王 巖 孟祥寧

（1.遼寧省國際工程咨詢公司，遼寧 沈陽110014；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 葫蘆島125000）

0 引言

鏈條的熱處理工藝主要通過500KW、2500Hz 淬火中頻電源，250KW、1000Hz 回火中頻電源、數(shù)模集成電路式中頻電源控制板以及淬火感應(yīng)圈、回火感應(yīng)圈、冷卻水系統(tǒng)和傳動機構(gòu)等設(shè)備來完成[1]。 雖然可以基本滿足生產(chǎn)需要，但在生產(chǎn)過程中存在許多問題。 本文基于此簡單的介紹了圓環(huán)鏈熱處理系統(tǒng)。

1 感應(yīng)加熱的基本原理

感應(yīng)加熱是基于法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象和焦耳效應(yīng)這兩個物理現(xiàn)象。 當(dāng)線圈中通過交變電流I1通過電磁線圈，則線圈周圍空間產(chǎn)生交變磁場。 則感應(yīng)電動勢E 在處于該交變磁場中的金屬內(nèi)產(chǎn)生。 法拉第電磁感應(yīng)定律由公式1 確定：

式中 E 為感應(yīng)電動勢；

n 為感應(yīng)線圈匝數(shù)；

φ 為磁通量。

圖1 感應(yīng)加熱的基本原理

Fig1 The principle of induction heating

對于φ=φmsinωt，角頻率ω=2πf，感應(yīng)電動勢的有效值為：

式中 f——電流頻率。

將坯料的閉合回路只有一匝。 當(dāng)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢時，交變的自成環(huán)路的環(huán)流渦流I2在該回路中產(chǎn)生。 感應(yīng)加熱原理就是利用渦流產(chǎn)生的能量加熱金屬坯料。

焦耳效應(yīng)可用下式表述：

它反映了渦流在金屬坯料中產(chǎn)生熱的速率與坯料的電阻和渦流的平方成正比這樣一種現(xiàn)象。

消耗于金屬坯料中的功率：

保持其他參數(shù)不變，功率P 與頻率f 成正比。 因此，提高頻率f，在相同體積中釋放的能量增大，這就是感應(yīng)加熱中采用中、高頻率的原因。

2 國內(nèi)外感應(yīng)加熱電源技術(shù)的發(fā)展歷程及其研究現(xiàn)狀

2.1 感應(yīng)加熱電源技術(shù)的發(fā)展歷程

我國感應(yīng)加熱技術(shù)的應(yīng)用起步于20 世紀(jì)50 年代[4]。 這一階段的感應(yīng)加熱電源主要有工頻感應(yīng)熔煉爐、 電磁倍頻器、中頻發(fā)電機組和電子管振蕩器式高頻電源[6]。 1959 年，天津廣播器材廠制造出ЛГ3－60 系列電子管高頻電源，北京廣播器材廠則制造出ЛГ3－60 型高頻電源，湘潭電機廠和錦州新生電 爐 廠 各 制 造 出100KW、2.5KHz，100KW、8KHz，200KW、2.5KHz 和200KW、4KHz 等系列中頻發(fā)電機組。1958 年，中科院長春光機所研制出火花式中頻發(fā)生器[7]。

到20 世紀(jì)70 年代時，快速晶閘管開始作為感應(yīng)加熱電源的核心器件，控制電路采用由眾多分立元件構(gòu)成的多塊控制板組成的插件箱結(jié)構(gòu)。 1970 年浙大研制成功國內(nèi)第一臺100KW、1KHz 的晶閘管中頻電源[8]。1980 年以后，工業(yè)生產(chǎn)逐漸開始采用晶閘管中頻電源，工作頻率多取在2.5KHz 以下，要獲得4KHz 或8KHz 的輸出頻率仍不得不使用倍頻等復(fù)雜的控制技術(shù)。 這一時期晶閘管中頻電源的起動方案多為帶有專門充電環(huán)節(jié)的撞擊式起動方案，且控制板為多塊小控制板構(gòu)成的插件箱式結(jié)構(gòu)。

在超音頻電源方面，1995 年浙大研制出50KW、50KHz的IGBT 超音頻電源，1996 年北京有色金屬研究總院和本溪高頻電源設(shè)備廠聯(lián)合研制出100KW、20KHz 的IGBT 電源。

在高頻電源方面，1993 年鐵嶺高頻設(shè)備廠研制成功80KW、150KHz 的SIT 高頻電源， 但由于種種原因并沒有投入商業(yè)運行[5]。 上海寶鋼于1998 年引進(jìn)了日本富士公司的3200KW、71～80KHz 高頻感應(yīng)加熱電源， 是當(dāng)時世界上最為先進(jìn)的逆變電源。

2.2 感應(yīng)加熱電源的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前在中頻范圍，國外晶閘管的中頻發(fā)電機組和電磁倍頻器已經(jīng)被中頻感應(yīng)加熱裝置所取代，最大容量已達(dá)數(shù)十兆瓦。 在高頻段，國外已有600KW、400KHz 的MOSFET 電源應(yīng)用于管道焊接的報道。 日本已利用SIT 開發(fā)出1000KW、200KHz 和400KW、400KHz 的高頻感應(yīng)加熱電源。 西班牙已經(jīng)生產(chǎn)出30～600KW、50～100kHz 的高頻感應(yīng)電源[12]，德國早在1989 年 就 研 制 出 了480KW、50 ～200KHz 的 電 流 型MOSFET 感應(yīng)加熱電源，比利時生產(chǎn)的電流型MOSFET 感應(yīng)加熱電源水平可達(dá)1000KW、15～600KHz[11]。 德國ELDEC 公司最近研制出的晶體管電源， 一臺可以兩種頻率 （中頻2～10KHz、高頻150～400KHz），具有高效輸出、電子自動負(fù)載匹配，即更換工件后，電源能自動調(diào)整，不需手動更換變壓器匝數(shù)比和匹配電容，在額定功率下，該電源能同時供給7 臺以下的輸出。

目前， 國產(chǎn)的KGPS 系列中頻電源也已形成100 ～3000KW、200～8000Hz 的系列產(chǎn)品[13]，幾乎涵蓋了中頻機組的全部型號[7]，多數(shù)采用并聯(lián)諧振逆變器結(jié)構(gòu)。 現(xiàn)在，國內(nèi)感應(yīng)加熱中頻電源的單機最大容量已達(dá)4000KW、 工作頻率最高不超過8KHz， 有些企業(yè)正在開發(fā)單機容量達(dá)6000KW 的晶閘管中頻電源。

在超音頻頻段內(nèi)，浙江大學(xué)在20 世紀(jì)70 年代開始研制晶閘管倍頻逆變電源，于20 世紀(jì)80 年代末又采用改進(jìn)型倍頻逆變電路研制了50KW、50KHz 晶閘管超音頻電源，目前產(chǎn)品水平為250～320KW、10～15KHz[5][11]，200KW、50KHz 的感應(yīng)電源正在研制中。 清華大學(xué)電力電子廠生產(chǎn)的300KW、50KHz 電流型感應(yīng)電源已經(jīng)在科研和生產(chǎn)中獲得廣泛應(yīng)用。

在高頻段，國內(nèi)各電源生產(chǎn)廠家也已推出了自主開發(fā)的技術(shù)成熟的IGBT 電源， 如清華大學(xué)推出的100KW、100KHz的高頻感應(yīng)電源[6]。 電力電子應(yīng)用國家工程中心設(shè)計研制出了5～50KW、100～400KHz 高頻MOSFET 逆變電源。 遼寧電子設(shè)備廠和天津市高頻設(shè)備廠已經(jīng)生產(chǎn)出了SIT 高頻電源系列產(chǎn)品，但利用靜電感應(yīng)晶閘管（SITH）的高頻大功率感應(yīng)加熱電源目前還處于開發(fā)研究階段。 超高頻27.12MHz 的小功率電源過去從德國進(jìn)口，現(xiàn)在我國能夠自行制造[8]。

現(xiàn)在國產(chǎn)的晶體管式雙頻電源，已經(jīng)能夠?qū)⒅蓄l0.5KHz與超音頻40KHz 組合在一起，不但電效率高，而且更適合于處理具有不同淬火層深度要求的工件。

3 圓環(huán)鏈熱處理系統(tǒng)簡介

圓環(huán)鏈?zhǔn)枪伟遢斔蜋C、刨煤機、滾筒采煤機和巷道掘進(jìn)機等煤礦井下機械化采煤設(shè)備上的重要傳動部件，也是設(shè)備的關(guān)鍵件和易損件，其性能好壞將直接影響著煤礦的生產(chǎn)安全。 典型的圓環(huán)鏈生產(chǎn)工藝流程為：下料－壓彎（編環(huán)）－整形－對焊－熱處理－成品[1]。 其中的熱處理工藝對生產(chǎn)的圓環(huán)鏈進(jìn)行淬火處理和回火處理， 通過淬火與不同溫度的回火配合，可以大幅度提高圓環(huán)鏈的強度、韌性及疲勞強度，改善其綜合機械性能以滿足不同的使用要求。

圓環(huán)鏈的熱處理主要有三種方法：一種，是常規(guī)方式；一種，是感應(yīng)加熱方式；一種，是感應(yīng)加熱和常規(guī)方式的結(jié)合方式[2]。 通過對長春東北輸送設(shè)備制造有限公司、張家口圓環(huán)鏈廠、新泰市先進(jìn)礦山設(shè)備廠等多家專業(yè)生產(chǎn)制造圓環(huán)鏈廠家的調(diào)查了解， 他們的圓環(huán)鏈熱處理幾乎全部采用可控硅中頻感應(yīng)加熱方式，個別有的使用中頻發(fā)電機組方式進(jìn)行中頻感應(yīng)加熱。

感應(yīng)加熱方式的圓環(huán)鏈熱處理工藝過程如下： 將編制好的圓環(huán)鏈以一定的速度通過淬火感應(yīng)圈， 對圓環(huán)鏈進(jìn)行感應(yīng)加熱， 使淬火感應(yīng)圈出口處圓環(huán)鏈的溫度達(dá)到800～1000℃，然后使其進(jìn)入冷卻水中迅速冷卻，完成淬火工藝過程。 當(dāng)鏈條從冷卻水中出來以后再以相同的速度進(jìn)入回火感應(yīng)圈，鏈條表面溫度再次迅速上升，使回火感應(yīng)圈出口處圓環(huán)鏈的溫度達(dá)到500～520℃[1]，然后通過空氣自然冷卻，完成回火工藝過程。 圓環(huán)鏈熱處理系統(tǒng)一般由中頻感應(yīng)加熱電源（本文簡稱為中頻電源）、感應(yīng)器負(fù)載、各種傳感器、傳動機構(gòu)和冷卻水系統(tǒng)組成， 其中中頻電源是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備， 在特定條件下通過對中頻電源的輸出功率進(jìn)行合理控制就可以獲得滿意的加熱溫度， 從而滿足淬火和回火工藝的工藝要求。

4 結(jié)論

本文將從介紹感應(yīng)加熱的基本原理入手，以感應(yīng)加熱電源的功率和工作頻率為主線， 較為全面的總結(jié)了國內(nèi)外中頻、 超音頻和高頻感應(yīng)加熱電源以及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展歷程、研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢；然后簡單的介紹了圓環(huán)鏈熱處理系統(tǒng)，最后闡述了課題的來源、研究意義。

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