感應加熱控制板在石化容器制造中的應用

2.1設備簡介

目前在石化容器的制造中被廣泛使用的感應加熱設備為中頻逆變感應加熱設備，設備由電源和感應加熱電纜組成，電源采用 IGBT 模塊設計，并采用 DSP 全數(shù)字式精確控制，全空冷結構降低了系統(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備的壽命和安全運行能力;直流側斬波電路有效提高了設備功率因數(shù)、減少輸出諧波，因此設備具有可靠性高、效率高、功率因數(shù)高的顯著特點。

2.2設備應用

我公司在 2010 年的某容器的制造中使用了中頻感應加熱設備，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 設備在規(guī)格為  1 800 mm ×80 mm的產(chǎn)品上進行焊前預熱加熱試驗，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)，完全滿足預熱的工藝要求。采用160 kW 設備對筒身規(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，該設備可以按照工藝要求進行熱處理工藝參數(shù)的設定，設備操作方便、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 中頻感應用技術加熱設備已經(jīng)用于我公司大型容器的焊前預熱和焊后消氫處理的加熱，達到了預期的加熱效果。

3經(jīng)濟性分析

中頻感應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)縫預熱為例，進行經(jīng)濟性分析，見表 1。焊接預熱、后熱及消氫處理的總成本由人工費用，能源消耗，設備消耗，生產(chǎn)效率等多項費用構成。

計算數(shù)據(jù):焊縫每側加熱寬度均為 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，感應加熱可以提高加熱效率、改善厚壁容器的加熱效果。

（2）感應加熱的應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)的中頻感應加熱設備主要由逆變器、諧振單元、變壓器和感應器組成。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，另一端連接感應器，將高壓變成隔離的低壓并進行阻抗匹配。工作時，感應器中流過強大的中高頻電流，在導體內(nèi)產(chǎn)生感應電流，因此導體迅速被加熱。感應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。