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热处理设备中的电源控制系统

摘要:一、热处理是制造业不可或缺的重要环节 热处理是一种对金属或者合金加工过程中的重要环节,采用退火、回火、淬火、加热等适当的方式和设备,将金属或合金在固态下于一定的介质中加热到一定的温度,并在此温度中保持一定时间后,又以适当速度冷却,以此改变金属材料内部的显微组织或表层化学成分
一、热处理是制造业不可或缺的重要环节
热处理是一种对金属或者合金加工过程中的重要环节,采用退火、回火、淬火、加热等适当的方式和设备,将金属或合金在固态下于一定的介质中加热到一定的温度,并在此温度中保持一定时间后,又以适当速度冷却,以此改变金属材料内部的显微组织或表层化学成分,以保证和提高工件的所需的力学性能、物理性能和化学性能,如强度、硬度、塑性、韧性、耐磨、耐腐蚀等,还可以改变毛坯的组织和应力状态,以利于进行各种冷、热加工。
热处理行业是千亿级市场,根据 grand view research 数据,2016年全球热处理市场规模为907亿美元, 预计2017~2025年复合增速为3.5%,2025年市场规模约1,236亿美元,市场空间非常大。从我国市场来看,2019年我国经热处理生产的各类零件约3,000万吨,经热处理加工过程零件约5,000万吨,热处理行业生产总值约800亿元,根据《中国热处理行业“十四五”发展规划》,我国2020年热处理行业生产总值高达1,200亿元/年左右,是全球的主要参与者。
二、热处理设备是热处理技术实现的基本载体
现代化热处理技术的实现有赖于热处理设备的现代化发展。热处理设备指用于实施热处理工艺的装备,传统设备主要包括各种热处理炉、感应加热设备、火焰淬火装置、表面强化装置等;现代化设备主要包括大型连续生产线、密封箱式多用炉生产线、真空及无人化感应加热设备等,该等设备自动化程度高、产品质量稳定;还有更为先进的设备如激光淬火和激光熔覆装置、多弧离子镀装置、离子注入设备等。
根据《中国热处理行业“十四五”发展规划》,2020年,我国热处理设备和工艺材料销售额约200亿元/年,热处理装备出口额近1亿美元,全行业热处理生产设备约20万台(套),其中,电加热设备约占80%,燃气加热设备约占20%,电加热设备装机容量约2,500万kW。
三、电源控制系统是热处理设备的关键配套设备
热处理设备中电加热设备占比达到80%左右,因此,电源控制系统必然成为热处理设备的关键配套设备。电加热工艺主要包括电阻加热、感应加热、电弧加热、电子束加热等,根据电加热的方式及要求不同,电加热设备需配备相应的工业控制电源。
1.电源控制系统的定义与分类
工业控制电源是利用各种电力电子元器件或这些器件所构成的电路或装置,来完成电能的变换和控制,使来自电网或电池的电能转换成不同性质、不同用途的电能,以适应各种用电需求的现代工业电气化基础设备,具有广泛的市场基础。工业控制电源制造业是一门新兴产业,涉及多学科、多领域前沿科学知识,它综合了高压电器制造技术、变流技术、仿真技术、计算机技术、微电子技术、自动化控制技术、材料科学技术、机械设计技术等,这些技术的进步将推动工业控制电源的性能和可靠性的提高。
根据其转换原理,可分为四种基本类型:将交流电变为直流电的整流设备、将直流电变为直流电的直流斩波设备、将交流电变为交流电的交流电力控制设备和变频设备以及将直流电变为交流电的逆变设备;根据其作用,可大致分为用于输出直流电能的开关电源、各种直流稳压和调压设备,用于交流输出的通用和专用变频器、软启动器,以及功率控制器(调功器)等,用于热处理设备配套的电源设备通常为大功率高性能热场工业控制电源。
2.电源控制系统的作用原理与机制
该类工业控制电源是采用电子、微电子技术,通过IC芯片、电子原器件组成控制单元,结合晶闸管或IGBT等电力电子器件,以实现对负载的电流、电压、功率、频率的有效调节,进而实现对热处理工艺的高精度、高效控制,实现高精度自动化加热。
大功率高性能工业控制电源嵌入于电加热热处理设备整体工艺控制系统之中,在热处理设备安装后,随即开始发挥其重要作用。在联机调试时,通过反复调试以满足客户技术协议要求的工件最佳的加热功率、频率、加热时间等工艺参数,并在后续日常运行过程中,保证工业电源运行的稳定性、控制精度、大范围功率控制、高效能转换、低电网干扰等,以确保热处理设备的平稳运行及热处理技术的目标实现,同时兼顾节能环保要求。高性能热处理设备的电源控制系统能够实现闭环控制,即“控制系统结合工艺要求与传感器数据发出控制指令工业控制电源根据指令调整电源参数,实现热场控制热处理设备运行内置传感器测量并输出数据反馈至控制系统控制系统结合工艺要求与传感器数据发出控制指令……”。
随着热处理工艺的不断发展,其配套的工业控制电源同时向两方向高速发展:一方面,不断提丰富和提升热场控制电源在“加热空间内温度梯度控制”、“加热进程中的温度变化曲线”、“闭环控制中温度调节速度”以及“不同加热源相互作用的有效协同”等方面的控制能力;另一方面,以高端、智能、绿色为重要发展方向,进一步有效提升能源利用效率、减少对电网的冲击。
3.电源控制系统的市场情况
至2020年末,我国热处理电加热设备装机容量约2,500万kW。我国热处理设备虽存量规模较大,但部分设备较为老旧、技术落后,能耗高、环境污染大,旧设备替换需求较强。在节能减排现状及“碳达峰”、“碳中和”背景下,高效、节能、环保热处理设备的需求将会增加。目前,我国热处理生产线等先进热处理装备占设备总量的比例仅50%左右,而工业发达国家已达到75%-85%,根据《中国热处理行业“十四五”发展规划》,至2025年,以真空和可控气氛为主的少无氧化热处理达到60%以上,高档热处理工艺装备能满足国内需求的90%以上,规模以上企业的热处理综合平均能耗降到350kWh/t以下。
为实现上述目标,我国热处理设备将迎来持续的设备更替、升级时期,以设备使用寿命5-10年、年替换率20%计算,年新增装机容量约500万kW,与其配套的工业控制电源年新增市场将达到10亿元以上;此外,金属冶炼、提纯,包括特种钢铁、精密合金、高温合金等,以及耐热材料加工等均涉及广义的热处理工艺,该等产品市场需求巨大,其冶炼、提纯、加工过程中涉及的配套电源系统预计将达到15亿元以上。
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