感应炉综述

1、前言

虽然感应加热的原理发现的比较早，但人类真正广泛应用该项技术还是近三十年的事情。现在它的重要性越来越被人们所认识。

早在十九世纪科学家就发现了电磁感应现象：1831年法拉第（Michael Faraday）发现电磁感应规律；1868年福考特（Foucault）提出涡流理论；1840年焦耳-楞茨确定了电阻发热的关系式，，这些都是感应加热的理论基础。

感应加热装置由两部分组成，一部分是提供能量的交流电源，也称变频电源,变频电源有低频、工频、中频、超音频和高频之分；另一部分是完成电磁感应能量转换的感应线圈及机械结构，称感应炉。早期的感应加热电源有工频固态(50或60Hz)电源、中频有发电机旋转和固态电源、高频电子管电源。第二次世界大战前后的感应加热设备基本上是上述的初级发展水平。

制约感应加热发展的主要是感应加热电源，而电源受制于高频或大功率的开关器件。电力电子功率器件的发展，才真正促进了感应加热电源的发展。1957年美国研制出世界上第一只普通的阻断型可控硅，我们现在称为晶闸管(SCR)，经过60至70年代工艺完善和产品开发，70年代后期已形成从低电压小电流到高压大电流的系列产品，从而使固态感应加热电源产生了革命，走向实用化的阶段。与此同时，世界各国研制了大量的派生器件。如逆导晶闸管(RCT)，门极辅助关断晶闸管(GATT)，光控晶闸管(LTSCR)、及80年代发展的可关断晶闸管（GTO）等。

今天的电力半导体功率器件的发展更是琳琅满目，简单归纳一下有：①、大功率二极管：②、晶闸管（SCR）；③、双向晶闸管；④、门极关断（GTO）晶闸管（最大 8500V ，3500A）；⑤、双极结型晶体管（BTT或BPT）；⑥、电力MOSFET；⑦、静电感应晶体管（SIT），（最大1000V ，300A，50MHz）；⑧、绝缘双极型晶体管（IGBT）（最大6500V，2500A）；⑨、MOS控制晶闸管（MCT）；⑩、集成门极换向晶闸管（IGCT）。这些器件还正在不断更新和完善中，这些电力半导体器件是现代电力电子设备的核心，更是感应加热电源赖以发展的基础。它为感应加热电源设备带来前所未有的活力和广阔的发展前景。

2、感应加热应用范围和优越性

感应加热的历史，算起来也不过一百多年，在我国大规模应用是在改革开放以后，但发展前景非常看好。

1890年瑞典人发明了第一台感应炉---开槽式有心炉。1916年美国人制

造出闭槽式有心炉，用于有色金属冶炼。无心炉是1921年在美国出现，当时采用的是火花式中频电源。后来才出现了中频机组电源和固体式晶闸管变频电源。工频炉和工频电源产生于20世纪30年代，高频电源等由于不同的工艺要求而后相继问世。

感应加热早期主要用于有色金属熔炼和热处理工艺，现在已广泛应用于下列领域（见表2-1）：

表2-1　感应加热的应用领域

感应加热的广泛应用，究其原因，主要是它本身相对于别的加热方式有下面的一些独特性：

（1）加热速度快，可节能。被加热金属氧化层薄，金属烧损小。感应加热是从金属内部，透入深度层开始加热，大大节省了热传导时间。其它加热是从外到内，导热时间长。据实验，加热同一坯料到一定温度，感应加热只需火焰炉加热时间的十分之一。

（2）加热温度高，而且是非接触式的电磁感应加热。

（3）可进行局部加热，容易控制热部位和深度。加热工件的质量在现性与重复性好，各种参数容易控制。

（4）控制温度的精度高，可保证温差在±0.5～1%以内。

（5）感应加热的热效率高，节能，一般可达50-70%。而火焰炉的热效率一般只有30%左右。

（6）容易实现自动化控制。

（7）作业环境好，几乎无热，噪声，粉尘等污染，环保。作业占地少，生产效率高。

（8）能加热形状复杂的工件，加热或熔炼都能间歇工作。

（9）熔炼中溶液有电磁搅拌作用。可以均匀的调金属液成份，溶液温度均匀，不会出现局部高温。金属烧损少，这一点，对熔炼稀有金属更重要。

3、国外感应加热现状

工频（50Hz或60Hz）感应加热电源。这种电源比较实用大型工件的整体透热、大容量炉的熔炼和保温。在频率要求较低的感应加热场合，普通采用工频感应炉。国外的工频感应加热装置单台可达数百兆瓦 ，用于数10吨的大型工件透热或数百吨的钢水保温。虽然固态功率器件构成的电源有取代工频感应加热电源的趋势，但短期内，在电源的容量、价格和可靠性方面难以与构造简单的工频感应电源竞争。

中频电源（50Hz或60Hz以上～10KHz）。晶闸管感应加热电源已完全取代了传统的中频发电机组和电磁倍频器。国外的装置单台容量已达数十兆瓦。

超音频电源（10K～100KHz）。早期采用晶闸管----时间分割电路和倍频电路构成超音频电源。

80年代开始，随着新型器件（GTO、GTR、MCT、IJBT、BSIT、 SITH和IGBT）的相继问世由这些器件构成的简单逆变桥电路得到了很大的发展，占据了感应加热电源主导地位。其中IGBT更是一支独秀，受到了开发者的重视。90年代初期，日本就采用IGBT研制出了1200KW/50KHz的电流型感应加热电源。我国98年进口日本的3200KW/80KHz感应加热线在上海运行，是国际上最先进的电源之一。一些发达国家如美国，英国，法国，瑞士等都研制出了超音频感应加热电源，已达数千千瓦。

高频电源（100KHZ以上）。目前正处在传统的电子管振荡器向固态电源的过度阶段。领先的国家有日本，西班牙，德国，比利时，美国等，采用的器件有SIT和MOSFET，感应加热电源水平可达到1MW/15-600KHZ。我国与国外先进国家在感应加热方面进行比较，存在较大的差距。

图1 美国某公司感应炉计算机控制管理画面

4、国内感应加热电源技术发展与现状

我国感应加热技术的应用，起源于上世纪50年代，主要用于机床、纺机、汽车、拖拉机等制造业。感应加热集中在工件表面淬火方面，熔炼和透热方面用的较少。感应加热的技术几乎全来自前苏联和捷克国家。20世纪60年代，由于和苏联的关系破裂，我国走上了感应加热技术独立发展的道路。这段时间直到改革开放后的80年代，由浙大开发了第一台并联式晶闸管中频电源，并向全国推广。有关单位相继也生产出了容量在几百千瓦，频率0.5--8KHz中频电源。电子管式超音频电源也研制成功，填补了我国8K--200KHz之间的频率缺口。

感应加热电源真正大量应用于工业生产则是20世纪80年代后。近20多年间感应加热电源和感应加热领域发生了令人注目的变化：此阶段从德国、美国、英国、法国、日本、意大利、西班牙、比利时和俄罗斯等工业发达国家引进了数百套感应加热成套装置(含电源)。粗分类有:各种淬火设备及电源；透热设备及电源；高频纤焊设备；熔炼设备及电源；熔炼设备无心感应炉、有心感应炉。

20世纪90年代，国外的一些感应电炉公司直接到中国来办厂，如美国的