高端中頻爐在鍛造智能化生產(chǎn)中的科學(xué)選型和應(yīng)用

文/張永紅·山東榮泰感應(yīng)科技有限公司

雷蕾·中國(guó)鍛壓協(xié)會(huì)

高端中頻爐在鍛造智能化生產(chǎn)中的科學(xué)選型和應(yīng)用

文/張永紅·山東榮泰感應(yīng)科技有限公司

雷蕾·中國(guó)鍛壓協(xié)會(huì)

隨著國(guó)家以及社會(huì)對(duì)環(huán)保的關(guān)注度日益提升，輕污染、輕排放、輕浪費(fèi)的“綠色鍛造”已經(jīng)成為鍛造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。與此同時(shí)，“智能工廠”逐漸成為熱詞，在政府的倡導(dǎo)下，在市場(chǎng)的反作用推動(dòng)中，自動(dòng)化、智能化的應(yīng)用必然掀起鍛造行業(yè)新的革新模式。

在此背景下，中頻感應(yīng)加熱設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱(chēng)中頻爐）因?yàn)槠渚G色環(huán)保、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的特點(diǎn)成為溫、熱鍛領(lǐng)域所必需的鍛前加熱設(shè)備。與煤爐和天然氣爐相比，中頻爐具有加熱速度快、生產(chǎn)效率高、氧化脫碳少、節(jié)省材料與鍛模成本等優(yōu)點(diǎn)，但目前多數(shù)鍛造企業(yè)中頻爐使用還處于摸索階段，設(shè)備的性能表現(xiàn)也良莠不齊。鑒于此，本文將就如何正確選購(gòu)高性?xún)r(jià)比的高端中頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)展開(kāi)討論。

性能穩(wěn)定高效

中頻爐在鍛造生產(chǎn)線中處于排頭兵的位置，關(guān)系整條線的配合運(yùn)營(yíng)，性能穩(wěn)定至關(guān)重要，高端中頻爐的首要要素即為“穩(wěn)定高效”。那么在選擇中頻爐時(shí)如何能夠確定設(shè)備具有穩(wěn)定的性能表現(xiàn)呢？

筆者認(rèn)為，主要取決于5點(diǎn)：⑴供貨商的技術(shù)能力和市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)；⑵設(shè)備本身線路特點(diǎn)；⑶設(shè)備的制造工藝；⑷所配置元器件性能；⑸供貨商質(zhì)量管控體系。

鍛造企業(yè)在選擇中頻爐時(shí)，應(yīng)當(dāng)首先選擇知名度較高、已經(jīng)有較好市場(chǎng)業(yè)績(jī)的供貨商。這些供貨商已經(jīng)擁有成熟的技術(shù)和豐富的市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)備設(shè)計(jì)和制造能力趨于成熟，設(shè)備穩(wěn)定性有著更為有力的保障。

從線路原理來(lái)講，串聯(lián)諧振線路比并聯(lián)諧振線路更加穩(wěn)定。串聯(lián)諧振線路因其電容采用諧振形式，諧波含量降低，功率因數(shù)也是遠(yuǎn)超國(guó)家電力0.9的標(biāo)準(zhǔn)，具有主回路控制簡(jiǎn)單，綠色節(jié)能、穩(wěn)定高效等優(yōu)點(diǎn)。

在制造工藝上的差距會(huì)造成中頻爐在運(yùn)行中的表現(xiàn)差異和使用壽命差異，如高端中頻爐感應(yīng)線圈的絕緣處理會(huì)采取價(jià)格相對(duì)高昂的烤瓷工藝，以保證感應(yīng)器使用壽命內(nèi)線圈絕緣不出問(wèn)題；普通中頻爐往往會(huì)采用絕緣漆處理，在使用中容易在高溫下脫落。另外，高端中頻爐的感應(yīng)器打結(jié)方式一般采用整體打結(jié)方式，所使用打結(jié)料是普通打結(jié)方式的2倍，首尾銜接處和擋板為一體，爐襯使用壽命延長(zhǎng)數(shù)倍。

中頻爐的電氣以及負(fù)載部分涉及較多的電子電氣元件，而這些配套元件的性能也會(huì)直接影響到設(shè)備的整體運(yùn)行性能。在選擇中頻爐時(shí)，不妨關(guān)注一下設(shè)備整體配置中的元器件配套品牌。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上高端中頻爐的關(guān)鍵元器件一般選用的是進(jìn)口品牌，穩(wěn)定性更有保障。但是在部分元器件選擇上，如可控硅，現(xiàn)在國(guó)產(chǎn)的性能不輸于歐美日，所以不是僅僅局限于看是否是配套進(jìn)口品牌，主要看配套元件的性能是否優(yōu)異。

供貨商的質(zhì)量管控能力也是設(shè)備是否能夠穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵保障。高端中頻爐的供貨商往往建立有成熟的質(zhì)量管控體系，在設(shè)備的原材料采購(gòu)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造工藝、過(guò)程質(zhì)檢、出廠負(fù)載試驗(yàn)階段建立有明確的管控點(diǎn)和處理方案，所出廠的設(shè)備都是經(jīng)過(guò)層層質(zhì)量把控的，設(shè)備往往能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

低能耗優(yōu)勢(shì)

高端中頻爐的核心特點(diǎn)為低能耗。按照工件溫度加熱至1150℃計(jì)算，普通中頻設(shè)備的平均能耗約為500kW·h/t，而高端中頻爐的能耗可以控制在400kW·h/t以?xún)?nèi)；根據(jù)工件長(zhǎng)度、直徑等不同參數(shù)，中頻感應(yīng)加熱設(shè)備能耗性能表現(xiàn)不一。因?yàn)楦袘?yīng)加熱集膚效應(yīng)特點(diǎn)，中頻感應(yīng)加熱的最佳加熱直徑為45～110mm。其中，以直徑55～80mm的工件加熱效果最佳，在此區(qū)間內(nèi)，普通中頻爐的能耗約為450kW·h/t，而高端中頻爐的能耗可以控制在350kW·h/t以?xún)?nèi)。圖1為普通品牌和高端品牌的中頻爐的能耗曲線對(duì)比。

圖1 中頻感應(yīng)加熱爐的能耗曲線

當(dāng)加熱工件的長(zhǎng)度為直徑的1～3倍時(shí)，所匹配的感應(yīng)器功率密度更大，能耗相對(duì)會(huì)更低；工件直徑低于40mm或者大于120mm時(shí)，能耗值會(huì)相應(yīng)上升，需要科學(xué)合理的中頻爐設(shè)計(jì)才能夠保證能耗值不會(huì)差距太大；當(dāng)工件直徑低于15mm時(shí)，中頻感應(yīng)加熱的優(yōu)勢(shì)基本消失，能耗顯著上升，需要匹配頻率更高的超音頻設(shè)備；當(dāng)工件直徑大于180mm時(shí)，芯表溫差問(wèn)題將會(huì)比較突出，為了降低芯表溫差，勢(shì)必要增加加熱時(shí)間，能耗相對(duì)上升，因此，超小直徑或者超大直徑的工件在中頻感應(yīng)加熱領(lǐng)域?qū)儆谙鄬?duì)高能耗的產(chǎn)品。

加熱均勻性

高端中頻爐的顯著特性是加熱性能的穩(wěn)定性，主要包含表面溫差、軸向溫差、芯表溫差。加熱均勻性是否能夠保證與中頻爐的功率和頻率設(shè)計(jì)、感應(yīng)器負(fù)載設(shè)計(jì)、工件加熱過(guò)程的傳動(dòng)方式密切相關(guān)。

一般來(lái)講，中頻爐的供貨商會(huì)根據(jù)用戶(hù)提供的工件尺寸（包含直徑和長(zhǎng)度）、加熱節(jié)拍、加熱溫度來(lái)確定成套設(shè)備的功率和頻率，設(shè)計(jì)合理的感應(yīng)器負(fù)載，并匹配合適的機(jī)械傳動(dòng)方式。工件直徑?jīng)Q定了頻率設(shè)計(jì)，加熱節(jié)拍決定了設(shè)備功率，而上述兩項(xiàng)共同影響感應(yīng)器負(fù)載設(shè)計(jì)和機(jī)械傳動(dòng)方式。

對(duì)圓棒料加熱均勻性的控制較為容易，一般表面溫差可以控制在35℃以?xún)?nèi)，軸向溫差控制在10℃以?xún)?nèi)，心表溫差與加熱工件直徑密切相關(guān)，加熱直徑越大，心表溫差越大；薄板材、不規(guī)則件和帶孔工件的加熱均勻性控制較難，因?yàn)橹蓄l感應(yīng)加熱的特點(diǎn)，這些工件在加熱過(guò)程中會(huì)有較高的溫度偏差，因此需要設(shè)備供貨商擁有更強(qiáng)的設(shè)計(jì)和制造水平，高端中頻爐制造企業(yè)會(huì)根據(jù)用戶(hù)需求結(jié)合市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和良好的技術(shù)能力妥善解決這些問(wèn)題。

智能生產(chǎn)

目前，國(guó)內(nèi)高端中頻爐已配置智能工控系統(tǒng)，根據(jù)用戶(hù)需求實(shí)現(xiàn)ERP軟件對(duì)接管理、配方菜單工藝模板化管理、手機(jī)APP遠(yuǎn)程監(jiān)管和電腦上遠(yuǎn)程控制等簡(jiǎn)單友好的操作。中頻爐的操作管理對(duì)于用戶(hù)端來(lái)講已經(jīng)越來(lái)越簡(jiǎn)單易學(xué)，鍛造工人不需要繁瑣的培訓(xùn)即可掌握中頻爐操作技巧。在實(shí)際操作中，鍛造企業(yè)可以根據(jù)自己對(duì)中頻爐的智能化操作界面和智能工控系統(tǒng)提出需求，由中頻爐制造方對(duì)智能化功能進(jìn)行改進(jìn)。

隨著人工成本的急劇上升和技能型工人的短缺，已經(jīng)有越來(lái)越多的鍛造企業(yè)在逐步實(shí)現(xiàn)鍛造自動(dòng)化。對(duì)鍛造環(huán)節(jié)來(lái)講，中頻爐的自動(dòng)化主要包括自動(dòng)上料、自動(dòng)送料、自動(dòng)傳輸和自動(dòng)出料，作為鍛造自動(dòng)化的配套機(jī)械，穩(wěn)定性要求很高，國(guó)內(nèi)部分供貨商已經(jīng)具備了供應(yīng)高度自動(dòng)化的中頻爐的能力。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，中頻爐作為關(guān)鍵的鍛造裝備，已經(jīng)為越來(lái)越多的鍛造企業(yè)所熟知、所認(rèn)可，并已經(jīng)成為很多鍛造企業(yè)的鍛前加熱設(shè)備首選。中頻爐的性能直接影響到鍛造企業(yè)的生產(chǎn)成本，穩(wěn)定高效的高端中頻爐會(huì)幫助鍛造企業(yè)提升成本競(jìng)爭(zhēng)力和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。目前，國(guó)內(nèi)少數(shù)供貨商已經(jīng)掌握了高端中頻爐設(shè)計(jì)和制造能力，其供應(yīng)的中頻爐的使用性能真正的達(dá)到了國(guó)際水平。