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感應(yīng)加熱來源于法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，也就是交變的電流會在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而導(dǎo)致導(dǎo)體發(fā)熱。1890年瑞典技術(shù)人員發(fā)明了第一臺感應(yīng)熔煉爐——開槽式有芯爐，1916年美國人發(fā)明了閉槽有芯爐，從此感應(yīng)加熱技術(shù)逐漸進(jìn)入實(shí)用化階段。20世紀(jì)電力電子器件和技術(shù)的飛速發(fā)展，較大地促進(jìn)了感應(yīng)加熱技術(shù)的發(fā)展。1957年，美國研制出作為電力電子器件里程碑的晶閘管，標(biāo)志著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的開始，也引發(fā)了感應(yīng)加熱技術(shù)的革命。1966年，瑞士和西德首先利用晶閘管研制感應(yīng)加熱裝置，從此感應(yīng)加熱技術(shù)開始飛速發(fā)展。
20世紀(jì)80年代后，電力電子器件再次快速發(fā)展，GTO、MOSFET、IGBT、MCT及SIT等器件相繼出現(xiàn)。感應(yīng)加熱裝置也逐漸摒棄晶閘管，開始采用這些新器件?，F(xiàn)在比較常用的是IGBT和MOSFET，IGBT用于較大功率場合，而MOSFET用于較高頻率場合。據(jù)報道，國外可以采用IGBT將感應(yīng)加熱裝置做到功率超過1000kW，頻率超過50kHz。而MOSFET較適用高頻場合，通常應(yīng)用在幾千瓦的中小功率場合，頻率可達(dá)到500kHz以上，甚至幾兆赫茲。然而國外也有推出采用MOSFET的大功率的感應(yīng)加熱裝置，比如美國研制的2000kW/400kHz的裝置。 我國感應(yīng)熱處理技術(shù)的真正應(yīng)用始于1956年，從前蘇聯(lián)引入，主要應(yīng)用在汽車工業(yè)。
隨著20世紀(jì)電源設(shè)備的制造，感應(yīng)淬火工藝裝備也緊隨其后得到發(fā)展?，F(xiàn)在國內(nèi)感應(yīng)淬火工藝裝備制造業(yè)也日益擴(kuò)大，產(chǎn)品品種多，原來需要進(jìn)口的裝備，逐步被國產(chǎn)品所取代，在為國家節(jié)省外匯的同時，發(fā)展了國內(nèi)的相關(guān)企業(yè)。目前感應(yīng)加熱制造業(yè)的服務(wù)對象主要是汽車制造業(yè)，今后現(xiàn)代冶金工業(yè)將對感應(yīng)加熱有較大需求。 一、感應(yīng)加熱特點(diǎn) 感應(yīng)加熱技術(shù)具有快速、清潔、節(jié)能、易于實(shí)現(xiàn)自動化和在線生產(chǎn)、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，是內(nèi)部熱源，屬非接觸加熱方式，能提供高的功率密度，在加熱表面及深度上有高度靈活的選擇性，能在各種載氣中工作（空氣、保護(hù)氣、真空），損耗極低，不產(chǎn)生任何物理污染，符合環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展方針，是綠色環(huán)保型加熱工藝之一。它與可控氣氛熱處理、真空熱處理少無氧化技術(shù)已成為熱處理技術(shù)的發(fā)展主流。 其主要應(yīng)用有：
1）冶金有色金屬的冶煉，金屬材料的熱處理，鍛造、擠壓、軋制等型材生產(chǎn)的透熱，焊管生產(chǎn)的焊縫。
2）機(jī)械制造各種機(jī)械零件的淬火，以及淬火后的回火、退火和正火等熱處理的加熱;壓力加工前的透熱。
3）輕工罐頭以及其他包裝的封口，比如著名的利樂磚的封口包裝。 （4）電子電子管真空除氣的加熱。 （5）特殊應(yīng)用如等離子、堆焊等。 以一汽為例，在生產(chǎn)的中型車、輕型車和轎車上，就有近200種零件需要感應(yīng)加熱淬火處理，從感應(yīng)加熱淬火零件的形狀和尺寸來看，可稱得上花樣繁多且大小均有。隨著感應(yīng)淬火技術(shù)的不斷發(fā)展，感應(yīng)淬火的零件已上升到占全部熱處理零件的50%左右。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)表明，在我國的汽車工業(yè)中，感應(yīng)熱處理的應(yīng)用正進(jìn)入世界先進(jìn)水平的行列。 二、感應(yīng)加熱新工藝 感應(yīng)加熱工藝是感應(yīng)加熱技術(shù)水平的主要體現(xiàn)，是技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，先進(jìn)的感應(yīng)加熱工藝技術(shù)可以有效地發(fā)揮感應(yīng)加熱的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能的局部熱處理。
1）縱向感應(yīng)加熱淬火半軸縱向感應(yīng)加熱淬火已用于汽車、拖拉機(jī)工業(yè)。半軸縱向加熱是一次淬火。在德國、美國有半軸一次淬火專用機(jī)床，將加熱、校正和淬火在一臺機(jī)床上完成，提高了生產(chǎn)率，一次淬火與連續(xù)淬火相同產(chǎn)量的設(shè)備占地面積各為40m2與115m2。
2）曲軸頸圓角淬火曲軸頸圓角淬火后，疲勞強(qiáng)度比正火的提高一倍，我國生產(chǎn)的康明斯與NH發(fā)動機(jī)曲軸均已采用此種工藝。
3）低淬透性鋼齒輪淬火早在20世紀(jì)70年代我國曾進(jìn)行55DT、60DT、70DT鋼研究并取得初步成果，以后因鋼的淬透性不穩(wěn)定等原因，低淬鋼未繼續(xù)用于生產(chǎn)。1992年俄羅斯低淬鋼創(chuàng)始人，K.3ЩЕПЕЛЯКОВСКЦЦ博士來中國講學(xué)，并到某一鋼廠調(diào)查冶煉低淬鋼的條件，認(rèn)為該廠完全具備生產(chǎn)低淬鋼條件。YB2009—1981《低淬透性含鈦優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》中對合金元素的控制與俄羅斯不同，（俄）1054—74、58（55ПП）鋼的元素含量對Mn、Cr、Ni、Cu四元素之和規(guī)定要求<0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），而YB2009—8155Ti鋼對Cr、Ni、Cu三元素之和規(guī)定<0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），這可能是關(guān)鍵所在。 俄羅斯低淬鋼及控制淬透性鋼已大量應(yīng)用于汽車、拖拉機(jī)后橋齒輪、挖掘機(jī)齒輪、傳動十字軸、火車車廂用滾動軸承、汽車板簧和鐵路螺旋彈簧等，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。
4）感應(yīng)電阻淬火眾所周知，轉(zhuǎn)向齒條的齒部采用感應(yīng)電阻法淬火，國內(nèi)已有三臺以上的進(jìn)口機(jī)床在生產(chǎn)。英國一臺機(jī)床將此工藝用于齒輪生產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)淬火后齒輪基本不變形并可隨后進(jìn)入裝配工序。
5）曲軸軸頸固定加熱淬火新設(shè)備稱為GrankproTM，用二個半環(huán)形固定加熱感應(yīng)器取代8字半環(huán)形旋轉(zhuǎn)加熱感應(yīng)帶。此套設(shè)備能對曲頸進(jìn)行淬火與回火，與老工藝相比，具有節(jié)能、占地面積小、工件變形小和感應(yīng)器壽命長等優(yōu)點(diǎn)。 三、感應(yīng)加熱電源及技術(shù) 在電源方面晶閘管中頻取代機(jī)式發(fā)電機(jī)。20世紀(jì)90年代初，國內(nèi)晶閘管電源廠曾如雨后春筍，遍地開花，經(jīng)過優(yōu)勝劣汰的競爭，現(xiàn)在生產(chǎn)廠已趨向穩(wěn)定。目前晶閘管電源又在向IGBT晶體管電源發(fā)展，而電子管高頻則將發(fā)展為MOSFET晶體管電源，手提晶體管超音頻、高頻電源市場競爭十分激烈，其未來也將是誰的質(zhì)量高、技術(shù)水平高，誰就能站穩(wěn)腳跟。 國產(chǎn)中頻電源目前都采用并聯(lián)諧振型逆變器結(jié)構(gòu)。因此，在研究和開發(fā)更大容量的并聯(lián)逆變中頻電源的同時，研制結(jié)構(gòu)簡單、易于頻繁起動的串聯(lián)逆變中頻電源是國內(nèi)中頻感應(yīng)加熱裝置領(lǐng)域有待解決的問題，尤其是在熔煉、鑄造應(yīng)用中，串聯(lián)逆變電源易實(shí)現(xiàn)全工況下恒功率輸出（有利于降低電能噸耗）及一機(jī)多負(fù)載功率分配控制，更值得推廣應(yīng)用。 在超音頻（10～100kHz）范圍內(nèi)，由于晶閘管本身開關(guān)特性等參數(shù)的限制，給研制該頻段的電源帶來了很大的技術(shù)難度。雖然在80年代浙江大學(xué)采用晶閘管倍頻電路研制了50kW/50kHz超音頻電源，采用時間分割電路研制了30kHz的晶閘管超音頻電源，但由于倍頻電路的雙諧振回路耦合使負(fù)載呈非線性，時變加熱負(fù)載參數(shù)與諧振回路參數(shù)匹配調(diào)試相當(dāng)復(fù)雜，而時間分割電路控制和主回路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，逆變管利用率低，因此沒有得到很好的推廣應(yīng)用。 70至80年代初，人們將現(xiàn)代半導(dǎo)體微集成加工技術(shù)與功率半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，相繼開發(fā)出一大批全控電力電子半導(dǎo)體器件（GTR、MOSFET、SIT、SITH及MCT等），為全固態(tài)超音頻、高頻電源的研制打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。 在高頻（100kHz以上）頻段，目前國外正處在從傳統(tǒng)的電子管電源向晶體管化全固態(tài)電源的過渡階段。日本某些公司采用SIT，電源水平在80年代末達(dá)到了1000kW、200kHz，400kW、400kHz。 而在歐美，由于SIT存在高通態(tài)損耗（SIT工作于非飽和區(qū)）等缺陷，其高頻功率器件以MOSFET為主。隨著MOSFET功率器件的模塊化、大容量化，MOSFET高頻感應(yīng)加熱電源的容量得到了飛速發(fā)展。西班牙采用MOSFET的電流型感應(yīng)加熱電源制造水平達(dá)600kW、400kHz，德國在1989年研制的電流型MOSFET感應(yīng)加熱電源水平達(dá)480kW、50～200kHz，比利時InductoEiphiac公司生產(chǎn)的電流型MOSFET感應(yīng)加熱電源水平可達(dá)1000kW、15～600kHz。浙江大學(xué)在90年代研制出20kW、300kHzMOSFET高頻電源，已被成功應(yīng)用于小型刀具的表面熱處理和飛機(jī)渦輪葉片的熱應(yīng)力考核。 目前，感應(yīng)加熱電源在中頻頻段主要采用晶閘管，超音頻頻段主要采用IGBT，而在高頻頻段，由于SIT存在高導(dǎo)通損耗等缺陷，國際上主要發(fā)展MOSFET電源。感應(yīng)加熱電源雖采用諧振逆變器，有利于功率器件實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，但是感應(yīng)加熱電源通常功率較大，對功率器件、無源器件、電纜、布線、接地和屏蔽等均有許多特殊要求。因此，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)加熱電源高頻化仍有許多應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)需要進(jìn)一步探討，特別是新型高頻大功率器件（如MCT、IGBT及SIT功率器件等）的問世，將進(jìn)一步促進(jìn)高頻感應(yīng)加熱電源的發(fā)展。
從電路的角度來考慮感應(yīng)加熱電源的大容量化，可將大容量化技術(shù)分為兩大類:一類是器件的串、并聯(lián);另一類是多橋或多臺電源的串、并聯(lián)。在器件的串、并聯(lián)方式中，必須認(rèn)真處理串聯(lián)器件的均壓問題和并聯(lián)器件的均流問題，由于器件制造工藝和參數(shù)的離散性，限制了器件的串、并聯(lián)數(shù)目，且串、并聯(lián)數(shù)越多，裝置的可靠性越差。多臺電源的串、并聯(lián)技術(shù)是在器件串、并聯(lián)技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步再容量化的有效手段，借助于可靠的電源串、并聯(lián)技術(shù)，在單機(jī)容量適當(dāng)?shù)那闆r下，可簡單地通過串、并聯(lián)運(yùn)行方式得到大容量裝置，每臺單機(jī)只是裝置的一個單元（或一個模塊）。 感應(yīng)加熱電源逆變器主要有并聯(lián)逆變器和串聯(lián)逆變器，串聯(lián)逆變器輸出可等效為一低阻抗的電壓源，當(dāng)兩電壓源并聯(lián)時，相互間的幅值、相位和頻率不同或波動時將導(dǎo)致很大的環(huán)流，以至逆變器件的電流產(chǎn)生嚴(yán)重不均，因此，串聯(lián)逆變器存在并機(jī)擴(kuò)容困難;而對并聯(lián)逆變器，逆變器輸入端的直流大電抗器可充當(dāng)各并聯(lián)逆變器之間的電流緩沖環(huán)節(jié)，使得輸入端的AG/DG或DG/DG環(huán)節(jié)有足夠的時間來糾正直流電流的偏差，達(dá)到多機(jī)并聯(lián)擴(kuò)容，晶體管化超音頻、高頻電流多采用并聯(lián)逆變器結(jié)構(gòu)，并聯(lián)逆變器易于模塊化、大容量化是其中的一個主要原因。 感應(yīng)加熱電源的負(fù)載對象各式各樣，而電源逆變器與負(fù)載是一有機(jī)的整體，一般采用匹配變壓器連接電源和負(fù)載感應(yīng)器，高頻、超音頻電源用的匹配變壓器從磁性材料到繞組結(jié)構(gòu)正在得到進(jìn)一步的優(yōu)化改進(jìn)，同時，從電路拓?fù)渖峡梢杂萌裏o源元件代替二無源元件，以取消變壓器，實(shí)現(xiàn)高效、低成本匹配。 感應(yīng)加熱電源，晶閘管、晶體管與電子管式在國內(nèi)均能生產(chǎn)。晶閘管電源已生產(chǎn)應(yīng)用多年。目前IGBT電源因其優(yōu)點(diǎn)更多而更為用戶所采用。MOSFET電源電效率高、低壓，但價格較高，正在逐步取代電子管高頻電源。手提式小型高頻電源因價廉、方便，在國內(nèi)應(yīng)用廣泛，甚至進(jìn)入國外市場。 超高頻電源（27.12MHz），過去依賴進(jìn)口，現(xiàn)在國內(nèi)至少有兩個企業(yè)已進(jìn)行生產(chǎn)，解決了刀片、鋸條等特殊工藝的需要。 隨著感應(yīng)熱處理生產(chǎn)線自動化控制程度及電源高可靠性要求的提高，必須加強(qiáng)加熱工藝成套裝置的開發(fā)。同時感應(yīng)加熱系統(tǒng)正向智能化控制方向發(fā)展，具有計算機(jī)智能接口、遠(yuǎn)程控制和故障自動診斷等控制性能的感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)正成為下一代的發(fā)展目標(biāo)。
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