【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 額定功率可以作到1000kW左右，如果在裝配工藝上再進(jìn)一步改進(jìn)的話，可以接近世界先進(jìn)水平。 隨著技術(shù)的進(jìn)步，跟蹤80年代國(guó)際感應(yīng)加熱技術(shù)水平，我國(guó)于90年代中期開發(fā)出第一臺(tái)電效率較高的50kW/50kHz IGBT電流型超音頻感應(yīng)加熱電源(圖2)?！?0kHz、最大功率可達(dá)到800 kW，頻率達(dá)到100kHz時(shí)功率達(dá)到100 kW 。 IGBT應(yīng)用同期，我國(guó)還成功研制出20 kW/300kHz MOSFET高頻電源，縮小了同國(guó)際先進(jìn)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(nèi)在感應(yīng)淬火中應(yīng)用。 第三章 40Cr感應(yīng)淬火工藝 感應(yīng)加熱淬火工藝概述感應(yīng)加熱具有加熱效率高、速度快、可控性好及易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于金屬熔煉、透熱、熱處理和焊接等工業(yè)生產(chǎn)過程中，成為冶金、國(guó)防、機(jī)械加工等部門及鑄、鍛和船舶、飛機(jī)、汽車制造業(yè)等不可缺少的技術(shù)手段。 感應(yīng)加熱的工作原理感應(yīng)加熱原理為產(chǎn)生交變的電流，從而產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，在利用交變磁場(chǎng)來產(chǎn)生渦流達(dá)到加熱的效果。： 感應(yīng)電流圖示當(dāng)交變電流通入感應(yīng)圈時(shí)，感應(yīng)圈內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生交變磁通，使感應(yīng)圈內(nèi)的工件受到電磁感應(yīng)電勢(shì)。設(shè)工件的等效匝數(shù)為。則感應(yīng)電勢(shì)：　　　　　　　　　　 （11）如果磁通是交變得，設(shè)，則　　　　　　 有效值為：　　　　　 （13）感應(yīng)電勢(shì)E在工件中產(chǎn)生感應(yīng)電流使工件內(nèi)部開始加熱，其焦耳熱為：　　　　　 （14）式中： ——感應(yīng)電流有效值（安），R——工件電阻（歐），t——時(shí)間（秒）。這就是感應(yīng)加熱的原理。感應(yīng)加熱與其它的加熱方式，如燃?xì)饧訜?，電阻爐加熱等不同，它把電能直接送工件內(nèi)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(dǎo)加熱內(nèi)部。金屬中產(chǎn)生的功率為：　 （15）感應(yīng)電勢(shì)和發(fā)熱功率不僅與頻率和磁場(chǎng)強(qiáng)弱有關(guān)，而且與工件的截面大小、截面形狀等有關(guān)，還與工件本身的導(dǎo)電、導(dǎo)磁特性等有關(guān)。在感應(yīng)加熱設(shè)備中存在著三個(gè)效應(yīng)——集膚效應(yīng)、近鄰效應(yīng)和圓環(huán)效應(yīng)。集膚效應(yīng)：當(dāng)交變電流通過導(dǎo)體時(shí)，沿導(dǎo)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(dǎo)體的表面層，這種電流集聚的現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)。近鄰效應(yīng)——當(dāng)兩根通有交流電的導(dǎo)體靠得很近時(shí)，在互相影響下，兩導(dǎo)體中的電流要重新分布。當(dāng)兩根導(dǎo)體流的電流是反方向時(shí)，最大電流密度出現(xiàn)在導(dǎo)體內(nèi)側(cè)；當(dāng)兩根導(dǎo)體流的電流是同方向時(shí)，最大電流密度出現(xiàn)在導(dǎo)體外側(cè)，這種現(xiàn)象稱為近鄰效應(yīng)。圓環(huán)效應(yīng)：若將交流電通過圓環(huán)形線圈時(shí)，最大電流密度出現(xiàn)在線圈導(dǎo)體的內(nèi)側(cè)，這種現(xiàn)象稱為圓環(huán)效應(yīng)。感應(yīng)加熱電源就是綜合利用這三種效應(yīng)的設(shè)備。在感應(yīng)線圈中置以金屬工件，感應(yīng)線圈兩端加上交流電壓，產(chǎn)生交流電流，在工件中產(chǎn)生感應(yīng)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(dāng)電流和感應(yīng)電流相互靠攏時(shí)，線圈和工件表現(xiàn)出鄰近效應(yīng)，結(jié)果，電流集聚在線圈的內(nèi)側(cè)表面，電流聚集在工件的外表面。這時(shí)線圈本身表現(xiàn)為圓環(huán)效應(yīng)，而工件本身表現(xiàn)為集膚效應(yīng)。 交變磁場(chǎng)在導(dǎo)體中感應(yīng)出的電流亦稱為渦流。工件中產(chǎn)生的渦流由于集膚效應(yīng)，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(dāng)渦流強(qiáng)度從表面向內(nèi)層降低到其數(shù)值等于最大渦流強(qiáng)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(chǎn)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(rèn)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(dǎo)率4π10(H/m). μ——工件磁導(dǎo)率(H/m ), μ——工件相對(duì)磁導(dǎo)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(dāng)材料電阻率、相對(duì)磁導(dǎo)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(diào)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(zhì)在工業(yè)金屬熱處理方面獲得了廣泛的應(yīng)用。 感應(yīng)加熱：工件放到感應(yīng)器內(nèi)，感應(yīng)器一般是輸入中頻或高頻交流電 (300300000Hz或更高)的空心銅管。產(chǎn)生交變磁場(chǎng)在工件中產(chǎn)生出同頻率的感應(yīng)電流，這種感應(yīng)電流在工件的分布是不均勻的，在表面強(qiáng)，而在內(nèi)部很弱，到心部接近于0，利用這個(gè)集膚效應(yīng)，可使工件表面迅速加熱，在幾秒鐘內(nèi)表面溫度上升到8001000℃，而心部溫度升高很小。感應(yīng)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(yīng)加熱表面淬火時(shí)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，使得工件中產(chǎn)生出同頻率的感應(yīng)電流。這種感應(yīng)電流在工件的分布是不均勻的，在表面強(qiáng)，而在內(nèi)部很弱，到基體接近于0。利用這個(gè)集膚效應(yīng)，可使工件表面迅速加熱，在幾秒鐘內(nèi)表面溫度上升到800～1000℃，而基體溫度升高很小。由于感應(yīng)加熱工藝是瞬間的高溫、冷卻過程，金屬表面不僅會(huì)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(huì)得到感應(yīng)淬火前的預(yù)處理基體組織。3 . 感應(yīng)加熱電源電路的主回路設(shè)計(jì) 主電路的主要設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)電網(wǎng)供電電壓：3相380V感應(yīng)加熱電源輸出功率：15kW輸出電流頻率：20KHz輸出電流值：30A 感應(yīng)加熱電源電路的主回路結(jié)構(gòu)： 感應(yīng)加熱電源主結(jié)構(gòu)框圖感應(yīng)加熱電源主電路圖， 感應(yīng)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(gòu)成Ⅱ型濾波器。兩個(gè)電解電容C1，C2串聯(lián)以減小單個(gè)電容的承受的電壓，R2 , R3起均壓作用。R1為限流電阻，當(dāng)系統(tǒng)開始上電時(shí)，由于電容兩端電壓為零，故剛開始對(duì)電容充電時(shí)，電流將很大，加上限流電阻R1后則就電流不會(huì)很大了。當(dāng)電容兩端電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，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(qū)動(dòng)單相對(duì)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(fù)載。 感應(yīng)加熱淬火技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與不足感應(yīng)加熱表面淬火技術(shù)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(dǎo)熱、導(dǎo)電性能等)，與其他常用的表面處理工藝(如滲碳、調(diào)質(zhì)、表面滲氮等)相比，還具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）加熱速度極快，可擴(kuò)大A體轉(zhuǎn)變溫度范圍，縮短轉(zhuǎn)變時(shí)間。 　　 （2）淬火后工件表層可得到極細(xì)的隱晶馬氏體，硬度稍高（2～3HRC）。脆性較低及較高疲勞強(qiáng)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(shí)現(xiàn)機(jī)械化，自動(dòng)化。 　　 　 　　（5）可進(jìn)行工件局部淬火該技術(shù)能精確地將工件需要進(jìn)行淬火的局部進(jìn)行進(jìn)行加熱，特別是在采用導(dǎo)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(diào)質(zhì)相比具有極大的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)工件淬火部位質(zhì)量與整體質(zhì)量之差越大時(shí)，它的優(yōu)勢(shì)也越顯著。感應(yīng)熱處理常具有高的附加值。（4）快速熱處理感應(yīng)淬火的加熱時(shí)間以妙計(jì)，一般在2～14s之內(nèi)，生產(chǎn)周期亦短，特別是在采用自回火或隨機(jī)感應(yīng)回火情況下，此工序與機(jī)加工工序相似。為此，現(xiàn)代化的感應(yīng)加熱淬火裝備已經(jīng)安排在生產(chǎn)線或自動(dòng)線上。（5）清潔熱處理感應(yīng)淬火所用淬火液一般為水或具有添加劑的水溶液，淬火時(shí)，幾乎沒有油煙，勞動(dòng)環(huán)境好。（6）便于機(jī)械化及自動(dòng)化大批量生產(chǎn)的感應(yīng)淬火，一般均配有進(jìn)步梁送料、機(jī)械手取工件及機(jī)器人操縱感應(yīng)器等減少體力勞動(dòng)的裝置。然而，感應(yīng)加熱表面淬火也有其本身的不足： （7）工具費(fèi)用高需要專用工裝即感應(yīng)器熱處理爐一爐可裝多種工件加熱、滲碳、氮化，而感應(yīng)淬火則要求一個(gè)部位一種感應(yīng)器，甚至要求一種專用定位夾具等，因此工具費(fèi)用高。它只適用于大批量生產(chǎn)一種或一種族的工件。（8）成套裝置投資費(fèi)用高和一般熱處理設(shè)備相比，感應(yīng)加熱成套裝置包括變頻電源、淬火機(jī)床、感應(yīng)器，以及附屬的冷卻水、淬水液循環(huán)裝置等，其投資費(fèi)用相對(duì)較高，維護(hù)技術(shù)及費(fèi)用亦比一般熱處理設(shè)備高[2]。 感應(yīng)加熱電源技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)（1）感應(yīng)加熱電源技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀感應(yīng)電源按頻率范圍可分為以下等級(jí)：500Hz以下為低頻，110KHz為中頻；20KHz以上為超音頻和高頻。感應(yīng)加熱電源發(fā)展與電力電子器件的發(fā)展密切相關(guān)。1970年浙大研制成功國(guó)內(nèi)第一臺(tái)100KW/1KHz晶閘管中頻電源以來，國(guó)產(chǎn)KGPS系列中頻電源已覆蓋了中頻機(jī)組的全部型號(hào)。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(guó)內(nèi)在超音頻領(lǐng)域與國(guó)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(shè)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(yīng)晶閘管（SITH）和功率場(chǎng)效應(yīng)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(guó)外相比，國(guó)內(nèi)導(dǎo)體高頻電源存在較大差距，鐵嶺高頻設(shè)備廠1993年研制成功80KW/150KHz的SIT高頻電源，但由于SIT很少進(jìn)入國(guó)際化流通渠道，整機(jī)價(jià)格偏高，并沒有投入商業(yè)運(yùn)行。現(xiàn)在，電力電子應(yīng)用國(guó)家工程中心設(shè)計(jì)研制出了5～50KW/100～400KHz高頻MOSFET逆變電源。上海寶鋼1420冷軋生產(chǎn)線于1998年引進(jìn)了日本富士公司的71～80KHz,3200KW高頻感應(yīng)加熱電源，是目前世界上最為先進(jìn)的逆變電源?？傮w說來，國(guó)內(nèi)在感應(yīng)加熱電源的設(shè)計(jì)開發(fā)和產(chǎn)品化方面雖有發(fā)展，但遠(yuǎn)不能適應(yīng)我國(guó)工業(yè)發(fā)展的要求，對(duì)于應(yīng)用范圍越來越廣泛的高頻感應(yīng)加熱電源領(lǐng)域的研究尤為薄弱，處于剛剛起步階段。（2）感應(yīng)加熱電源技術(shù)發(fā)展與趨勢(shì)感應(yīng)加熱電源的水平與半導(dǎo)體功率器件的發(fā)展密切相關(guān)，因此當(dāng)前功率器件在性能上的不斷完善，使得感應(yīng)加熱電源的發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)出以下幾方面的特點(diǎn)。①高頻率目前，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，而高頻頻段，由于SIT存在高導(dǎo)通損耗等缺陷，主要發(fā)展MOSFET電源。感應(yīng)加熱電源諧振逆變器中采用的功率器件利于實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，但是，感應(yīng)加熱電源通常功率較大，對(duì)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(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。②大容量化從電路的角度來考慮感應(yīng)加熱電源的大容量化，可將大容量化技術(shù)分為二大類：一類是器件的串、并聯(lián)，另一類是多臺(tái)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(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)一步大容量化的有效手段，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)二電壓源并聯(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)流以致逆變器器件的電流產(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)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(shí)間來糾正直流電源的偏差，達(dá)到多機(jī)并聯(lián)擴(kuò)容。③負(fù)載匹配感應(yīng)加熱電源多用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，其運(yùn)行工況比較復(fù)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(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，負(fù)載直接影響到電源的運(yùn)行效率和可靠性。對(duì)焊接、表面熱處理等負(fù)載，一般采用匹配變壓器連接電源和負(fù)載感應(yīng)器，對(duì)高頻、超音頻電源用的匹配變壓器要求漏抗很小，如何實(shí)現(xiàn)匹配變壓器的高輸入效率，從磁性材料選擇到繞組結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)已成為一重要課題，另外，從電路拓?fù)渖县?fù)載結(jié)構(gòu)以三個(gè)無源元件代替原來的二哥無源元件以取消匹配變壓器，實(shí)現(xiàn)高效、低成本隔離匹配。④智能化控制隨著感應(yīng)熱處理生產(chǎn)線自動(dòng)化控制程度及對(duì)電源可靠性要求的提高，感應(yīng)加熱電源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、故障自動(dòng)診斷等控制性能的感應(yīng)加熱電源正成為下一代發(fā)展目標(biāo)。