CN204529913U - 一种焊接热处理用中频感应加热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种中频加热设备，具体说是一种焊接热处理用中频感应加热器，其由金属导电体绕成弹簧状的线圈，金属导电体采用多股软金属线搅制达到一定的横截面，金属导电体的横截面积对应的数值大于等于中频感应加热器的最大加热功率对应的数值×0.8，小于等于中频感应加热器的最大加热功率对应的数值×2，本实用新型的中频感应加热器感应线圈与被加热的金属管道并不直接接触，固定在金属管道保温棉外侧，本实用新型的中频感应加热器可以将一根长线圈分成数段短线圈，边缠绕边连接成一整根感应加热器，操作比较轻松。采用自冷方式，无任何冷却液体，中途停电对感应加热器线圈无任何影响。

Description

一种焊接热处理用中频感应加热器

技术领域

本实用新型涉及一种中频加热设备，具体说是一种焊接热处理用中频感应加热器，属于管道焊接辅助设备技术领域。

背景技术

目前我国电站、化工建设中合金管道焊接热处理主要采用陶瓷电阻加热器外加保温棉进行。缺点是管道焊缝内外壁温差过大，焊缝硬度高，韧性差，热处理质量低，焊缝的残余应力大，许多电站因为这种原因使用不到十年焊缝就产生了裂纹，只能割断重新焊接甚至更换整条管道（设计寿命应为30年）。并且该材料完全依赖从日本、美国等地进口，浪费巨大；开采陶瓷矿和瓷件在窑炉烧制过程中排碳和产生的雾霾对环境破坏严重，且不可恢复。易碎和报废的陶瓷无法再回收利用，几乎不会被分解，继而造成二次污染。

少量进口的串联谐振热处理中频电源频率较高，一般在5000Hz以上，且工作过程中频率变化较大，最高达20000多Hz。负载电感量较小，一款35KW中频电源的负载电感量要求在5μH-50μH之间，我国100万千瓦火电的主蒸汽管的外径560mm，管壁厚度达115mm，规程要求感应加热宽度为壁厚的6倍以上，感应线圈最小宽度为690mm，如果满足宽度必加大感应圈的匝间距，会造成工件温度不均匀，且功率小无法满足工艺要求。负载线分布电感不得超过10μH，过大的电感量会降低工件加热功率。并且作业半径小，较远的特殊位置工件无法进行热处理，且进口产品造价较高。而且串联谐振的槽路电感加热器与谐振电容为串联连接，一旦由于干扰丢失一个触发脉冲信号，槽路立即停止震荡，热处理会被迫中断。

通常电站化工用P91、P92类耐热钢焊后热处理温度为760℃左右，居里点740℃，当760℃恒温时的透热深度为500÷（频率）^1/2(mm); 可见频率越高，透热越浅，管道的内外壁温差越大，热处理效果越差。但是频率越高负载线的集肤效应越大，线会过热，载流量下降。35KW以上的都采用水电缆供电，由于施工先场环境恶劣，常因人为损坏故障停机。水冷的感应加热器也因为突发停电故障得不到循环水冷却，漏液至热处理工件使其淬火损坏。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，针对以上现有技术存在的缺点，提出一种焊接热处理用中频感应加热器，通过准确的设计，工装简单，且不至于使加热圈过热而烧坏绝缘层，可把频率为700Hz-2500Hz，电压0-750V的中频交流电经过中频感应加热器产生的电磁传递给要加热的金属管道工件，电磁经管道工件感应产生电能，随之电能在金属管道内部转变为热能进行热处理，耐压2000V交流一分钟不击穿，提高了加热器感应线圈的热处理效果。

本实用新型解决以上技术问题的技术方案是：

一种焊接热处理用中频感应加热器，其由金属导电体绕成弹簧状的线圈，线圈与被加热的金属管道并不直接接触，固定在金属管道保温棉外侧（保温厚度40mm-100mm），把频率为700Hz-2500Hz，电压为0-750V的中频交流电经过中频感应加热器产生的电磁传递给要加热的金属管道工件，电磁经管道工件感应产生电能，随之电能在金属管道内部转变为热能进行热处理；金属导电体的横截面积设定为：金属导电体的横截面积对应的数值大于等于中频感应加热器的最大加热功率对应的数值×0.8，小于等于中频感应加热器的最大加热功率对应的数值×2，其中金属导电体的横截面积的单位为mm²，中频感应加热器的加热功率的单位为KW。

本实用新型进一步限定的技术方案是：

前述的焊接热处理用中频感应加热器，其中金属导电体的长度为：3.14×D×N，允许的误差为+10%，即3.14×D×N≤金属导电体的长度≤3.14×D×N×110%，金属导电体的长度的单位为cm；其中，N为所述线圈的匝数，单位为匝，N=(L×l+0.45×l×D) ^1/2÷(0.083×D)，上式中， D为所述线圈的横截面的内直径，即线圈所形成圆柱体的横截面的内直径，单位为cm；l为所述线圈的的电感量，单位为μh；L为线圈的长度，即线圈形成的圆柱体的底面至顶面的垂直距离，单位cm。

前述的焊接热处理用中频感应加热器，其中金属导电体可以采用多股铜线搅制达到一定的横截面，对于铜材质，金属导电体的横截面积对应的数值大于等于中频感应加热器的最大加热功率对应的数值×0.8，小于等于中频感应加热器的最大加热功率对应的数值×2。

前述的焊接热处理用中频感应加热器，其中金属导电体可以采用多股铝线搅制达到一定的横截面，对于铝材质，金属导电体的横截面积对应的数值大于等于中频感应加热器的最大加热功率对应的数值×1，小于等于中频感应加热器的最大加热功率对应的数值×2。

前述的焊接热处理用中频感应加热器，其中将至少两个线圈连接组成一个长的线圈，即可以将一根长线圈分成数段短线圈，边缠绕边连接成一整根感应加热器，操作比较轻松，采用自冷方式，无任何冷却液体，中途停电对感应加热器线圈无任何影响。

前述的焊接热处理用中频感应加热器，其中金属导电体外侧包裹有高温绝缘材料。

前述的焊接热处理用中频感应加热器，其中高温绝缘材料为聚酰亚胺绝缘材料、特氟龙绝缘材料、玻璃纤维绝缘材料、陶瓷纤维绝缘材料或者结构陶瓷管绝缘材料。

前述的焊接热处理用中频感应加热器，其中绝缘层厚标准度为耐压2000V交流一分钟不击穿。

前述的焊接热处理用中频感应加热器，其中D为被线圈加热的金属管道管道的外径+保温厚度×2（单位：cm）。

前述的焊接热处理用中频感应加热器，其中金属线为铜线或铝线。

现有技术中，中频感应焊接热处理加热器主要是水冷型，是由单根水电缆绕在被加热管道的保温棉外侧，由于无法分段，将单根50米左右的电缆人工缠绕作业的劳动强度非常大，热处理过程中管道温度高达760℃左右，保温棉外侧温度也高达200℃有余，这时需要连续不间断循环冷却液对感应加热器冷却，现场事故断电就会造成感应加热器循环泵停止运行，得不到冷却的加热器导水管随即融化，冷却液体渗进了本应焊接热处理的管道，反造成淬火现象，造成损坏；为了解决以上技术问题，本申请实用新型人通过研究发现，可使用金属导电体绕成弹簧状的线圈作为焊接热处理用中频感应加热器，即中频感应加热器导电体可采用多股软金属线搅制达到一定的横截面，可在导线外侧包裹高温绝缘材料进行有效安全绝缘处理，耐压2000V交流一分钟不击穿，也可以直接采用铜或铝裸导线进行加热，适时选择，从而巧妙的解决了以上技术问题；但是金属导电体的横截面积的确定却至关重要，截面选择太小容易造成感应加热线圈过热而烧坏绝缘，太大不经济，工装困难；本申请实用新型人通过研究发现，将金属导电体的横截面积对应的数值设置成铜质大于等于中频感应加热器的最大加热功率对应的数值×0.8，小于等于中频感应加热器的最大加热功率对应的数值×2，铝质大于等于中频感应加热器的最大加热功率对应的数值×1，小于等于中频感应加热器的最大加热功率对应的数值×2，以上技术问题即可迎刃而解，固定在金属管道保温棉外侧（保温厚度40mm-100mm），可把频率为700Hz-2500Hz，电压0-750V的中频交流电经过中频感应加热器产生的电磁传递给要加热的金属管道工件，电磁经管道工件感应产生电能，随之电能在金属管道内部转变为热能进行热处理，耐压2000V交流一分钟不击穿。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的中频感应加热器驱动电路示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种焊接热处理用中频感应加热器，其由金属导电体绕成弹簧状的线圈，达到驱动电源要求的电感量（70uh-200uh），线圈与被加热的金属管道并不直接接触，固定在金属管道保温棉外侧（保温厚度30mm-100mm），把频率为700Hz-2500Hz，电压为0-750V的中频交流电经过中频感应加热器产生的电磁传递给要加热的金属管道工件，电磁经管道工件感应产生电能，随之电能在金属管道内部转变为热能进行热处理，金属导电体采用多股软金属线搅制达到一定的横截面，金属导电体的横截面积设定为：金属导电体的横截面积对应的数值铜质大于等于中频感应加热器的最大加热功率对应的数值×0.8，小于等于中频感应加热器的最大加热功率对应的数值×2，铝质大于等于中频感应加热器的最大加热功率对应的数值×1，小于等于中频感应加热器的最大加热功率对应的数值×2，其中，金属导电体的横截面积的单位为mm²，中频感应加热器的加热功率的单位为KW；金属导电体的长度为：3.14×D×N，允许的误差为+10%，金属导电体的长度的单位为cm；

其中，N为中频感应加热器线圈的匝数，单位为匝，N=(L×l+0.45×l×D) ^1/2÷(0.083×D) ，

上式中， D为中频感应加热器线圈的横截面的内直径，即被线圈加热的金属管道管道的外径+保温厚度×2，单位为cm；

L为中频感应加热器的电感量，即驱动电源要求加热器线圈的电感量，单位为μh；

L为中频感应加热器的长度，即线圈形成的圆柱体的底面至顶面的垂直距离，单位cm。

本实施例驱动中频感应加热器感应线圈的热处理装置结构如图1所示，包括并联谐振中频电源控制单元、过流保护采样单元、温度控制单元、三相全控整流桥、直流滤波电抗器、单相桥式逆变单元、测温单元与中频感应加热器，并联谐振中频电源控制单元的供电由单相交流变压器连接供电；

过流保护采样单元设置在三相整流桥的进线端的三相交流电上，过流保护采样单元的信号输出端与并联谐振中频电源控制单元相连，过流保护采集单元由一次互感器采集的0-5A电流经二次50倍升压再经负载电阻衰减后获得0-5V的交流信号与电压互感器上获得的电压信号经中频电源控制单元整流对比后适时关断整流电路与逆变电路，以防止负载过流、过压。频率表、中频电压表指示实时工作参数；

并联中频电源控制单元的信号采集端接受由温度控制单元发出输出信号，温度控制单元包括信号滤波和器温度控制仪，温度控制仪采用厦门宇电AI-516系列，或另选其他型号能满足K分度热电偶信号输入、温度控制范围大于等于0-800℃、反作用输出4-20mA的可编程温控仪表；信号滤波器采用LC电感电容型的交流AC2A1、AC2A3…或直流DC2A1、DC2A3…要求为电流≥0.5A，电压≥100V，电感量≥10uh，电容≥680P的滤波器模块，主要消除由中频感应加热器、负载连接线发出的强磁干扰失真信号，使接入温度毫伏信号变得平滑，准确地送至温度控制仪热电偶输入端。信号滤波器的信号输入端通过补偿导线与测温单位相连，信号滤波器的信号输出端与温度控制仪信号输入端相连，在温度控制仪的输出端并接1KΩ负载电阻，调整控温仪输出上下限幅，使其转变为0-13V的信号连接至并联中频电源控制单元的功率调节信号输入端；

并联中频电源控制单元根据温度控制单元采集的信号发出整流脉冲触发三相全控整流桥，三相全控整流桥由三个MTC可控硅模块和阻容过压保护电路组成，三相交流电的三相分别与三个MTC可控硅模块相连，每个MTC可控硅模块内的可控硅上均并联有阻容过压保护电路，将三相交流电经三相全控整流桥转换成直流电；采用的MTC可控硅模块需要达到如下主要性能：质量为国家标准，额定电流IT(AV)/IF(AV) ≥200A, 重复不导通电压VDRM/VRRM≥1200V,每个模块内相当于2只KP管串联，控制线K1G1至K6G6与中频控制单元相连，绝缘散热器，强迫风冷。6组由电容电阻串联构成的RC过压保护过压保护电路对整流可控硅进行防过压保护；从整流桥输出的直流电经过160A4mh以上的直流滤波电抗器至单相逆变桥单元；

从三相全控整流桥输出的直流电经过直流滤波电抗器至单相桥式逆变单元，单相桥式逆变单元主要由四个KK快速可控硅和与四个分别与KK快速可控硅并联阻容过压保护电路组成，KK四个快速可控硅两两一组并联连接，由并联中频电源控制单元发出的逆变触发脉冲触发单相逆变桥中的快速可控硅，其中四个KK快速可控硅参数为额定电流IT(AV) ≥300A,重复不导通电压VDRM/VRRM≥1600V，关断时间Tq ≤30us。中频控制单元发出的逆变脉冲信号经2组变压器隔离后连接至4只KK快速可控硅控制极上，SCR7与SCR8为一组，SCR9与SCR10为一组，该2组KK管受中频控制单元控制交替导通，与耐压≥750V； 频率≥2500Hz；容量大于等于500Kvar小于等于1200Kvar的谐振电容和其并联的电感量大于等于70uh小于等于200uh中频感应加热器相互作用，产生700Hz-2500Hz中频电源对管道焊缝进行加热。在KK可控硅两边安装导电散热器，强迫风冷。四组由电容电阻串联构成的RC过压保护过压保护电路对KK可控硅进行有效防过压保护。管道焊缝的温度反馈至温度控制单元，形成闭环中频感应管道焊接热处理温度自动控制系统；两组快速可控硅引出线路与谐振电容并联后连接中频感应加热器感应线圈，快速可控硅、谐振电容与中频感应加热器作用产生的700Hz-2500Hz中频加热电源通过中频感应加热器中对管道工件加热，待加热管道工件的温度由测温单元经补偿导线反馈至温度控制单元。

三相全控整流桥与直流滤波电抗器之间还设有分流器，在分流器上分别连接由直流电流表和直流电压表。

本实施例的系统供电必须依照先开控制回路、后开主回路，断电必须先断主回路、后断控制回路这种顺序进行，否侧会损坏设备。控制电源开关电路中常开按钮为“控制电源开”，常闭按钮为“控制电源关”，1J是控制电源继电器。经1J常开触点供电至主电源开关电路。主电源开关电路中常开按钮为“主电源开”，常闭按钮为“主电源关”，1C是主电源接触器。1C的一辅助常开与“控制电源关”并联，1C的另一个辅助常开与“主电源开”自锁。1J的另一辅助常开与“控制电源开”自锁。开通中频热处理设备电源时，必须先开通“控制电源开”，这时，中频控制单元、温度控制单元、主电源开关电路与散热风扇组正常供电后然后再开通“主电源开”，主电源开启后1C接触器线圈吸合，主回路正常供电。关断设备时，必须先按“主电源断”，再按“控制电源断”。如果误操作先开主回路，由于控制回路继电器未吸合得不到电源操作无效，如先关断控制回路，此时“控制电源关”被主回路常开触点1C锁住操作无效，因此对误操作均不理睬，有效地保护了设备。

中频感应加热器感应线圈采用多股软铜线或铝导线搅制达到一定的横截面，在导线外侧包裹高温绝缘材料进行有效安全绝缘处理，高温绝缘材料能够耐压2000V交流一分钟不击穿；可根据加热功率大小选择导电截面(mm²) 铜质：大于等于中频感应加热器的最大加热功率（KW）对应数值×0.8，小于等于中频感应加热器的最大加热功率对应数值×2。铝质：大于等于中频感应加热器的最大加热功率（KW）对应数值×1，小于等于中频感应加热器的最大加热功率对应数值×2。

例60KW功率铜线截面一般选择48mm²以上（60×0.8），80KW功率铜线截面在64mm²以上（80×0.8），100KW功率铜线截面在80mm²以上（100×0.8），60KW功率铝线截面一般选择60mm²以上（60×1），80KW功率铝线截面在80mm²以上（80×1），100KW功率铝线截面在100mm²以上（100×1）以此类推。导线截面选择太小容易造成感应加热线圈过热而烧坏绝缘，太大不经济，工装困难。

在绝缘层材料的选择上，对小于等于250℃的保温棉外侧温度，通常选择聚酰亚胺绝缘层，其特点：耐温高，轻便，维护方便。对小于等于260℃的保温棉外侧温度，通常选择特氟龙绝缘层，其特点：耐温高，轻便，维护方便，耐磨。对小于等于400℃的保温棉外侧温度，通常选用玻璃纤维绝缘层，其特点：耐温高，轻便，维护方便，耐拉强度高。  对小于等于500℃的保温棉外侧温度，通常选择陶瓷纤维绝缘层，其特点是：耐温高，绝缘高，轻便，维护方便。对小于等于600℃的保温棉外侧温度，通常选择结构陶瓷管绝缘层，其特点：耐温高，散热好，绝缘高，电源频率高（保温棉外侧温度高低取决于保温棉的保温效果）。

若不采用绝缘层，选用裸铜导线加热感应线圈，其特点：保温棉外侧温度可高达700℃，安全匝间固定间隙≥10mm，电源频率高，轻便，免维护；若选用裸铝导线加热感应线圈，其特点：保温棉外侧可达500℃，安全匝间固定间隙≥10mm，电源频率高，更轻便，免维护。

除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种焊接热处理用中频感应加热器，其由金属导电体绕成弹簧状的线圈，所述金属导电体采用多股软金属线搅制达到一定的横截面，其特征在于：

所述金属导电体的横截面积设定为：金属导电体的横截面积对应的数值大于等于中频感应加热器的最大加热功率对应的数值×0.8，小于等于中频感应加热器的最大加热功率对应的数值×2，其中所述金属导电体的横截面积的单位为mm²，所述中频感应加热器的加热功率的单位为KW。

2.如权利要求1所述的焊接热处理用中频感应加热器，其特征在于：所述金属导电体的长度为：3.14×D×N，允许的误差为+10%，所述金属导电体的长度的单位为cm；

其中，N为所述线圈的匝数，单位为匝，N=(L×l+0.45×l×D)^1/2÷(0.083×D) ，

上式中，D为所述线圈的横截面的内直径，即线圈所形成圆柱体的的横截面的内直径，单位为cm；

l为所述线圈的的电感量，单位为μh；

L为线圈的长度，即线圈形成的圆柱体的底面至顶面的垂直距离，单位cm。

3.根据权利要求1或2所述的焊接热处理用中频感应加热器，其特征在于：所述金属导电体采用多股铜线搅制达到一定的横截面，金属导电体的横截面积对应的数值大于等于中频感应加热器的最大加热功率对应的数值×0.8，小于等于中频感应加热器的最大加热功率对应的数值×2。

4.根据权利要求1或2所述的焊接热处理用中频感应加热器，其特征在于：所述金属导电体采用多股铝线搅制达到一定的横截面，金属导电体的横截面积对应的数值大于等于中频感应加热器的最大加热功率对应的数值×1，小于等于中频感应加热器的最大加热功率对应的数值×2。

5.根据权利要求1或2所述的焊接热处理用中频感应加热器，其特征在于：将至少两个线圈连接组成一个长的线圈。

6.根据权利要求1或2所述的焊接热处理用中频感应加热器，其特征在于：所述金属导电体外侧包裹有高温绝缘材料。

7.根据权利要求6所述的焊接热处理用中频感应加热器，其特征在于：所述高温绝缘材料为聚酰亚胺绝缘材料、特氟龙绝缘材料、玻璃纤维绝缘材料、陶瓷纤维绝缘材料或者结构陶瓷管绝缘材料。

8.根据权利要求2所述的焊接热处理用中频感应加热器，其特征在于：所述D为被线圈加热的金属管道管道的外径+保温厚度×2。