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加热设备工艺与热处理技术的发展状况及趋势

加热设备工艺与热处理技术的发展状况及趋势

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,从而导致导体发热。1890年瑞典技术人员发明了第一台感应熔炼炉 ——开槽式有芯炉, 1916年美国人发明了闭槽有芯炉,从此感应加热技术逐渐进入实用化阶段。

20世纪电力电子器件和技术的飞速发展,极大地促进了感应加热技术的发展。

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始,也引发了感应加热技术的革命。1966年,瑞士和西德首先利用晶闸管研制感应加热装置,从此感应加热技术开始飞速发展。

20世纪80年代后,电力电子器件再次快速发展,GTO、MOSFET、IGBT、M CT及 SIT等器件相继出现。感应加热装置也逐渐摒弃晶闸管,开始采用这些新器件。现在比较常用的是IGBT和MOSFET, IGBT用于较大功率场合,而MOSFET用于较高频率场合。据报道,国外可以采用IGBT将感应加热装置做到功率超过1000kW ,频率超过50kHz。而MOSFET较适用高频场合,通常应用在几千瓦的中小功率场合,频率可达到500kHz以上,甚至几兆赫兹。然而国外也有推出采用 MOSFET的大功率的感应加热装置,比如美国研制的2000kW /400kHz的装置。

我国感应热处理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,感应淬火工艺装备也紧随其后得到发展。现在国内感应淬火工艺装备制造业也日益扩大,产品品种多,原来需要进口的装备,逐步被国产品所取代,在为国家节省外汇的同时,发展了国内的相关企业。目前感应加热制造业的服务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、感应加热特点  感应加热技术具有快速、清洁、节能、易于实现自动化和在线生产、生产效率高等特点,是内部热源,属非接触加热方式,能提供高的功率密度,在加热表面及深度上有高度灵活的选择性,能在各种载气中工作 (空气、保护气、真空),损耗极低,不产生任何物理污染,符合环保和可持续发展方针,是绿色环保型加热工艺之一。它与可控气氛热处理、真空热处理少无氧化技术已成为热处理技术的发展主流。

其主要应用有:  (1)冶金 有色金属的冶炼,金属材料的热处理,锻造、挤压、轧制等型材生产的透热,焊管生产的焊缝。  (2)机械制造 各种机械零件的淬火,以及淬火后的回火、退火和正火等热处理的加热;压力加工前的透热。  (3)轻工 罐头以及其他包装的封口,比如著名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,在生产的中型车、轻型车和轿车上,就有近200种零件需要感应加热淬火处理,从感应加热淬火零件的形状和尺寸来看,可称得上花样繁多且大小均有。随着感应淬火技术的不断发展,感应淬火的零件已上升到占全部热处理零件的50%左右。据有关数据表明,在我国的汽车工业中,感应热处理的应用正进入世界先进水平的行列。

二、感应加热新工艺

感应加热工艺是感应加热技术水平的主要体现,是技术发展的基础,先进的感应加热工艺技术可以有效地发挥感应加热的特点,实现高效、节能的局部热处理。

(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,提高了生产率,一次淬火与连续淬火相同产量的设备占地面积各为40m2与115m2。

(2)曲轴颈圆角淬火 曲轴颈圆角淬火后,疲劳强度比正火的提高一倍,我国生产的康明斯与 NH发动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年代我国曾进行55DT、60DT、70DT钢研究并取得初步成果,以后因钢的淬透性不稳定等原因,低淬钢未继续用于生产。1992年俄罗斯低淬钢创始人,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,认为该厂完全具备生产低淬钢条件。YB 2009—1981《低淬透性含钛优质碳素结构钢》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四元素之和规定要求<0.5%(质量分数),而YB2009—8155Ti钢对Cr、Ni、Cu三元素之和规定<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、挖掘机齿轮、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,取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生产。英国一台机床将此工艺用于齿轮生产,发现淬火后齿轮基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。此套设备能对曲颈进行淬火与回火,与老工艺相比,具有节能、占地面积小、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,现在生产厂已趋向稳定。目前晶闸管电源又在向 IGBT晶体管电源发展,而电子管高频则将发展为MOSFET晶体管电源,手提晶体管超音频、高频电源市场竞争十分激烈,其未来也将是谁的质量高、技术水平高,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结构。因此,在研究和开发更大容量的并联逆变中频电源的同时,研制结构简单、易于频繁起动的串联逆变中频电源是国内中频感应加热装置领域有待解决的问题,尤其是在熔炼、铸造应用中,串联逆变电源易实现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,更值得推广应用。

在超音频 (10~100kHz)范围内,由于晶闸管本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。虽然在 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结构复杂,逆变管利用率低,因此没有得到很好的推广应用。        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进行结合,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基础。

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,电源水平在80年代末达到了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发展。西班牙采用MOSFET的电流型感应加热电源制造水平达600kW、400kHz,德国在1989年研制的电流型MOSFET感应加热电源水平达480kW、50~200kHz,比利时I nductoEiphiac公司生产的电流型MOSFET感应加热电源水平可达1000kW、15~600kHz。浙江大学在 90年代研制出 20kW、300kHz MOSFET高频电源,已被成功应用于小型刀具的表面热处理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,国际上主要发展MOSFET电源。感应加热电源虽采用谐振逆变器,有利于功率器件实现软开关,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要求。因此,实现感应加热电源高频化仍有许多应用基础技术需要进一步探讨,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发展。

从电路的角度来考虑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,必须认真处理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,装置的可靠性越差。多台电源的串、并联技术是在器件串、并联技术基础上进一步再容量化的有效手段,借助于可靠的电源串、并联技术,在单机容量适当的情况下,可简单地通过串、并联运行方式得到大容量装置,每台单机只是装置的一个单元 (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,相互间的幅值、相位和频率不同或波动时将导致很大的环流,以至逆变器件的电流产生严重不均,因此,串联逆变器存在并机扩容困难;而对并联逆变器,逆变器输入端的直流大电抗器可充当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正直流电流的偏差,达到多机并联扩容,晶体管化超音频、高频电流多采用并联逆变器结构,并联逆变器易于模块化、大容量化是其中的一个主要原因。

感应加热电源的负载对象各式各样,而电源逆变器与负载是一有机的整体,一般采用匹配变压器连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材料到绕组结构正在得到进一步的优化改进,同时,从电路拓扑上可以用三无源元件代替二无源元件,以取消变压器,实现高效、低成本匹配。

感应加热电源,晶闸管、晶体管与电子管式在国内均能生产。晶闸管电源已生产应用多年。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,但价格较高,正在逐步取代电子管高频电源。手提式小型高频电源因价廉、方便,在国内应用广泛,甚至进入国外市场。

超高频电源 (27.12MHz),过去依赖进口,现在国内至少有两个企业已进行生产,解决了刀片、锯条等特殊工艺的需要。表1列出了国内各种感应加热电源的功率与频率范围。

随着感应热处理生产线自动化控制程度及电源高可靠性要求的提高,必须加强加热工艺成套装置的开发。同时感应加热系统正向智能化控制方向发展,具有计算机智能接口、远程控制和故障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发展目标。

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