【文章內容簡介】 額定功率可以作到1000kW左右，如果在裝配工藝上再進一步改進的話，可以接近世界先進水平。 隨著技術的進步，跟蹤80年代國際感應加熱技術水平，我國于90年代中期開發(fā)出第一臺電效率較高的50kW/50kHz IGBT電流型超音頻感應加熱電源(圖2)?！?0kHz、最大功率可達到800 kW，頻率達到100kHz時功率達到100 kW 。 IGBT應用同期，我國還成功研制出20 kW/300kHz MOSFET高頻電源，縮小了同國際先進水平的差距，隨著大功率MOSFET器件的問世，大功率的晶體管高頻電源有望年內在感應淬火中應用。 第三章 40Cr感應淬火工藝 感應加熱淬火工藝概述感應加熱具有加熱效率高、速度快、可控性好及易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，廣泛應用于金屬熔煉、透熱、熱處理和焊接等工業(yè)生產過程中，成為冶金、國防、機械加工等部門及鑄、鍛和船舶、飛機、汽車制造業(yè)等不可缺少的技術手段。 感應加熱的工作原理感應加熱原理為產生交變的電流，從而產生交變的磁場，在利用交變磁場來產生渦流達到加熱的效果。： 感應電流圖示當交變電流通入感應圈時，感應圈內就會產生交變磁通，使感應圈內的工件受到電磁感應電勢。設工件的等效匝數(shù)為。則感應電勢：　　　　　　　　　　 （11）如果磁通是交變得，設，則　　　　　　 有效值為：　　　　　 （13）感應電勢E在工件中產生感應電流使工件內部開始加熱，其焦耳熱為：　　　　　 （14）式中： ——感應電流有效值（安），R——工件電阻（歐），t——時間（秒）。這就是感應加熱的原理。感應加熱與其它的加熱方式，如燃氣加熱，電阻爐加熱等不同，它把電能直接送工件內部變成熱能，將工件加熱。而其他的加熱方式是先加熱工件表面，然后把熱再傳導加熱內部。金屬中產生的功率為：　 （15）感應電勢和發(fā)熱功率不僅與頻率和磁場強弱有關，而且與工件的截面大小、截面形狀等有關，還與工件本身的導電、導磁特性等有關。在感應加熱設備中存在著三個效應——集膚效應、近鄰效應和圓環(huán)效應。集膚效應：當交變電流通過導體時，沿導體截面上的電流分布式部均勻的，最大電流密度出現(xiàn)在導體的表面層，這種電流集聚的現(xiàn)象稱為集膚效應。近鄰效應——當兩根通有交流電的導體靠得很近時，在互相影響下，兩導體中的電流要重新分布。當兩根導體流的電流是反方向時，最大電流密度出現(xiàn)在導體內側；當兩根導體流的電流是同方向時，最大電流密度出現(xiàn)在導體外側，這種現(xiàn)象稱為近鄰效應。圓環(huán)效應：若將交流電通過圓環(huán)形線圈時，最大電流密度出現(xiàn)在線圈導體的內側，這種現(xiàn)象稱為圓環(huán)效應。感應加熱電源就是綜合利用這三種效應的設備。在感應線圈中置以金屬工件，感應線圈兩端加上交流電壓，產生交流電流，在工件中產生感應電流。此兩電流方向相反，情況與兩根平行母線流過方向相反的電流相似。當電流和感應電流相互靠攏時，線圈和工件表現(xiàn)出鄰近效應，結果，電流集聚在線圈的內側表面，電流聚集在工件的外表面。這時線圈本身表現(xiàn)為圓環(huán)效應，而工件本身表現(xiàn)為集膚效應。 交變磁場在導體中感應出的電流亦稱為渦流。工件中產生的渦流由于集膚效應，沿橫截面由表面至中心按指數(shù)規(guī)律衰減，工程上規(guī)定，當渦流強度從表面向內層降低到其數(shù)值等于最大渦流強度的1/e(% )，該處到表面的距離△稱為電流透入深度。由于渦流所產生的熱量與渦流的平方成正比，因此由表面至芯部熱量下降速度要比渦流下降速度快的多，可以認為熱量(85～90%)集中在厚度為△的薄層中。透入深度△由下式確定： （16） 式中: ρ——工件電阻率（Ω?m ）, μ。——真空磁導率4π10(H/m). μ——工件磁導率(H/m ), μ——工件相對磁導率， ω——角頻率(rad/s )， f——頻率(HZ)。 將μ。和π的數(shù)值代入，即可得公式: （17）從上式可以看出，當材料電阻率、相對磁導率給定后，透入深度△僅與頻率f平方根成反比，此工件的加熱厚度可以方便的通過調節(jié)頻率來加以控制。頻率越高，工件的加熱厚度就越薄。這種性質在工業(yè)金屬熱處理方面獲得了廣泛的應用。 感應加熱：工件放到感應器內，感應器一般是輸入中頻或高頻交流電 (300300000Hz或更高)的空心銅管。產生交變磁場在工件中產生出同頻率的感應電流，這種感應電流在工件的分布是不均勻的，在表面強，而在內部很弱，到心部接近于0，利用這個集膚效應，可使工件表面迅速加熱，在幾秒鐘內表面溫度上升到8001000℃，而心部溫度升高很小。感應加熱頻率的選擇：根據(jù)熱處理及加熱深度的要求選擇頻率，頻率越高加熱的深度越淺。 　　高頻(10KHZ以上), 一般用于中小型零件的加熱，如小模數(shù)齒輪及中小軸類零件等。 　　中頻(1~10KHZ)加熱深度為210mm，一般用于直徑大的軸類和大中模數(shù)的齒輪加熱。 　　工頻(50HZ)加熱淬硬層深度為1020mm，一般用于較大尺寸零件的透熱，大直徑零件（直徑amp。Oslash。300mm以上，如軋輥等）的表面淬火。在感應加熱表面淬火時產生交變磁場，使得工件中產生出同頻率的感應電流。這種感應電流在工件的分布是不均勻的，在表面強，而在內部很弱，到基體接近于0。利用這個集膚效應，可使工件表面迅速加熱，在幾秒鐘內表面溫度上升到800～1000℃，而基體溫度升高很小。由于感應加熱工藝是瞬間的高溫、冷卻過程，金屬表面不僅會因迅速淬火而形成馬氏體，而且在經(jīng)過狹窄的淬硬區(qū)后還會得到感應淬火前的預處理基體組織。3 . 感應加熱電源電路的主回路設計 主電路的主要設計技術參數(shù)電網(wǎng)供電電壓：3相380V感應加熱電源輸出功率：15kW輸出電流頻率：20KHz輸出電流值：30A 感應加熱電源電路的主回路結構： 感應加熱電源主結構框圖感應加熱電源主電路圖， 感應加熱電源的主電路圖，它由整流器、濾波器和逆變器組成。整流器采用不可控三相全橋式整流電路。 、和 (CC2)構成Ⅱ型濾波器。兩個電解電容C1，C2串聯(lián)以減小單個電容的承受的電壓，R2 , R3起均壓作用。R1為限流電阻，當系統(tǒng)開始上電時，由于電容兩端電壓為零，故剛開始對電容充電時，電流將很大，加上限流電阻R1后則就電流不會很大了。當電容兩端電壓達到一定數(shù)值時，交流接觸器K1閉合，將限流電阻短接。系統(tǒng)即可正常工作。 逆變器采用單相變逆變橋，經(jīng)變壓器和串聯(lián)諧振電路相接。利用輪流驅動單相對角的兩組IGBT工作，把恒定的直流電壓變成10 Hz～10 kHz方波電壓輸出給負載。 感應加熱淬火技術的優(yōu)點與不足感應加熱表面淬火技術不僅有效地改善金屬的表面性能（如硬度、耐磨性、抗腐蝕性、導熱、導電性能等)，與其他常用的表面處理工藝(如滲碳、調質、表面滲氮等)相比，還具有以下優(yōu)點： （1）加熱速度極快，可擴大A體轉變溫度范圍，縮短轉變時間。 　　 （2）淬火后工件表層可得到極細的隱晶馬氏體，硬度稍高（2～3HRC）。脆性較低及較高疲勞強度。 　　 （3）經(jīng)該工藝處理的工件不易氧化脫碳，甚至 有些工件處理后可直接裝配使用。 （4）淬硬層深，易于控制操作，易于實現(xiàn)機械化，自動化。 　　 　 　　（5）可進行工件局部淬火該技術能精確地將工件需要進行淬火的局部進行進行加熱，特別是在采用導磁體和使用高功率密度的情況下。（3）節(jié)能熱處理其能耗與滲碳、氮化、調質相比具有極大的優(yōu)勢，當工件淬火部位質量與整體質量之差越大時，它的優(yōu)勢也越顯著。感應熱處理常具有高的附加值。（4）快速熱處理感應淬火的加熱時間以妙計，一般在2～14s之內，生產周期亦短，特別是在采用自回火或隨機感應回火情況下，此工序與機加工工序相似。為此，現(xiàn)代化的感應加熱淬火裝備已經(jīng)安排在生產線或自動線上。（5）清潔熱處理感應淬火所用淬火液一般為水或具有添加劑的水溶液，淬火時，幾乎沒有油煙，勞動環(huán)境好。（6）便于機械化及自動化大批量生產的感應淬火，一般均配有進步梁送料、機械手取工件及機器人操縱感應器等減少體力勞動的裝置。然而，感應加熱表面淬火也有其本身的不足： （7）工具費用高需要專用工裝即感應器熱處理爐一爐可裝多種工件加熱、滲碳、氮化，而感應淬火則要求一個部位一種感應器，甚至要求一種專用定位夾具等，因此工具費用高。它只適用于大批量生產一種或一種族的工件。（8）成套裝置投資費用高和一般熱處理設備相比，感應加熱成套裝置包括變頻電源、淬火機床、感應器，以及附屬的冷卻水、淬水液循環(huán)裝置等，其投資費用相對較高，維護技術及費用亦比一般熱處理設備高[2]。 感應加熱電源技術發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢（1）感應加熱電源技術發(fā)展現(xiàn)狀感應電源按頻率范圍可分為以下等級：500Hz以下為低頻，110KHz為中頻；20KHz以上為超音頻和高頻。感應加熱電源發(fā)展與電力電子器件的發(fā)展密切相關。1970年浙大研制成功國內第一臺100KW/1KHz晶閘管中頻電源以來，國產KGPS系列中頻電源已覆蓋了中頻機組的全部型號。在超音頻電源方面，日本在1986年就利用SITH研制出100KW/60KHz的超音頻電源，此后日本和西班牙又在1991年相繼研制出500KW/50KHz和200KW/50KHz的IGBT超音頻電源。國內在超音頻領域與國外還有一定差距，但發(fā)展很快，1995年浙大研制出50KW/50KHz的IGBT超音頻電源，北京有色金屬研究總院和本溪高頻電源設備廠在1996年聯(lián)合研制出100KW/20KHz的IGBT電源。在高頻這一頻段可供選擇的全控型器件只有靜電感應晶閘管（SITH）和功率場效應晶閘管（MOSFET），前者是日本研制的3KW～200KW，20KHz～300KHz系列高頻電源,后者由歐美采用MOSFET研制成功輸出頻率為200～300KHz,輸出功率為100～400KW的高頻電源。與國外相比，國內導體高頻電源存在較大差距，鐵嶺高頻設備廠1993年研制成功80KW/150KHz的SIT高頻電源，但由于SIT很少進入國際化流通渠道，整機價格偏高，并沒有投入商業(yè)運行?，F(xiàn)在，電力電子應用國家工程中心設計研制出了5～50KW/100～400KHz高頻MOSFET逆變電源。上海寶鋼1420冷軋生產線于1998年引進了日本富士公司的71～80KHz,3200KW高頻感應加熱電源，是目前世界上最為先進的逆變電源。總體說來，國內在感應加熱電源的設計開發(fā)和產品化方面雖有發(fā)展，但遠不能適應我國工業(yè)發(fā)展的要求，對于應用范圍越來越廣泛的高頻感應加熱電源領域的研究尤為薄弱，處于剛剛起步階段。（2）感應加熱電源技術發(fā)展與趨勢感應加熱電源的水平與半導體功率器件的發(fā)展密切相關，因此當前功率器件在性能上的不斷完善，使得感應加熱電源的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)出以下幾方面的特點。①高頻率目前，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，而高頻頻段，由于SIT存在高導通損耗等缺陷，主要發(fā)展MOSFET電源。感應加熱電源諧振逆變器中采用的功率器件利于實現(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，屏蔽等均有許多特殊要求，尤其是高頻電源。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。②大容量化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二大類：一類是器件的串、并聯(lián)，另一類是多臺電源的串、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)技術基礎上進一步大容量化的有效手段，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，當二電壓源并聯(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)流以致逆變器器件的電流產生嚴重不均，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)器之間的電流緩沖環(huán)節(jié)，使得輸入端的AC/DC或DC/AC環(huán)節(jié)有足夠的時間來糾正直流電源的偏差，達到多機并聯(lián)擴容。③負載匹配感應加熱電源多用于工業(yè)現(xiàn)場，其運行工況比較復雜，它與鋼鐵、冶金和金屬熱處理行業(yè)具有十分密切的聯(lián)系，他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，負載直接影響到電源的運行效率和可靠性。對焊接、表面熱處理等負載，一般采用匹配變壓器連接電源和負載感應器，對高頻、超音頻電源用的匹配變壓器要求漏抗很小，如何實現(xiàn)匹配變壓器的高輸入效率，從磁性材料選擇到繞組結構的設計已成為一重要課題，另外，從電路拓撲上負載結構以三個無源元件代替原來的二哥無源元件以取消匹配變壓器，實現(xiàn)高效、低成本隔離匹配。④智能化控制隨著感應熱處理生產線自動化控制程度及對電源可靠性要求的提高，感應加熱電源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、故障自動診斷等控制性能的感應加熱電源正成為下一代發(fā)展目標。