感應加熱工藝與設備的發(fā)展狀況及趨勢
感應加熱來源于法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應現(xiàn)象，也就是交變的電流會在導體中產(chǎn)生感應電流，從而導致導體發(fā)熱。1890年瑞典技術(shù)人員發(fā)明了第一臺感應熔煉爐 ——開槽式有芯爐， 1916年美國人發(fā)明了閉槽有芯爐，從此感應加熱技術(shù)逐漸進入實用化階段。 20世紀電力電子器件和技術(shù)的飛速發(fā)展，極大地促進了感應加熱技術(shù)的發(fā)展。
1957年，美國研制出作為電力電子器件里程碑的晶閘管，標志著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的開始，也引發(fā)了感應加熱技術(shù)的革命。1966年，瑞士和西德首先利用晶閘管研制感應加熱裝置，從此感應加熱技術(shù)開始飛速發(fā)展。
20世紀80年代后，電力電子器件再次快速發(fā)展，GTO、MOSFET、IGBT、M CT及 SIT等器件相繼出現(xiàn)。感應加熱裝置也逐漸摒棄晶閘管，開始采用這些新器件?，F(xiàn)在比較常用的是IGBT和MOSFET， IGBT用于較大功率場合，而MOSFET用于較高頻率場合。據(jù)報道，國外可以采用IGBT將感應加熱裝置做到功率超過1000kW ，頻率超過50kHz。而MOSFET較適用高頻場合，通常應用在幾千瓦的中小功率場合，頻率可達到500kHz以上，甚至幾兆赫茲。然而國外也有推出采用 MOSFET的大功率的感應加熱裝置，比如美國研制的2000kW /400kHz的裝置。
我國感應熱處理技術(shù)的真正應用始于1956年，從前蘇聯(lián)引入，主要應用在汽車工業(yè)。隨著 20世紀電源設備的制造，感應淬火工藝裝備也緊隨其后得到發(fā)展?，F(xiàn)在國內(nèi)感應淬火工藝裝備制造業(yè)也日益擴大，產(chǎn)品品種多，原來需要進口的裝備，逐步被國產(chǎn)品所取代，在為國家節(jié)省外匯的同時，發(fā)展了國內(nèi)的相關(guān)企業(yè)。目前感應加熱制造業(yè)的服務對象主要是汽車制造業(yè)，今后現(xiàn)代冶金工業(yè)將對感應加熱有較大需求。
一、感應加熱特點
感應加熱技術(shù)具有快速、清潔、節(jié)能、易于實現(xiàn)自動化和在線生產(chǎn)、生產(chǎn)效率高等特點，是內(nèi)部熱源，屬非接觸加熱方式，能提供高的功率密度，在加熱表面及深度上有高度靈活的選擇性，能在各種載氣中工作 （空氣、保護氣、真空），損耗極低，不產(chǎn)生任何物理污染，符合環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展方針，是綠色環(huán)保型加熱工藝之一。它與可控氣氛熱處理、真空熱處理少無氧化技術(shù)已成為熱處理技術(shù)的發(fā)展主流。
其主要應用有：
?。?）冶金 有色金屬的冶煉，金屬材料的熱處理，鍛造、擠壓、軋制等型材生產(chǎn)的透熱，焊管生產(chǎn)的焊縫。
（2）機械制造 各種機械零件的淬火，以及淬火后的回火、退火和正火等熱處理的加熱;壓力加工前的透熱。
?。?）輕工 罐頭以及其他包裝的封口，比如著名的利樂磚的封口包裝。
?。?）電子 電子管真空除氣的加熱。
?。?）特殊應用 如等離子、堆焊等
以一汽為例，在生產(chǎn)的中型車、輕型車和轎車上，就有近200種零件需要感應加熱淬火處理，從感應加熱淬火零件的形狀和尺寸來看，可稱得上花樣繁多且大小均有。隨著感應淬火技術(shù)的不斷發(fā)展，感應淬火的零件已上升到占全部熱處理零件的50%左右。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)表明，在我國的汽車工業(yè)中，感應熱處理的應用正進入世界先進水平的行列。
二、感應加熱新工藝
感應加熱工藝是感應加熱技術(shù)水平的主要體現(xiàn)，是技術(shù)發(fā)展的基礎，先進的感應加熱工藝技術(shù)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(gòu)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(guān)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。
?。?）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。
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(guān)，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(shù)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(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(shù)是在器件串、并聯(lián)技術(shù)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(shù)，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(gòu)，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(gòu)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。
