板式感應加熱器設計及應用

霍崇玉

（中鐵隆昌鐵路器材有限公司 四川 內江 642150）

前言

我公司是鐵路緊固件產品生產的專業化生產廠家，公司產品中的各類螺栓如S1.S2、T30.B30等產品的頭部成型和三滾制絲等工序都要對工件的頭部進行局部加熱至工藝要求溫度再進行加工，我公司這部分產品成型和制絲工序工件的加熱方式，經歷了自六七十年代開始的煤炭加熱、后天然氣轉轉爐加熱，發展到現在大量運用的中頻感應加熱。

感應加熱是利用在交變磁場中的導體（金屬），會在導體內部產生感應電流（或渦流），任何導體都具有電阻，根據焦耳-楞次定律，渦流在具有一定電阻的導體（金屬）內流動就會產生熱量，從而使導體（金屬）被加熱甚至熔化。

感應加熱具有以下特點：加熱速度快，加熱時間短，效率高；能夠降低氧化皮及脫碳層，提高產品質量；降低環境污染，使得操作者脫離高溫高熱的惡劣環境，降低勞動強度。

1 改造前螺栓生產的工藝狀況

公司在采用感應加熱工藝早期，使用的感應加熱器是分列式螺旋線圈感應加熱器（如圖所示）。其結構形式是將多個感應線圈并列擺放，串聯相接，經絕緣處理后，面向操作者呈瓶狀開口，操作者將工件部分插入到感應器線圈中，插入到線圈中的部分進行了加熱，而無需加熱的部分在線圈外，未加熱處于冷態，既節約了能源，又防止冷態部分工件出現在加工的過程中變形而影響后續工序的加工。

在生產過程中，進料和出料均需要手工操作，并且由于工件物料在感應線圈中不可見，加熱溫度僅憑操作者經驗和肉眼觀察，溫度不恒定，嚴重影響產品質量，甚至會出現超溫過燒更是給產品留下極大的質量隱患。

隨著青藏線、高速鐵路等產品對質量的要求越來越高，采用并列式螺旋線圈感應加熱方式的加熱溫度不可控（不易控），勞動強度高，不易實現自動化等缺點就越顯突出，這就需要我們升級加熱系統。

2 設計設想及目標

經過資料查閱，我們采取的方案是，設計并新制通過式板式加熱器（通過式感應線圈），將原人工送料改裝為自動送料裝置，并增加紅外線測溫等自動溫度分選出不合格的工件。

設計過程：

材質：鋼材；工件直徑：Φ24-Φ30；加熱長度：100mm；加熱溫度：1000℃±50℃

（1）加熱頻率確定：

感應器頻率的選擇，目的是為了獲得最小的投資費用與運行的經濟性。感應加熱總效率的高低，基本上決定于加熱器頻率的正確選擇。通常當工件物料直徑與電流穿透深度之比為3～5的范圍時，感應加熱的效率達到最大值。

根據感應加熱頻率選擇公式：3/D2＜f＜6/D2

最佳加熱頻率為3333Hz～10041Hz。較高的工作頻率選擇可提高加熱效率，但較低的頻率可使中頻設備的工作狀態更加穩定，我們根據該公式及以前環形感應器的工作經驗，將新感應器的工作頻率確定為4000Hz。

（2）所需加熱功率：

根據工件加工節拍和加熱重量PH=qGT/0.24Δtη，按總效率0.65計，計算所需加熱功率分別為105kW和165kW。

設備造型：選用即有設備8kHz，250kW可控硅中頻可滿足生產需求。

（3）感應器尺寸的確定：

根據加熱時間，感應器中應有16-18件工作在感應器中加熱，按機械送料的最小間隔，計算感應器長度應為700mm，

根據工件加熱長度100mm，感應器高度100+0.5D，定為120mm。

（4）電參數計算：

電參數通常采用電磁場法或變壓器法來計算，

進行系統電計算的目的在于確定爐料、感應器和系統的阻抗、爐子的自然功率因數、電效率、感應器的匝數及爐子的輸入功率等。

通過采用電磁場法進行計算，感應器的匝數為7.5匝，

（5）確定感應線圈結構尺寸：

感應線圈用12mm×14mm×2mm可通水冷卻的矩形純銅管繞制，線圈的高度為120mm，線圈槽間寬度為50mm，線圈繞制匝數為7匝。

（6）制作模具，用打結料使其堅固并絕緣

（7）制作自動送料和分選裝置

選用氣缸推動節拍式送料或者選用電機帶動減速箱，帶動鏈條，在鏈條上安裝卡槽，卡槽帶動工件物料通過感應器進行加熱。調節時間，或者通過變頻器調整電動機轉速，可以調整送料速度和節拍。

（8）選用紅外測溫儀測溫，通過儀表控制，合格溫度和不合格發出不同信號，帶動分選機構只將加熱溫度在合格范圍的物料送入下道工序。

（9）效果驗證：

通過式感應加熱器制作完成后，在實際生產產品時測得如下效果：

產品 工件直徑(mm) 節拍(件/分鐘) 加熱溫度(℃)S1,S2 24 20 970～1020 T30 30 15 970～1020

由于采取了機械勻速送料，確保了每個工件在加熱過程中的加熱時間的穩定，即保證了出料溫度的穩定。

3 結論

采用了新設計制作的通過式板式加熱器，達到了設計要求，加熱速度和加熱溫度均滿足了工藝要求，加熱溫度穩定，原人工送料改裝為機械自動送料裝置，減輕了工人的勞動強度，增加紅外線測溫等自動溫度分選裝置，保證了進入下道工序的工件均為符合工藝要求的工件。