感應(yīng)加熱控制板在石化容器制造中的應(yīng)用

2.1設(shè)備簡介

目前在石化容器的制造中被廣泛使用的感應(yīng)加熱設(shè)備為中頻逆變感應(yīng)加熱設(shè)備，設(shè)備由電源和感應(yīng)加熱電纜組成，電源采用 IGBT 模塊設(shè)計，并采用 DSP 全數(shù)字式精確控制，全空冷結(jié)構(gòu)降低了系統(tǒng)損耗，并徹底消除了來自水系統(tǒng)的故障，完善的限制保護措施使得設(shè)備在各種工況下保持連續(xù)安全運行;無極性電力電容提高了設(shè)備的壽命和安全運行能力;直流側(cè)斬波電路有效提高了設(shè)備功率因數(shù)、減少輸出諧波，因此設(shè)備具有可靠性高、效率高、功率因數(shù)高的顯著特點。

2.2設(shè)備應(yīng)用

我公司在 2010 年的某容器的制造中使用了中頻感應(yīng)加熱設(shè)備，電源有 80 kW 和 160 kW 兩種，80 kW為單體式的，如圖 1 所示，160 kW 為分體式的，如圖 2所示。采用 80 kW 設(shè)備在規(guī)格為  1 800 mm ×80 mm的產(chǎn)品上進行焊前預(yù)熱加熱試驗，加熱范圍為 200 mm寬，加熱電纜在筒身外壁布置，在 1 h 內(nèi)產(chǎn)品內(nèi)壁加熱到 230 ℃，內(nèi)外壁最大溫差在 30 ℃以內(nèi)，完全滿足預(yù)熱的工藝要求。采用160 kW 設(shè)備對筒身規(guī)格為  2 100 mm ×100mm 產(chǎn)品環(huán)縫進行焊后局部熱處理試驗，焊縫每側(cè)的加熱寬度均為 200 mm，在筒身外壁上下左右布置了 4 支熱電偶，在筒身內(nèi)壁上部位置布置了 1 支熱電偶。試驗按照如下工藝進行，以180 ℃ /h 升溫到400 ℃，以50℃ /h 升溫到 470 ～ 500 ℃，在 470 ～ 500 ℃ 保溫 1h，以65 ℃ /h 降溫到 400 ℃，400 ℃以下自由降溫。熱處理工藝曲線見圖 3。試驗過程顯示，該設(shè)備可以按照工藝要求進行熱處理工藝參數(shù)的設(shè)定，設(shè)備操作方便、安全，在壁厚方向上的溫差在 30 ℃以內(nèi)，完全滿足熱處理工藝的要求。目前，160 KW 中頻感應(yīng)用技術(shù)加熱設(shè)備已經(jīng)用于我公司大型容器的焊前預(yù)熱和焊后消氫處理的加熱，達到了預(yù)期的加熱效果。

3經(jīng)濟性分析

中頻感應(yīng)加熱從加熱效果和工藝的符合性上都具有明顯優(yōu)勢，下面以規(guī)格為 457 mm × 84 mm 的合金鋼管道環(huán)縫預(yù)熱為例，進行經(jīng)濟性分析，見表 1。焊接預(yù)熱、后熱及消氫處理的總成本由人工費用，能源消耗，設(shè)備消耗，生產(chǎn)效率等多項費用構(gòu)成。

計算數(shù)據(jù):焊縫每側(cè)加熱寬度均為 252 mm，則加熱金屬重量 W =390 kg，室溫 T 1 =20 ℃，加熱溫度 T 2 =220℃，散熱系數(shù) K 取 1． 2。合金鋼在 220 ℃的比熱容為 C p =0． 52 kJ/(kg·℃)，紅外線熱效率為 60%，所需加熱片數(shù)量為 4 片;中頻感應(yīng)加熱熱效率為 90%，需要一根加熱電纜;火焰加熱熱效率為 15%，天然氣熱值為35 MJ/m 3 。

工件預(yù)熱所需熱量:Q = KW × C p × (T 2 － T 1 ) = 48672 kJ。

紅外線加熱所需熱量:Q 1 = Q/60% =81 120 kJ，所需電量為 22． 5 度。

感應(yīng)加熱所需熱量:Q 2 = Q/90% =54 080 kJ，所需電量為 15 度。

火焰加熱所需熱量:Q 3 = Q/15% = 324 480 kJ，需天然氣量為 9． 3 m 3 。

從數(shù)據(jù)分析來看，中頻感應(yīng)加熱節(jié)能效果明顯，用電量僅是紅外線加熱的 66． 7%;中頻感應(yīng)加熱的使用成本也很低，是紅外線加熱的 64． 6%，是火焰加熱的63． 4%。因此中頻感應(yīng)加熱無論從節(jié)能降耗還是從制造成本上都具有明顯優(yōu)勢。

4結(jié)論

（1）在大型石化容器的焊接熱處理的加熱上，與紅外線加熱和火焰加熱相比，感應(yīng)加熱可以提高加熱效率、改善厚壁容器的加熱效果。

（2）感應(yīng)加熱的應(yīng)用可以降低能源消耗，從而降低焊接及熱處理生產(chǎn)成本。

1.2.2熱傳導(dǎo)式加熱

在失磁的高溫層厚度超過熱態(tài)的渦流透入深度δ熱后，熱量基本上是在厚度為δ熱的表層中析出。

由于熱傳導(dǎo)的作用，加熱層的厚度將隨時間的延長而不斷增大。這樣零件內(nèi)部主要依靠熱傳導(dǎo)方式獲得加熱，其加熱過程及沿截面的溫度分布特性與用外熱源加熱（如在爐內(nèi)加熱或火焰加熱）的基本相同。

1.2.3 縱向磁場加熱

磁場方向與工件的軸線方向相平行（相同）。

厚件、圓管的加熱。

  開發(fā)的中頻感應(yīng)加熱設(shè)備主要由逆變器、諧振單元、變壓器和感應(yīng)器組成。其中逆變器是一個交-直-交的變流器，能夠?qū)⒐ゎl交流電變換成為幾千至幾百千赫茲的中頻或高頻電流。諧振單元和變壓器一端連接逆變器，另一端連接感應(yīng)器，將高壓變成隔離的低壓并進行阻抗匹配。工作時，感應(yīng)器中流過強大的中高頻電流，在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，因此導(dǎo)體迅速被加熱。感應(yīng)加熱電源的諧振頻率根據(jù)被加熱對象和工藝的不同而不同，從一千至幾十千赫茲最為常用。