感應(yīng)加熱應(yīng)用基礎(chǔ)

文/陳勇·杭州富芝科技有限公司

目前，感應(yīng)加熱已經(jīng)成為鍛造加熱的一種主要加熱方式。感應(yīng)加熱基于法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，在交變磁場(chǎng)中放置的導(dǎo)體因內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流而發(fā)熱。自1890年瑞典人發(fā)明了第一臺(tái)感應(yīng)熔煉爐以來(lái)，感應(yīng)加熱技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入了實(shí)用階段，尤其在1957年美國(guó)通用發(fā)明了晶閘管，1966年瑞士和西德首次利用晶閘管研制出靜止變頻器后，感應(yīng)加熱技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)啟了全新的篇章。

我國(guó)感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用始于20世紀(jì)50年代，率先在汽車(chē)和拖拉機(jī)零件感應(yīng)熱處理領(lǐng)域開(kāi)展起來(lái)，但當(dāng)時(shí)多數(shù)采用變頻發(fā)電機(jī)組或電子管高頻電源作為感應(yīng)加熱的電源。1970年初，浙江大學(xué)汪楢生老師，現(xiàn)中國(guó)工程院院士，研制成功了我國(guó)第一臺(tái)大功率晶閘管并聯(lián)逆變式中頻感應(yīng)加熱電源，我國(guó)也開(kāi)始了感應(yīng)加熱技術(shù)在感應(yīng)熔煉，彎管加熱和鍛造加熱領(lǐng)域應(yīng)用的大面積推廣。杭州開(kāi)關(guān)廠(chǎng)1973開(kāi)始與浙江大學(xué)汪楢生院士團(tuán)隊(duì)合作生產(chǎn)可控硅中頻電源；1985年經(jīng)過(guò)國(guó)家批準(zhǔn)，引進(jìn)西德AEG-ELOTHERM公司成套感應(yīng)加熱設(shè)備制造技術(shù)，許可生產(chǎn)德國(guó)AEGELOTHERM公司的中頻感應(yīng)加熱機(jī)，這也真正拉開(kāi)了我國(guó)鍛造領(lǐng)域感應(yīng)加熱應(yīng)用的序幕。

感應(yīng)加熱原理

感應(yīng)加熱的原理如圖1所示，在一個(gè)線(xiàn)圈中通過(guò)交流電流I1，就會(huì)產(chǎn)生相同頻率的交變磁通φ，交變磁通φ又會(huì)在線(xiàn)圈中的坯料中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)e，因坯料是金屬導(dǎo)體，故會(huì)在坯料內(nèi)部引起電流I2，I2在坯料內(nèi)流動(dòng)導(dǎo)致坯料發(fā)熱。感應(yīng)加熱的能量是通過(guò)電磁感應(yīng)傳給金屬工件的，金屬工件本身就是一個(gè)發(fā)熱體，相比其他需要通過(guò)熱傳導(dǎo)或者熱輻射的加熱方式，感應(yīng)加熱的加熱速度更快，效率更高，更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

圖1 感應(yīng)加熱原理

感應(yīng)加熱的理論基礎(chǔ)就是電磁場(chǎng)理論。眾所周知，在感應(yīng)加熱應(yīng)用中有三個(gè)效應(yīng)——集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)和圓環(huán)效應(yīng)。尤其是集膚效應(yīng)的存在，導(dǎo)致在工件內(nèi)部產(chǎn)生的感應(yīng)電流都集中在工件表面，由此引出了“電流透入深度”這一概念，見(jiàn)公式1。

其中：f 為頻率(單位為Hz)

ρ為材料的電阻系數(shù)(單位為Ω×m)

μ0為真空導(dǎo)磁率，4π×10-7H/m

μr為材料的相對(duì)導(dǎo)磁率(無(wú)量綱)

注意，材料的相對(duì)導(dǎo)磁率和電阻系數(shù)都是會(huì)隨著溫度的改變而改變的。對(duì)于我們通常所用的45#鋼來(lái)說(shuō)，電阻系數(shù)隨溫度升高變大，相對(duì)導(dǎo)磁率在500℃以下基本沒(méi)有變化，隨溫度升高，超過(guò)居里點(diǎn)后，電阻率的變化也趨于平穩(wěn)了，相對(duì)導(dǎo)磁率迅速下降到1左右。

由于，我們大部分的鍛造加熱要求溫度都超過(guò)了800℃，所以，這個(gè)公式可以簡(jiǎn)化為，Δ=503(ρ/ f)1/2(單位為m)。表1是45#鋼在不同溫度下電阻率的數(shù)據(jù)。

表1 45#鋼在不同溫度下電阻率的數(shù)據(jù)

為此，我們可以計(jì)算出在不同加熱設(shè)備頻率下45#鋼的透入深度，見(jiàn)表2。感應(yīng)加熱設(shè)備的頻率是參照加熱坯料直徑?jīng)Q定的，通常以坯料直徑為透入深度的3～5倍比較合適，因此，我們可以推算出表3適宜加熱的坯料直徑。以上數(shù)據(jù)僅作為感應(yīng)加熱應(yīng)用情況的參考。在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)備制造廠(chǎng)家需要根據(jù)設(shè)備的通用性做一些調(diào)整。

表2 不同加熱設(shè)備頻率下45#鋼的透入深度

表3 適宜加熱的坯料直徑

感應(yīng)加熱的效率

感應(yīng)加熱方式與其他燃?xì)饧訜岷兔籂t加熱，以及電阻爐加熱相比，感應(yīng)加熱過(guò)程中工件本身就是發(fā)熱體，不需要通過(guò)熱場(chǎng)輻射等氣氛加熱，加熱效率更高，但因?yàn)楦袘?yīng)加熱電源的頻率轉(zhuǎn)換和中頻電力傳輸，這些可以稱(chēng)為感應(yīng)加熱的電效率；電磁感應(yīng)過(guò)程中消耗的能量和在坯料升溫時(shí)，在坯料表面熱量向心部傳導(dǎo)的過(guò)程中也會(huì)對(duì)外部散熱，產(chǎn)生熱損，導(dǎo)致能量損失，這些可以稱(chēng)為感應(yīng)加熱的熱效率。感應(yīng)加熱的效率，是由電效率和熱效率合并而成的，總的效率基本在50%～60%左右，相比于燃?xì)饣蛉济杭訜釥t20%～30%的效率，感應(yīng)加熱的效率提高了很多。尤其是在當(dāng)今社會(huì)，強(qiáng)調(diào)綠色經(jīng)濟(jì)、低碳經(jīng)濟(jì)，感應(yīng)加熱的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。

表4是一些主要材料的比熱容數(shù)據(jù)，從表中我們也可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)磁材料在居里點(diǎn)附近比熱容是大幅增加的。為此，我們可以根據(jù)表中提供的數(shù)據(jù)計(jì)算出，通常所用的45#鋼1kg坯料，一小時(shí)加熱到1150℃，所需要的能量是725kJ，相當(dāng)于0.2kW·h，因此，采用感應(yīng)加熱設(shè)備加熱45#鋼1kg坯料在進(jìn)線(xiàn)側(cè)的能耗在0.335kW·h左右，受坯料加熱方式、坯料傳送方式和設(shè)備制造廠(chǎng)家技術(shù)水平的影響，向上浮動(dòng)10%都屬于正常，但是對(duì)于需要中間采用多級(jí)輥道傳送的大功率設(shè)備，或加熱φ120mm以上的坯料，或加熱溫度在1200℃以上時(shí)，線(xiàn)圈之間的滾輪的熱損和熱傳導(dǎo)時(shí)間延長(zhǎng)導(dǎo)致的熱損都會(huì)使能量轉(zhuǎn)換效率降低，此時(shí)，進(jìn)線(xiàn)側(cè)的能耗可能會(huì)超過(guò)0.4kW·h/kg。

表4 常用鋼材的比熱容(單位：kJ/kg·℃)

參考以上數(shù)據(jù)，我們就可以根據(jù)每小時(shí)需要加熱的坯料重量估算出設(shè)備的實(shí)際使用功率，并依此確定設(shè)備的額定功率。

并聯(lián)逆變電路與串聯(lián)逆變電路的優(yōu)缺點(diǎn)

目前，我國(guó)感應(yīng)加熱電源線(xiàn)路根據(jù)感應(yīng)線(xiàn)圈與補(bǔ)償電容的連接方式分為并聯(lián)逆變電路和串聯(lián)逆變電路兩種。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)并聯(lián)逆變電路好還是串聯(lián)逆變電路好，爭(zhēng)論得不亦樂(lè)乎，但爭(zhēng)論的過(guò)程中，有的廠(chǎng)家往往混淆了一些基本概念，誘導(dǎo)消費(fèi)者。實(shí)際上電網(wǎng)的功率因數(shù)和加熱電源的效率是兩個(gè)完全不同的概念，電網(wǎng)的功率因數(shù)是由進(jìn)線(xiàn)側(cè)交流電流與交流電壓的相位差造成的。感應(yīng)加熱電效率不僅僅包括了電網(wǎng)的功率因數(shù)，即感應(yīng)加熱電源整流效率，也包括了感應(yīng)加熱電源的逆變效率和電力傳輸效率。我們將通過(guò)表5來(lái)詳細(xì)介紹這兩種線(xiàn)路的優(yōu)缺點(diǎn)。

表5 這兩種線(xiàn)路的優(yōu)缺點(diǎn)

通過(guò)比較，我們可以清楚地知道：并聯(lián)逆變電路和串聯(lián)逆變電路是得到中頻感應(yīng)電流的兩種不同途徑，各有優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于使用客戶(hù)來(lái)說(shuō)，實(shí)際上更應(yīng)該關(guān)心的是，加熱產(chǎn)品的在線(xiàn)噸能耗(注意，這里不是生產(chǎn)線(xiàn)的綜合能耗)，尤其是用于鍛造加熱和鑄造的用戶(hù)，因?yàn)?，能耗成本目前在這些感應(yīng)加熱用戶(hù)中是排在第一位的；而不是被設(shè)備制造商誘導(dǎo)，糾結(jié)于并聯(lián)電路好還是串聯(lián)電路好的困惑中。當(dāng)然，設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性及服務(wù)的及時(shí)性也是非常關(guān)鍵的。

常用電力電子器件的性能

感應(yīng)加熱電源技術(shù)與功率半導(dǎo)體器件，又稱(chēng)電力電子器件制造技術(shù)互依互存，共同發(fā)展。半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，也經(jīng)歷了從真空閘流管、真空三極管到半導(dǎo)體二極管、三極管、晶閘管、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、靜電感應(yīng)晶體管(SIT)、絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)、柵控晶閘管(MCT)等不同時(shí)代的電力電子器件。

目前，在感應(yīng)加熱電源中應(yīng)用的電力電子器件主要是晶閘管、功率場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)和絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)。下面我們還是通過(guò)表6來(lái)介紹這三種不同的電力電子器件的特點(diǎn)。

表6 三種不同的電力電子器件的特點(diǎn)

現(xiàn)代電力電子器件正朝著高頻、大電流、高電壓、柵控可關(guān)斷方向發(fā)展?，F(xiàn)代電力電子器件的發(fā)展促進(jìn)了感應(yīng)加熱電源技術(shù)的升級(jí)換代，同樣電源技術(shù)也正在朝著大容量、模塊化、高穩(wěn)定度、高效率，并能有效地抑制電網(wǎng)諧波和環(huán)境噪聲污染的方向發(fā)展。近幾年一種新型的感應(yīng)加熱電源-LLC電源，在歐洲已經(jīng)大面積使用，但在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用才剛剛興起，今后我們將對(duì)這種加熱電源技術(shù)進(jìn)行單獨(dú)介紹。

結(jié)束語(yǔ)

感應(yīng)加熱作為非接觸加熱方式，有著效率高，對(duì)環(huán)境影響小，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)，有著極大的發(fā)展前景，完全符合國(guó)家碳發(fā)展的產(chǎn)業(yè)政策。隨著感應(yīng)加熱應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，電源技術(shù)的發(fā)展，感應(yīng)加熱應(yīng)用的未來(lái)是光明的。各種電源技術(shù)都是實(shí)現(xiàn)感應(yīng)加熱的不同路徑，需要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同進(jìn)行取舍。關(guān)鍵還是看能源效率，是否能讓能源創(chuàng)造最大價(jià)值。

不同的電力電子器件都有優(yōu)缺點(diǎn)，晶閘管、IGBT和MOSFET，都需要根據(jù)用戶(hù)的使用要求進(jìn)行選擇，目前還沒(méi)有一種器件可以完全替代另一種器件，晶閘管在中低頻(3000Hz以下)，高電壓和大電流場(chǎng)合仍然有著巨大的優(yōu)勢(shì)，而且它的制造工藝成熟，是目前國(guó)內(nèi)完全可以獨(dú)立生產(chǎn)的器件，目前大電流的IGBT和MOSFET幾乎還是完全依賴(lài)進(jìn)口，而且通態(tài)損耗的增加掩蓋了在中低頻領(lǐng)域因?yàn)榭煽仃P(guān)斷帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。