)的電流型MOSFET感應(yīng)加熱電源水平可達(dá)1000kW、15～600kHz。浙江大學(xué)在 90年代研制出 20kW、300kHz MOSFET高頻電源，已被成功應(yīng)用于小型刀具的表面熱處理和飛機(jī)渦輪葉片的熱應(yīng)力考核。
目前，感應(yīng)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(dǎo)通損耗等缺陷，國(guó)際上主要發(fā)展MOSFET電源。感應(yīng)加熱電源雖采用諧振逆變器，有利于功率器件實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，但是感應(yīng)加熱電源通常功率較大，對(duì)功率器件、無(wú)源器件、電纜、布線、接地和屏蔽等均有許多特殊要求。因此，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)加熱電源高頻化仍有許多應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)需要進(jìn)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(wèn)世，將進(jìn)一步促進(jìn)高頻感應(yīng)加熱電源的發(fā)展。
從電路的角度來(lái)考慮感應(yīng)加熱電源的大容量化，可將大容量化技術(shù)分為兩大類:一類是器件的串、并聯(lián);另一類是多橋或多臺(tái)電源的串、并聯(lián)。在器件的串、并聯(lián)方式中，必須認(rèn)真處理串聯(lián)器件的均壓?jiǎn)栴}和并聯(lián)器件的均流問(wèn)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(tái)電源的串、并聯(lián)技術(shù)是在器件串、并聯(lián)技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)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(shù)，在單機(jī)容量適當(dāng)?shù)那闆r下，可簡(jiǎn)單地通過(guò)串、并聯(lián)運(yùn)行方式得到大容量裝置，每臺(tái)單機(jī)只是裝置的一個(gè)單元 （或一個(gè)模塊）。
感應(yīng)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(dāng)兩電壓源并聯(lián)時(shí)，相互間的幅值、相位和頻率不同或波動(dòng)時(shí)將導(dǎo)致很大的環(huán)流，以至逆變器件的電流產(chǎn)生嚴(yán)重不均，因此，串聯(lián)逆變器存在并機(jī)擴(kuò)容困難;而對(duì)并聯(lián)逆變器，逆變器輸入端的直流大電抗器可充當(dāng)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(shí)間來(lái)糾正直流電流的偏差，達(dá)到多機(jī)并聯(lián)擴(kuò)容，晶體管化超音頻、高頻電流多采用并聯(lián)逆變器結(jié)構(gòu)，并聯(lián)逆變器易于模塊化、大容量化是其中的一個(gè)主要原因。
感應(yīng)加熱電源的負(fù)載對(duì)象各式各樣，而電源逆變器與負(fù)載是一有機(jī)的整體，一般采用匹配變壓器連接電源和負(fù)載感應(yīng)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(gòu)正在得到進(jìn)一步的優(yōu)化改進(jìn)，同時(shí)，從電路拓?fù)渖峡梢杂萌裏o(wú)源元件代替二無(wú)源元件，以取消變壓器，實(shí)現(xiàn)高效、低成本匹配。
感應(yīng)加熱電源，晶閘管、晶體管與電子管式在國(guó)內(nèi)均能生產(chǎn)。晶閘管電源已生產(chǎn)應(yīng)用多年。目前 IGBT電源因其優(yōu)點(diǎn)更多而更為用戶所采用。MOSFET電源電效率高、低壓，但價(jià)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(jià)廉、方便，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用廣泛，甚至進(jìn)入國(guó)外市場(chǎng)。
超高頻電源 （27.12MHz），過(guò)去依賴進(jìn)口，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)至少有兩個(gè)企業(yè)已進(jìn)行生產(chǎn)，解決了刀片、鋸條等特殊工藝的需要。
隨著感應(yīng)熱處理生產(chǎn)線自動(dòng)化控制程度及電源高可靠性要求的提高，必須加強(qiáng)加熱工藝成套裝置的開(kāi)發(fā)。同時(shí)感應(yīng)加熱系統(tǒng)正向智能化控制方向發(fā)展，具有計(jì)算機(jī)智能接口、遠(yuǎn)程控制和故障自動(dòng)診斷等控制性能的感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)正成為下一代的發(fā)展目標(biāo)。
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