宝钢钢管厂的感应加热技术

　　感应加热电源伴随着法拉第电磁感应现象的发现和涡流理论的提出而被研制出来。它最早用于表面淬火的例子是前苏联应用于曲轴颈的表面淬火。其后，表面加热淬火广泛应用于汽车、铁路、机床、轴承制造等各个行业。感应加热因具有节能、加热效率高、速度快、可控性好及易于实现机械化和自动化等优点，而得到迅速发展和广泛应用。目前己广泛应用于熔炼、铸造、弯管、热锻、焊接和表面热处理等行业。在感应热处理方面，应用最多的是感应淬火，其次是感应回火和感应退火或正火。而钢管焊缝退火（正火）是感应退火（正火）典型应用。
　　1 基本原理和组成
　　感应加热是根据电磁感应原理，交变的电场产生交变的磁场，再利用交变磁场使被加热工件产生涡流达到加热的效果。具体为当逆变桥对角功率器件以接近电路谐振的频率交替触发，负载感应线圈通过一定频率的电流，线圈中产生交变磁通，金属在交变磁场作用下产生涡流，使金属发热的过程。感应加热技术常用的三个效应：集肤效应、邻近效应、圆环效应。
　　感应加热电源的基本组成包括可控或不可控整流电路、逆变器和控制电路。整流电路把50Hz 交流电转换为直流电；逆变器将直流电转化为负载所需频率的交流电；控制电路为整流电路提供移相控制触发脉冲和为逆变电路提供驱动脉冲。Uf为反馈信号电压，提供过流及频率跟踪信号。目前应用最多的逆变电路形式是电流源并联谐振式和电压源串联谐振式。并联逆变器的负载对电源呈现高阻抗，适合于低阻抗感应器的应用场合；串联逆变器的负载对电源呈低阻抗，适合于高阻抗感应器的场合。
　　2 感应加热的优点
　　感应加热电源的频率范围很广，低于10KHz以下的称为中频感应加热电源；频率在10kHz～100kHz之间的称为超音频感应加热电源；频率高于100KHz的称为高频感应加热电源。按照功率器件SCR、IGBT和MOSFET的频率特性和功率容量来看，SCR主要应用在中频感应加热。感应加热与传统加热相比有以下优点：
　　●感应加热属于内热源直接加热，热损失小，因此加热速度快，时间短，使工件表面氧化脱碳少，废品率极低。
　　●可进行工件局部加热，可通过电气参数对过程进行精确的工艺控制。
　　●用感应加热进行表面热处理，使工件表面硬度高，心部能保持较好的塑性和韧性，冲击韧性、疲劳强度和耐磨性等有很大提高，力学性能提高。
　　●便于机械化以及自动化。
　　●生产过程清洁，无周边高温，劳动条件好。
　　3 感应加热技术在宝钢钢管厂的应用
　　宝钢钢管厂在各生产区域大量使用了感应加热技术。按照感应加热的工件部位可分：整体外表面感应加热；  局部外表面感应加热；  局部或端部感应加热。
　　(1)  整体外表面感应加热
　　为了保证芯棒的使用寿命，需要对芯棒表面进行热处理，使其具有足够的强度和热稳定性。根据热处理工艺对芯棒表面温度的要求来控制芯棒通过感应加热线圈的速度，同时调节中频电源的输出功率。另配有不同尺寸的感应线圈来用于不同规格芯棒的热处理。
　　在对钢管表面进行外抛丸处理之前，需要将钢管外表面加热到抛丸所需要的温度。使用感应加热，加热速度快，时间短，使工件表面氧化脱碳少，减少了废品率，仅加热钢管表面可节约能源。
　　在对钢管表面进行外涂覆处理之前，也需将钢管表面加热到粉末涂层所需要的温度。
　　(2)  局部外表面：HFW焊管线高频焊接
　　高频焊接的原理是用流经工件连接面的高频电流所产生的电阻热加热，并在施加（或不施加）顶锻力的情况下，使工件金属间实现相互连接的一类焊接方法。高频焊机功率和频率的稳定性与焊接速度，挤压力、V型角、焊接温度、阻抗器等因素一同汇集成了HFW焊管线带钢成型后变为圆管的核心技术。
　　(3)局部感应加热
　　钻杆多采用管端与工具对焊连接，焊缝及其热影响区是强度的薄弱环节。因此，要对其进行热处理。采用感应加热，可按热处理工艺要求对焊缝进行局部加热。焊缝对整根管子而言，只是一个局部，特别对大口径钢管，对焊缝采用局部感应加热比管子整体加热能节省很多能量，其能耗与渗碳、氮化和调质相比较有极大的优势，具有高附加值。
　　HFW焊管线的带钢经过成型机组和高频焊机的焊接后，近似变形为圆管，焊缝及其热影响区是强度的薄弱环节。因此，要对其进行热处理。宝钢HFW焊管生产线上配置了7套共2段中频感应加热装置，其焊缝热处理工艺运行模式有：N、Q＋T、Q＋N，也可以实现双退火工艺，起到提高直焊缝韧度，明显改善焊缝材料性能的作用。每台中频装置的线圈后各有一个温度计，进行在线钢管焊缝表面热处理测温，以监控并根据工艺要求进行焊缝加热温度设定调节。由于直焊缝几乎处于钢管正上方，焊管线焊缝加热线圈设计成为回线型，即在线圈底部有60mm的硅钢片凹槽，可以有效控制线圈凹槽部位的磁力线分布，防止磁力线外逸，保证焊缝热处理线圈在一定时间内有效地在焊缝区域内加热和保温。由于在钢管输送过程中的客观因素，直焊缝并不能完全保证处于钢管正上方位置，可能有毫米级的偏差，为此还配备了一套能进行钢管焊缝跟踪和根据产品规格进行线圈定位调整的中频退火装置线圈定位和焊缝跟踪系统。
　　(4)  钢管端部感应加热
　　由于车丝机后管壁减薄，螺纹连接部分成为整个管体强度的薄弱环节。为提高螺纹连接部分的强度，采用管端加厚的方法来增加管端壁厚。钻杆公头母头的焊接连接区和热影响区也是强度的薄弱环节，所以也采用管端加厚的方法来提高钢管机械性能。而每次冲锻加厚之前必须先对管端进行加热，通过感应加热器可以对钢管管端局部加热，并且可以精确控制管端加热长度和温度。
　　为了保证钢管管端加热温度达到生产工艺要求，避免温度过低或过高，温度测量由一台红外线高温计来进行，它能测出加热后的钢管管端的温度，并显示在操作面板上。
　　钢管管端每次扣径之前必须先对其进行加热并收口，使钢管端部弯曲符合工艺要求。通过感应加热使钢管管端改善金属塑性，获得一定组织状态。
　　配置不同规格的感应加热炉，用于不同规格钢管的端部加热。
　　4 电源装置感应器的使用经验
　　要获得良好的感应加热效果，需要制定正确的工艺。结果成功与否，取决于电流频率、单位表面功率及输入功率、加热温度、加热速度、加热方法、感应器结构及尺寸等工艺参数的选择，缺一不可。
　　为提高感应加热的效率，减少漏磁损失，感应器与工件表面的间隙要尽量减小，所以加厚机热处理和芯棒热处理等应用会有不同规格感应炉的情况。对于维护过程中需要提醒的是感应器除了要水冷外，需要有足够的机械强度和使用寿命，因为中频电源感应器和工件之间有电磁力的作用，电流越大，电磁力越大。例如，平面加热时，感应器与工件间会产生一个推力，镶嵌导磁体后其之间将产生一个吸力，如感应器强度不够，可能引起感应器变形或损坏。这种情况曾在HFW焊管线中频线圈上得以体现，其部分导磁体会有脱落现象，有时线圈会产生直度变形。
　　由于电源设备的频率不能任意调节，电流频率的透入深度不能根据硬化层深度的要求来随意选择。为了保证得到所要求的硬化层深度，在频率一定的条件下，就形成了透入式加热和传导式加热。频率的选择一般以前者考虑。
　　当所要求的硬化层深度大于现有电源设备频率所能达到的电流透入深度时，在保证表面不过热的前提下，通常采取如下方法：
　　●降低工件单位表面的输入功率，延长加热时间。在加热大规格芯棒时，操作工就往往减少芯棒的输送速度，以此延长加热时间。
　　●增大工件与感应器间的间隙，延长加热时间，或在同时加热时采用间断加热法，以增加热传导时间。这种间断加热方式在现场的手动加热中也时有发生。
　　●工件在感应加热前，在感应器中进行预热，如加厚机感应炉的应用。
　　●连续加热时，采用双匝或多匝感应器。钻杆焊缝热处理线正火和回火中频电源使用多匝感应线圈连续加热。
　　5 负载并联谐振和串联谐振电源的特点
　　宝钢钢管厂的中频和高频感应加热电源使用到了负载并联谐振和串联谐振两种谐振模式，现国内外顶尖电源技术都已应用在宝钢各生产线上了。
　　通过应用比较可知：
　　●并联型电源的特点：可控整流；平波电抗器为负载提供直流电源；逆变负载为并联型结构；谐振工作状态时等效阻抗达到最大值。
　　●串联型电源的特点：二极管整流；直流滤波电容为逆变负载提供直流电源；逆变负载为串联型结构；谐振工作状态时阻抗为最小值；如IGBT 在串联结构中的应用，可简化主回路，设备整体效率出色，使电源抗短路开路能力增强。
　　6 结语
　　感应加热电源的应用日趋广泛，近十几年来得到迅猛发展。其功率和频率越来越高，控制技术不断数字化，系统可靠性也在不断提高，而电源装置的内部也趋向于紧凑化和模块化结构。现在SCR 、IGBT、MOSFET全固态晶体管电源已达几十种，产品规格齐全，体积小，电能转换效率可达92%，功率、频率可以覆盖整个感应加热的领域。
　　近年来还发展了气体保护状态下，用感应加热机械工件表面沉积新材料和感应堆焊。感应加热技术包含了材料、金属热处理、机械、电气、电磁、电子、计算机应用等多个学科，是一项多学科综合应用技术。