节能型铜线拉丝机感应退火设备的制作方法

本发明涉及铜线拉丝机感应退火设备领域，尤其涉及一种节能型铜线拉丝机感应退火设备。

背景技术：

由于铜质电线电缆较铝制电线电缆电阻低，电耗少，使铜质电线电缆的使用范围进一步扩大。铜陵市是我国主要的铜工业基地，建设铜杆拉丝生产项目，具有得天独厚的条件和广阔的市场空间。

我国铜加工业装备先进与落后技术并存，通过对现有企业不断进行技术改革，发展适合我国情况、具有我国特色的关键技术，是我国铜加工业充满竞争实力的关键所在。

目前世界上铜加工技术的发展动向一是改变加工模式，压缩热加工空间，实现铜材生产从原料至成品的连续化生产，同时改进和发展加热技术，从而进一步节省金属消耗、能源消耗，减少排放，达到生产无公害。

铜线拉丝机的连续高速退火主要是采用接触式电阻退火，这种退火方式需要用导电炭刷（一个电极轮上有几十个烟盒般大小的炭刷），把铜（铝）排上的电流传输到电极轮上，使电极轮转动时受到较大的阻力，消耗大量能量。同时单丝和电极轮间有时会产生火花，出现表面氧化，影响单丝的表面质量，并易产生断丝现象。

采用感应式退火主要有以下优点：不需要电刷等传输电流到单丝上，工作时所受的阻力较小，退火效率较高（耗电不足退火炉退火或热管式退火的一半，效率由原来的30%左右提高到65%~75%）；无火花，实现铜线无氧化，提高退火质量；降低维修率，减少维护费用；能够实现退火速度自动跟踪；对环境几乎没有污染。

虽然，感应加热技术目前在熔炉、板材、铜管等加热和淬火中得到广泛应用，但在高速小线径线材加热中的应用还处于起步阶段，主要技术难点是高速加热及超高频固态感应加热电源的研制。同时加热设备也是单体式，研制一体式感应退火的拉丝设备，具有广阔的市场前景。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种节能型铜线拉丝机感应退火设备，以解决上述技术问题。

本发明为解决上述技术问题，采用以下技术方案来实现：

一种节能型铜线拉丝机感应退火设备，其特征在于：

采用感应器对待处理部件进行加热，感应器采用电磁感应加热线圈实现高速加热；

电磁感应加热线圈采用固态超高频感应加热电源，所述固态超高频感应加热电源采用e类逆变器结构，开关器件采用单管或双管功率器件。

作为优选，固态超高频感应加热电源由整流部分、斩波部分、逆变部分组成，组成的逆变电路，将直流电转换成高频感应电流。

作为优选，所述电磁感应加热线圈的设计：

（1）电流透入深度

感应电流透入到被加热物体的深度：

（m）（1）

式中：δ为电流分布的带宽，单位cm；

ρ为金属的电阻率，单位ω·m；

铜的电阻率为ρ=1.9×10^-8ω·m；

μ为金属的相对磁导率，单位h/m，铜的磁导率μ=1；

f为电流频率，单位hz；

距表面δ处涡流密度降为表面电流密度的1/e，即36.8%，定义为电流透入深度；在电流透入深度范围内金属圆柱吸收的功率为其吸收总功率的86.5%；因此，δ便成为选择加热频率的重要参数，它直接影响着加热温度的分布；

由圆柱导体上有效加热层与频率之间的关系得到，加热深度的极限值为0.4d2，d2为被加热铜线的直径；

金属电阻率与温度之间关系：

式中：ρ0为金属坯料在0⁰c时的电阻率，α电阻温度系数，ρ为金属在温度为t时的电阻率；

铜ρ0=0.016×10^-6ωm，取积分平均值ρ=0.05×10^-6ωm，α=4.30×10^-3；

（2）感应加热电流频率

当感应加热圆柱工件时，由于集肤效应，只有表面会快速升温，而中心部分则需靠热传导作用，从表面高温区向内部低温区传导热量，因而温升慢；表面与中心的温度差用δt表示；

计算表明，被加热铜线的直径与加热的透入深度之间的比值达到时，加热炉的电效率达到极限值的90%以上，由此可以求出电流频率的下限值；电源电流频率越高，有效加热层就越小，由加热深度的极限值为0.4d2，可以求得电流频率的上限值；综合感应加热的电效率、径向温差与频率之间的关系，频率选择按下面公式选择：

（2）

其中；

（3）感应器的效率与功率

电网输送给感应加热设备的功率包括两部分：一部分是供电系统（中频变频器、汇流排、电热电容器等）的功率损失；另外一部分是感应器线圈中的电损耗、热损耗和用于坯料加热的平均有效功率，称之为中频变频器的额功率p；

δp1感应器线圈的损失功率；p2坯料中的总功率；δpt通过感应器隔热层的热损失功率；pt坯料加热的平均有效功率；

感应器总的效率定义为，定义为感应器的电效率，定义为感应器的热效率；

（3）

于是有

（4）

坯料加热的平均有效功率，亦是感应器的功率为：

665.523w（5）

式中：c坯料的平均比热容，kj/（kg·⁰c），铜的平均比热容为0.471；

δt为炉料的温升；

m为炉料的质量，kg；

t加热时间，s；

n=m/t为生产率，kg/s；

为感应器的效率，为电效率和热效率之积；

铜加热炉电效率=0.40~0.45，热效率=0.90~0.92，总效率η=0.3~0.40；

（4）最短加热时间

在尽可能短的时间内达到工艺允许的径向温差；最短加热时间用下式表示：

（6）

式中：tk为保证δτ=t0-tx时的最短加热时间，s；

，为有效加热层；

当时，代入，而时，则代入即可；

t0为表面温度，⁰c；

tx为中心温度，⁰c；

且t0-tx=δt为径向温差；

a=λ/cγ称为导温系数；其中λ为导热系数，w/(m·⁰c)；c为比热容，j/(kg·⁰c)；γ为密度，铜密度为8.9×10^-3kg/dm³；

d2=2r2；t为加热时间，s；

s为辅助函数；函数s（α，1）与s（α，0）；

（5）感应线圈外形尺寸

感应线圈的主要尺寸是其内径d1和长度a1；

1）线圈内径d1的确定

线圈的电效率随d1/d2值的增大而下降；由炉子的总效率与η与d1/d2的关系曲线可知，炉子的总效率有一个峰值，即为最佳值；当d1/d2≈1.4～1.8时，总效率最大；作为合理的选用范围；

2）线圈的长度a1

对于连续式加热炉，按下式确定其值：

（m）（7）

式中：v为炉料运动速度，m/s；

3）感应器的匝数

（8）

式中：ug—感应器的端电压，v；

pg—感应器的输入功率，kw；

4）感应内的电流与电压

（a）

（v）（9）

式中：z—感应器的阻抗；

—坯料的换算电抗；

—水冷导轨的热损失；

5）补偿电热电容器容量qc

kvar

kvar（10）；

d22、d11分别为空心圆柱体坯料的外径和内径；d1为感应器线圈内径；

a2为空心圆柱体坯料长度；a1为感应器线圈长度；

作为优选，所述固态超高频感应加热电源的设计：

采用e类双管dc/ac超高频谐振式变换器，使超高频感应加热电源达到1兆mhz以上，用以超细型金属丝或超薄型钢带的淬火或退火等热处理；由于兆赫级条件下线路上的寄生电感和寄生电容不可忽略，功率器件的开关损耗相当可观，感应加热负载随温度变化而变化比较大等原因，使得经典传统逆变器拓扑在兆赫级感应加热应用中有很大的局限性，因此兆赫级逆变器的拓扑研究是本发明创造研究的重点。本方案提出的双管全桥逆变拓扑能有效地吸收线路上杂散电容和寄生电感等分布参数，且工作时开关器件是零电压开关，极大地减少了器件的开关损耗，逆变器的输入端增加了高频平波电抗器，使该拓扑具有电流型逆变器和电压型逆变器的优点，从而两只开关管的导通没有死区时间的限制，因此该拓扑比较适合兆赫级超高频感应加热。

e类双管dc/ac超高频谐振式变换器的e类dc/ac变换器，采用两管并联交替工作。

工作原理：

全桥式谐振变换器由4只功率开关管组成，半桥式谐振变换器也要用两只功率开关管，而e类dc/ac变换器则是单管工作，它的特点是选取适当的负载谐振网络参数，使开关管处于最佳工作状态，即当开关管导通或断开时，只有当器件的电压或电流降为零后，才能导通或断开，避免了开关器件内同时产生大的电压或电流，减小了开关转换时的器件功耗。为了提高逆变器的功率，减小单管容量，e类dc/ac变换器可采用两管并联交替工作。

交流电压通过单相不可控整流电路转换为直流电压，通过直流斩波电路进行功率调节，电流检测和电压检测信号通过模拟乘法器转换成功率检测信号，和功率给定信号进行比较，其偏差通过pid调节器进行调节，控制pwm的输出脉宽，从而改变直流斩波电路的输出功率，形成功率闭环控制。pwm移相控制器产生高频触发脉冲，通过驱动电路驱动功率mosfet的导通与关断，将直流电压逆变为高频交流电压，通过高频变压器耦合，输出到感应器负载。图中功率mosfet逆变器采用e类双管dc/ac谐振式变换器。

3、感应加热电源主电路设计

通过控制开关管igbt驱动脉冲的宽度来控制斩波电路的输出电压。逆变电路采用e类双管交替工作式dc/ac超高频谐振逆变器。为了提高逆变器的输出功率，减小单个功率mosfet的容量，逆变电路中采用两个功率mosfet并联交替工作，这样在不增加单只功率mosfet容量的情况下，用两只相同容量的功率mosfet，逆变器的输出功率可提高近一倍。另外两个功率mosfet并联交替工作，在逆变器相同输出频率的条件下，可使驱动电路的频率降到单管工作时的一半，即当逆变器的输出频率为2mhz时，驱动电路的频率只要1mhz，减小了对驱动电路的快速性要求。

电路参数计算：设高频电源的输出频率为f，则谐振频率f0等于f满足如下关系：

（11）

从以上两式得出：

（12）

同时取c1=c0；

4、控制电路

逆变器控制电路采用mc34067高速pwm专用控制器。该电路的特点是输出驱动脉冲工作频率可达到2mhz，内部采用图腾柱推挽输出，最大峰值电流达到1.5a。

功率和电流调节采用双闭环控制，功率及电流调节器均采用pi调节器。电路同时设置了频率跟踪电路。

本发明创造的技术方案主要是针对lh450／13滑动式铝(铜)大拉机组的退火装置进行改造，研发感应退火装置替代该设备的接触式电刷传输的退火装置，可以用于将φ9.5mm铝杆拉制成φ1.8mm～φ4.5mm铝线，或φ8mm铜杆拉制成φ1.2mm～φ4.0mm铜线的大拉机上。大频率范围的也可用于中拉机和小拉机设备上，单独产品也可以用于作独立感应电源，用于小线径线材、薄尺寸的板材退火、淬火等金属热加工。

本发明的有益效果是：

(1)超高频逆变电源：小尺寸金属材料的热处理感应加热电源的频率必须在1mhz以上，目前的感应加热电源dc/ac逆变器一般采用桥式谐振变换电路，但受到半导体功率器件开关频率的限制，加上死区时间和安全裕量的需求，频率很难提高到几mhz。本方案采用一种新颖的e类逆变器结构，开关器件采用单管或双管功率器件，极大地提高了电路频率，并减少了器件开关损耗。

(2)感应加热线圈：采用电磁感应加热，极大地提高了加热的热效率。

附图说明

图1为函数s（α，1）与s（α，0）；

图2为感应加热线圈尺寸图；

图3为超高频感应加热电源系统框图；

图4为超高频固态电源主电路图；

图5为逆变输出电压电流波形。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

一种节能型铜线拉丝机感应退火设备，采用感应器对待处理部件进行加热，感应器采用电磁感应加热线圈实现高速加热；

电磁感应加热线圈采用固态超高频感应加热电源，所述固态超高频感应加热电源采用e类逆变器结构，开关器件采用单管或双管功率器件。

固态超高频感应加热电源由整流部分、斩波部分、逆变部分组成，组成的逆变电路，将直流电转换成高频感应电流。

所述电磁感应加热线圈的设计：

（1）电流透入深度

感应电流透入到被加热物体的深度：

（m）（1）

式中：δ为电流分布的带宽，单位cm；

ρ为金属的电阻率，单位ω·m；

铜的电阻率为ρ=1.9×10^-8ω·m；

μ为金属的相对磁导率，单位h/m，铜的磁导率μ=1；

f为电流频率，单位hz；

距表面δ处涡流密度降为表面电流密度的1/e，即36.8%，定义为电流透入深度；在电流透入深度范围内金属圆柱吸收的功率为其吸收总功率的86.5%；因此，δ便成为选择加热频率的重要参数，它直接影响着加热温度的分布；

由圆柱导体上有效加热层与频率之间的关系得到，加热深度的极限值为0.4d2，d2为被加热铜线的直径；

金属电阻率与温度之间关系：

式中：ρ0为金属坯料在0⁰c时的电阻率，α电阻温度系数，ρ为金属在温度为t时的电阻率；

铜ρ0=0.016×10^-6ωm，取积分平均值ρ=0.05×10^-6ωm，α=4.30×10^-3；

（2）感应加热电流频率

当感应加热圆柱工件时，由于集肤效应，只有表面会快速升温，而中心部分则需靠热传导作用，从表面高温区向内部低温区传导热量，因而温升慢；表面与中心的温度差用δt表示；

计算表明，被加热铜线的直径与加热的透入深度之间的比值达到时，加热炉的电效率达到极限值的90%以上，由此可以求出电流频率的下限值；电源电流频率越高，有效加热层就越小，由加热深度的极限值为0.4d2，可以求得电流频率的上限值；综合感应加热的电效率、径向温差与频率之间的关系，频率选择按下面公式选择：

（2）

其中；

（3）感应器的效率与功率

电网输送给感应加热设备的功率包括两部分：一部分是供电系统（中频变频器、汇流排、电热电容器等）的功率损失；另外一部分是感应器线圈中的电损耗、热损耗和用于坯料加热的平均有效功率，称之为中频变频器的额功率p；

δp1感应器线圈的损失功率；p2坯料中的总功率；δpt通过感应器隔热层的热损失功率；pt坯料加热的平均有效功率；

感应器总的效率定义为，定义为感应器的电效率，定义为感应器的热效率；

（3）

于是有

（4）

坯料加热的平均有效功率，亦是感应器的功率为：

665.523w（5）

式中：c坯料的平均比热容，kj/（kg·⁰c），铜的平均比热容为0.471；

δt为炉料的温升；

m为炉料的质量，kg；

t加热时间，s；

n=m/t为生产率，kg/s；

为感应器的效率，为电效率和热效率之积；

铜加热炉电效率=0.40~0.45，热效率=0.90~0.92，总效率η=0.3~0.40；

（4）最短加热时间

在尽可能短的时间内达到工艺允许的径向温差；最短加热时间用下式表示：

（6）

式中：tk为保证δτ=t0-tx时的最短加热时间，s；

，为有效加热层；

当时，代入，而时，则代入即可；

t0为表面温度，⁰c；

tx为中心温度，⁰c；

且t0-tx=δt为径向温差；

a=λ/cγ称为导温系数；其中λ为导热系数，w/(m·⁰c)；c为比热容，j/(kg·⁰c)；γ为密度，铜密度为8.9×10^-3kg/dm³；

d2=2r2；t为加热时间，s；

s为辅助函数；函数s（α，1）与s（α，0），如图1所示；

（5）感应线圈外形尺寸

感应线圈的主要尺寸是其内径d1和长度a1；

1）线圈内径d1的确定

线圈的电效率随d1/d2值的增大而下降；由炉子的总效率与η与d1/d2的关系曲线可知，炉子的总效率有一个峰值，即为最佳值；当d1/d2≈1.4～1.8时，总效率最大；作为合理的选用范围；

2）线圈的长度a1

对于连续式加热炉，按下式确定其值：

（m）（7）

式中：v为炉料运动速度，m/s；

3）感应器的匝数

（8）

式中：ug—感应器的端电压，v；

pg—感应器的输入功率，kw；

4）感应内的电流与电压

（a）

（v）（9）

式中：z—感应器的阻抗；

—坯料的换算电抗；

—水冷导轨的热损失；

5）补偿电热电容器容量qc

kvar

kvar（10）；

如图2所示，d22、d11分别为空心圆柱体坯料的外径和内径；d1为感应器线圈内径；a2为空心圆柱体坯料长度；a1为感应器线圈长度；

所述固态超高频感应加热电源的设计：

采用e类双管dc/ac超高频谐振式变换器，使超高频感应加热电源达到1兆mhz以上，用以超细型金属丝或超薄型钢带的淬火或退火等热处理；由于兆赫级条件下线路上的寄生电感和寄生电容不可忽略，功率器件的开关损耗相当可观，感应加热负载随温度变化而变化比较大等原因，使得经典传统逆变器拓扑在兆赫级感应加热应用中有很大的局限性，因此兆赫级逆变器的拓扑研究是本发明创造研究的重点。本方案提出的双管全桥逆变拓扑能有效地吸收线路上杂散电容和寄生电感等分布参数，且工作时开关器件是零电压开关，极大地减少了器件的开关损耗，逆变器的输入端增加了高频平波电抗器，使该拓扑具有电流型逆变器和电压型逆变器的优点，从而两只开关管的导通没有死区时间的限制，因此该拓扑比较适合兆赫级超高频感应加热；

e类双管dc/ac超高频谐振式变换器的e类dc/ac变换器，采用两管并联交替工作。

工作原理：

全桥式谐振变换器由4只功率开关管组成，半桥式谐振变换器也要用两只功率开关管，而e类dc/ac变换器则是单管工作，它的特点是选取适当的负载谐振网络参数，使开关管处于最佳工作状态，即当开关管导通或断开时，只有当器件的电压或电流降为零后，才能导通或断开，避免了开关器件内同时产生大的电压或电流，减小了开关转换时的器件功耗。为了提高逆变器的功率，减小单管容量，e类dc/ac变换器可采用两管并联交替工作。

图3中交流电压通过单相不可控整流电路转换为直流电压，通过直流斩波电路进行功率调节，电流检测和电压检测信号通过模拟乘法器转换成功率检测信号，和功率给定信号进行比较，其偏差通过pid调节器进行调节，控制pwm的输出脉宽，从而改变直流斩波电路的输出功率，形成功率闭环控制。pwm移相控制器产生高频触发脉冲，通过驱动电路驱动功率mosfet的导通与关断，将直流电压逆变为高频交流电压，通过高频变压器耦合，输出到感应器负载。图中功率mosfet逆变器采用e类双管dc/ac谐振式变换器。

3、感应加热电源主电路设计

图4是超高频感应加热电源主电路。通过控制开关管igbt驱动脉冲的宽度来控制斩波电路的输出电压。逆变电路采用e类双管交替工作式dc/ac超高频谐振逆变器。为了提高逆变器的输出功率，减小单个功率mosfet的容量，逆变电路中采用两个功率mosfet并联交替工作，这样在不增加单只功率mosfet容量的情况下，用两只相同容量的功率mosfet，逆变器的输出功率可提高近一倍。另外两个功率mosfet并联交替工作，在逆变器相同输出频率的条件下，可使驱动电路的频率降到单管工作时的一半，即当逆变器的输出频率为2mhz时，驱动电路的频率只要1mhz，减小了对驱动电路的快速性要求。

电路参数计算：设高频电源的输出频率为f，则谐振频率f0等于f满足如下关系：

（11）

从以上两式得出：

（12）

同时取c1=c0；

4、控制电路

控制电路图见图3。逆变器控制电路采用mc34067高速pwm专用控制器。该电路的特点是输出驱动脉冲工作频率可达到2mhz，内部采用图腾柱推挽输出，最大峰值电流达到1.5a；

功率和电流调节采用双闭环控制，功率及电流调节器均采用pi调节器。电路同时设置了频率跟踪电路；

5、逆变器输出波形

图5为本方案输出电压及电流波形，图中a为加到感应加热线圈上的电压，b谐振电容c0两端的电压，c0[i]为感应线圈上的电流波形。从图中可以看出，加热线圈两端的电压为直流电，逆变器可以输出2mhz超高频电流，正弦波电流波形畸变小，近似为一理想波形。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。