高效節能的鍛造坯料感應加熱方式

文／Michael Padberg，Dr. Erwin D?tsch·ABP感應公司

譯／程震武·埃博普感應系統(上海)有限公司

高效節能的鍛造坯料感應加熱方式

文／Michael Padberg，Dr. Erwin D?tsch·ABP感應公司

譯／程震武·埃博普感應系統(上海)有限公司

現代生產對鍛造工藝不斷提出新的技術要求：高產能、高精度以及高度的靈活性，這迫使人們以新的策略和創新思維滿足不斷出現的新的技術要求。

加熱工藝的優劣以及重復精度對鍛造成形工藝有重要影響。首先，必須確保坯料具有成形所需的合理溫度；其次，軸/徑向溫度分布均勻。但是這與降低氧化皮和粘結的要求相矛盾。另外一個需要引起高度重視的是與日益上升的能耗成本相關的節能問題，對在鍛造坯料加熱過程中能源的利用效率提出了更高的要求。因此，根據客戶要求以及適應加熱工藝是獲取高度可靠性和生產效率至關重要的因素。

6年前，對鍛造加熱系統的基本要求是產能高，加熱的重復精度高，關于如何最優使用能源的問題只是在能源價格高企的情況下談論的一個話題，同時關于如何減少CO2及保護資源的問題也只是在泛泛地談論。隨著時代的進步，能源的利用效率已變得越來越重要，成為了與滿足工藝要求同樣重要的問題。高水平的工廠管理及工藝優化是提高能源利用率的重要手段之一。在本文中，我們將首先分析各部分的能耗在系統中所占的比例，然后探討節能的潛力。

感應加熱系統的能量消耗

如圖1所示是典型的中頻感應加熱系統，它由下列部分組成：

⑴感應器及耐火材料，驅動夾輥及滑道；

⑵電源、變壓器、逆變器及負載匹配電容；

⑶附屬設施，如上料、出料及感應器和電源的冷卻系統等。

圖1 典型的中頻感應加熱系統

鍛造加熱系統的能耗分配如圖2所示，這是一個典型的750kW的加熱系統，產能為1800kg/h，工件溫度為1250℃，加熱工件到1250℃所需的熱焓值為221kWh/t，值得注意的是，該溫度不是在出料口測試的表面溫度，而是工件的平均溫度。下面我們就以此典型的加熱系統為例討論如何在各部分實現能量的高效利用。

圖2 ABP IGBT分區控制技術典型加熱系統的能量平衡表

感應加熱系統各部分能量的高效利用

變壓器

在鍛造加熱系統中有兩種變壓器受到廣泛的使用，一種是油冷式，另外一種是干式，兩者都采用鋁或銅作為變壓器的線圈。變壓器型號不一樣，其效率也不一樣(97%～99%)。效率最高的變壓器所要求的成本也最高，當變壓器效率在98%左右時，應該是最經濟和最環保的。在整個系統中，變壓器的節能是十分有限的，沒有多少空間。

中頻電源

加熱效果與加熱線的總長度、感應器的數量和功率以及頻率都有直接關系。單一電源加熱的加熱系統，只能實現對某一特定規格、特定產量條件下的坯料的加熱，單獨設計與之相適應的最優化的溫度分布，最少的氧化皮以及最低的粘結率和能耗。這可以通過選擇合適的感應器匝數以及工作頻率(單一電源，單一頻率)來實現，由于頻率單一，故而無法采用最優化的頻率加熱不同加熱工藝階段的坯料。比如在坯料最初預熱階段，此時坯料還處于鐵磁體狀態，比較適合采用低頻率加熱以便不僅僅加熱坯料的表層，同時也深入加熱坯料內部；在加熱的中間階段，坯料表面溫度介于居里溫度和所需的鍛造溫度之間，此時適合采用比預熱階段高的頻率加熱以降低能耗；在最后階段，主要目的是彌補表面與中心溫度之間的溫差以獲得理想的軸/徑向溫度分布，這時需要采用比中間升溫階段高的頻率加熱以補償表面散熱。采用獨立控制、以不同頻率向各區線圈獨立供電的新技術后，盡管各個階段所需功率不同，但我們仍能采用匝數相仿的感應器，這樣同一感應器就可以用于任何加熱階段，從而可有效地減少備用感應器的數量。

圖3 IGBT模塊

一般中頻電源的能耗在6%～8%之間，分別為以下部分的消耗：整流部分、匹配電容部分、傳輸部分的線損。通過一體化設計后，線損和電容部分的損耗最優可控制在2.7%。SCR電源與IGBT電源在線損上有較大差別，IGBT模塊化設計(圖3)代表最先進的電源技術，比SCR電源減少能耗達1%。結合傳統SCR電源的優點，無論是在滿負載還是部分負載的情況下，IGBT電源的功率因數都能達到0.95以上。由于IGBT技術的采用，整個電源部分的能耗可以控制在6%的底限。IGBT器件可以采用非直接冷卻的方式，冷卻水不需要通過狹窄的通道，而是通過專用的冷卻器，這樣對冷卻水的要求可以不太高，使用普通的自來水就可以實現感應器及電源的冷卻。

圖4 水冷感應器滑軌

圖5 非水冷感應器滑軌

感應器

在中頻鍛造加熱系統中，20%的電源能耗是由感應器消耗的，產生這一結果的原因是感應器的電阻。感應器諧振回路里通過有幾千安培的電流，會產生大量的熱量，因此感應器銅管需要持續地冷卻，為了有效地利用能源，看似利用冷卻水的余熱可以達到節能的目的，但事實上感應器冷卻水的溫度只有80℃左右，很難利用它來洗澡或用于其他用途。

改變感應器銅管的幾何尺寸、采用不對稱的銅管可以降低能耗，加熱面的銅管厚度比非加熱面厚，這樣就可以改變感應器回路的諧振特性，從而改善耐火爐襯的壽命。

感應器內的滑軌分為水冷滑軌(圖4)和非水冷滑軌(圖5)。水冷滑軌的能耗大概為4%，非水冷滑軌能提高能源利用率，但它們的使用均受到坯料直徑的限制，坯料的直徑不能大于70mm。大的坯料對滑軌的磨損較嚴重，而滑軌表面的耐磨層能較好地改善這種磨損。

加熱坯料與感應器內側的距離對加熱系統的電效率有很大的影響，距離越小，電效率越高。坯料外徑與感應器內徑的距離越小，感應電源與坯料的電磁耦合就越好，電效率也就越高。耦合距離首先是由耐火材料的厚度決定的，因此耐火材料的厚度對保護感應器及確保感應器的使用壽命十分重要。另一個重要的因素是加熱坯料的直線度，需要材料供應商來確保坯料的質量。

最后一點也是最重要的一點是坯料的直徑變化會引起耦合距離的變化。坯料直徑及產能與能耗的關系如圖6所示，從圖中可以看到，理想的坯料直徑為60mm，最大產能為1.8t/h，最小能耗為339kWh/t。當加熱的坯料直徑變小時可以看到，在一定范圍內產能還能保持在額定值，但能耗指標在上升，電效率下降。當坯料直徑下降到39mm時，產能下降到了額定值以下，在該點以上，加熱系統能提供額定產能，能耗值在381～339kWh/t之間變化，最高值比最低值高12%。

為保證高的能源利用率，加熱不同直徑的坯料時，需更換不同的感應器，可以通過快速切換裝置對不同的感應器組進行切換。通常為保證加熱系統的電效率，會設置很多的感應器組，感應器組越多，達到的節能效果越好，當然投入也會越高。

熱傳導的損失主要取決于耐火材料的厚度及材料特性，設計這些部分時應該考慮感應器的壽命和上述的耦合距離，該部分的節能潛力有限。

加熱工藝的優化

加熱工藝受制于加熱區的長度、周期時間、感應器的數量、中頻電源的輸出及相應的頻率。理想的系統是在最短的加熱區及最短的周期時間內將坯料加熱到鍛造溫度，同時氧化皮少，無粘連，這樣的系統能耗一定是最低的。

圖6 坯料直徑、產能與能耗的關系曲線

圖7 THERMPROF軟件確定的溫度曲線

上述理想的鍛造感應加熱系統在使用多個感應器及多個電源的中頻加熱系統中能得以實現。在這樣的系統中，每個感應器由單獨的電源供電及控制，從而實現系統的最優。ABP感應公司的THERMPROF?模擬軟件是操作人員的一個工藝工具，該軟件可以調整每區的最后點的平均溫度，從而控制每區的溫度及產能。如圖7所示的溫度曲線分別為坯料的心部溫度、表面溫度及平均溫度。如果需要，該模擬軟件可以模擬整個加熱的過程，加熱運行能耗及材料成本也包含在該模擬軟件中。該模擬軟件可以實現對加熱系統的優化模擬，最佳溫度分布可以在最后時刻得到，同時還可減少輻射損失及氧化皮。

基于西門子的PRODAPT?-FX2是實現最優能耗的控制器，能提供各種運行條件下的系統控制。

保溫模式是每個鍛造加熱系統所必需的，當下游及上游設備出現問題時，將進料的速度降低到系統可以接受的速度，保證剔除的不合格坯料最少。

冷啟動也是一個鍛造加熱系統不可缺少的功能。當感應器爐襯還是冷的時，隨著爐襯溫度的提高，進料速度由最低提高到工藝要求的水平。周期時間變化時，進料速度要控制到最低，以保證不合格的坯料最少。

結束語

借助于先進的工廠管理及工藝優化，鍛造感應加熱系統能有效地提高能源利用效率。IGBT分區控制鍛造感應加熱系統能使中頻電源的效率達到94%，80%的電源能量能傳輸到感應器上。可以利用快速切換裝置實現不同坯料直徑間不同感應器的快速切換。多電源分區控制技術是提高感應加熱電效率最有效的方法，借助于THERMPROF模擬軟件能實現不同坯料的最優加熱工藝，最大限度地節約能源。