基于圆环链热处理控制系统的研究

【摘 要】圆环链在矿井机械化采煤设备中担当重要角色，目前感应加热方式是圆环链的热处理主要工艺。本文首先介绍了感应加热基本原理，以感应加热电源功率和工作频率为主线，较为全面的介绍了国内外中频、超音频和高频感应加热电源以及相关技术的发展历程、研究现状及其发展趋势；然后简单的介绍了圆环链热处理系统。

【关键词】圆环链；感应加热；加热电源

0 引言

链条的热处理工艺主要通过500KW、2500Hz淬火中频电源，250KW、1000Hz回火中频电源、数模集成电路式中频电源控制板以及淬火感应圈、回火感应圈、冷却水系统和传动机构等设备来完成[1]。虽然可以基本满足生产需要，但在生产过程中存在许多问题。本文基于此简单的介绍了圆环链热处理系统。

1 感应加热的基本原理

感应加热是基于法拉第电磁感应现象和焦耳效应这两个物理现象。当线圈中通过交变电流I 通过电磁线圈，则线圈周围空间产生交变磁场。则感应电动势E在处于该交变磁场中的金属内产生。法拉第电磁感应定律由公式1确定：

Fig1 The principle of induction heating

式中 f——电流频率。

将坯料的闭合回路只有一匝。当产生感应电动势时，交变的自成环路的环流涡流I 在该回路中产生。感应加热原理就是利用涡流产生的能量加热金属坯料。

焦耳效应可用下式表述：

它反映了涡流在金属坯料中产生热的速率与坯料的电阻和涡流的平方成正比这样一种现象。

消耗于金属坯料中的功率：

保持其他参数不变，功率P与频率f成正比。因此，提高频率f，在相同体积中释放的能量增大，这就是感应加热中采用中、高频率的原因。

2 国内外感应加热电源技术的发展历程及其研究现状

2.1 感应加热电源技术的发展历程

我国感应加热技术的应用起步于20世纪50年代[4]。这一阶段的感应加热电源主要有工频感应熔炼炉、电磁倍频器、中频发电机组和电子管振荡器式高频电源[6]。1959年，天津广播器材厂制造出ЛГ3-60系列电子管高频电源，北京广播器材厂则制造出ЛГ3-60型高频电源，湘潭电机厂和锦州新生电炉厂各制造出100KW、2.5KHz，100KW、8KHz，200KW、2.5KHz和200KW、4KHz等系列中频发电机组。1958年，中科院长春光机所研制出火花式中频发生器[7]。

到20世纪70年代时，快速晶闸管开始作为感应加热电源的核心器件，控制电路采用由众多分立元件构成的多块控制板组成的插件箱结构。1970年浙大研制成功国内第一台100KW、1KHz的晶闸管中频电源[8]。1980年以后，工业生产逐渐开始采用晶闸管中频电源，工作频率多取在2.5KHz以下，要获得4KHz或8KHz的输出频率仍不得不使用倍频等复杂的控制技术。这一时期晶闸管中频电源的起动方案多为带有专门充电环节的撞击式起动方案，且控制板为多块小控制板构成的插件箱式结构。

在超音频电源方面，1995年浙大研制出50KW、50KHz的IGBT超音频电源，1996年北京有色金属研究总院和本溪高频电源设备厂联合研制出100KW、20KHz的IGBT电源。

在高频电源方面，1993年铁岭高频设备厂研制成功80KW、150KHz的SIT高频电源，但由于种种原因并没有投入商业运行[5]。上海宝钢于1998年引进了日本富士公司的3200KW、71～80KHz高频感应加热电源，是当时世界上最为先进的逆变电源。

2.2 感应加热电源的国内外发展现状

目前在中频范围，国外晶闸管的中频发电机组和电磁倍频器已经被中频感应加热装置所取代，最大容量已达数十兆瓦。在高频段，国外已有600KW、400KHz的MOSFET电源应用于管道焊接的报道。日本已利用SIT开发出1000KW、200KHz和 400KW、400KHz的高频感应加热电源。西班牙已经生产出30～600KW、50～100kHz的高频感应电源[12]，德国早在1989年就研制出了480KW、50～200KHz的电流型MOSFET感应加热电源，比利时生产的电流型MOSFET感应加热电源水平可达1000KW、15～600KHz[11]。德国ELDEC公司最近研制出的晶体管电源，一台可以两种频率（中频2～10KHz、高频150～400KHz），具有高效输出、电子自动负载匹配，即更换工件后，电源能自动调整，不需手动更换变压器匝数比和匹配电容，在额定功率下，该电源能同时供给7台以下的输出。

目前，国产的KGPS系列中频电源也已形成100～3000KW、200～8000Hz的系列产品[13]，几乎涵盖了中频机组的全部型号[7]，多数采用并联谐振逆变器结构。现在，国内感应加热中频电源的单机最大容量已达4000KW、工作频率最高不超过8KHz，有些企业正在开发单机容量达6000KW的晶闸管中频电源。

在超音频频段内，浙江大学在20世纪70年代开始研制晶闸管倍频逆变电源，于20世纪80年代末又采用改进型倍频逆变电路研制了50KW、50KHz晶闸管超音频电源，目前产品水平为250～320KW、10～15KHz[5][11]，200KW、50KHz的感应电源正在研制中。清华大学电力电子厂生产的300KW、50KHz电流型感应电源已经在科研和生产中获得广泛应用。

在高频段，国内各电源生产厂家也已推出了自主开发的技术成熟的IGBT电源，如清华大学推出的100KW、100KHz的高频感应电源[6]。电力电子应用国家工程中心设计研制出了5～50KW、100～400KHz高频MOSFET逆变电源。辽宁电子设备厂和天津市高频设备厂已经生产出了SIT高频电源系列产品，但利用静电感应晶闸管（SITH）的高频大功率感应加热电源目前还处于开发研究阶段。超高频27.12MHz的小功率电源过去从德国进口，现在我国能够自行制造[8]。

现在国产的晶体管式双频电源，已经能够将中频0.5KHz与超音频40KHz组合在一起，不但电效率高，而且更适合于处理具有不同淬火层深度要求的工件。

3 圆环链热处理系统简介

圆环链是刮板输送机、刨煤机、滚筒采煤机和巷道掘进机等煤矿井下机械化采煤设备上的重要传动部件，也是设备的关键件和易损件，其性能好坏将直接影响着煤矿的生产安全。典型的圆环链生产工艺流程为：下料-压弯（编环）-整形-对焊-热处理-成品[1]。其中的热处理工艺对生产的圆环链进行淬火处理和回火处理，通过淬火与不同温度的回火配合，可以大幅度提高圆环链的强度、韧性及疲劳强度，改善其综合机械性能以满足不同的使用要求。

圆环链的热处理主要有三种方法：一种，是常规方式；一种，是感应加热方式；一种，是感应加热和常规方式的结合方式[2]。通过对长春东北输送设备制造有限公司、张家口圆环链厂、新泰市先进矿山设备厂等多家专业生产制造圆环链厂家的调查了解，他们的圆环链热处理几乎全部采用可控硅中频感应加热方式，个别有的使用中频发电机组方式进行中频感应加热。

感应加热方式的圆环链热处理工艺过程如下：将编制好的圆环链以一定的速度通过淬火感应圈，对圆环链进行感应加热，使淬火感应圈出口处圆环链的温度达到800～1000℃，然后使其进入冷却水中迅速冷却，完成淬火工艺过程。当链条从冷却水中出来以后再以相同的速度进入回火感应圈，链条表面温度再次迅速上升，使回火感应圈出口处圆环链的温度达到500～520℃[1]，然后通过空气自然冷却，完成回火工艺过程。圆环链热处理系统一般由中频感应加热电源（本文简称为中频电源）、感应器负载、各种传感器、传动机构和冷却水系统组成，其中中频电源是整个系统的关键设备，在特定条件下通过对中频电源的输出功率进行合理控制就可以获得满意的加热温度，从而满足淬火和回火工艺的工艺要求。

4 结论

本文将从介绍感应加热的基本原理入手，以感应加热电源的功率和工作频率为主线，较为全面的总结了国内外中频、超音频和高频感应加热电源以及相关技术的发展历程、研究现状及其发展趋势；然后简单的介绍了圆环链热处理系统，最后阐述了课题的来源、研究意义。

【参考文献】

[1]李韵豪.锻压工业中的感应加热第一讲感应加热的基础[J].机械工人，2007（1）：80-81.

[2]许静.感应加热电源数字控制技术的研究[D].浙江大学，2002.

[3]赵前哲，志大器，周伟松，等.感应加热电源的发展动态及选用[J].机械工人：热加工，2006（9）：24-28.

[4]李月朋.智能中频感应加热电源的研制[D].山东科技大学，2006.

[5]Dede E. J，Conzale J V，Esteve V，etal. Transistorized Inverters for Induction Heating Applications State of the Art and Future Trends [C]//IPEMC’97.Hangzhou （China），1997：746-751.

[6]张志远，陈辉明.感应加热电源的最新进展[J].机械工人：热加工，1999（3）：6-7.

[7]沈庆通.感应加热进展50年[J].机械工人：热加工，2006（7）：36-40.

[8]俞勇祥，陈辉明.感应电源的发展[J].金属热处理，2000（8）：28-31.

[9]全亚杰.感应加热电源的发展与动向[J].电焊机，Vol.31，2001（11）：3-6.

[10]朴兴哲.10KHz、150KW中频感应加热电源的研究[D].沈阳工业大学，2004.