變頻控制電磁感應(yīng)加熱技術(shù)在鋁擠壓模具爐上的應(yīng)用

何海崗，楊銀初，王志藝，朱世安

（廣東豪美新材股份有限公司，廣東清遠 511540）

0 引言

感應(yīng)加熱實質(zhì)是利用電磁感應(yīng)在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦流發(fā)熱來加熱工件的方法，它通過電磁感應(yīng)把電能傳遞給被加熱的金屬，電能在金屬內(nèi)部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽_到金屬加熱的目的［1］。作為一項新興的鋁擠壓模具加熱技術(shù)，變頻控制電磁感應(yīng)加熱技術(shù)近年來引起業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。王以琦等［2］采用溫度閉環(huán)控制對感應(yīng)加熱進行控制后，模具保溫階段穩(wěn)態(tài)后測量的溫度變化范圍小于等于±3℃。畢勇義等［3］實測了模具采用電磁加熱方式與電阻加熱方式相比，節(jié)電率為76.3%。高翔等［4］實測了采用變頻控制的模具箱式加熱爐相比傳統(tǒng)的電阻式模具加熱爐，加熱效率提高50%，耗電量降低約57%。上述研究主要針對變頻控制電磁感應(yīng)加熱技術(shù)實際運行性能進行了實測分析，總結(jié)了非電磁感應(yīng)模具在運行過程中存在的典型問題，并以模具加溫均勻性和節(jié)電率等方面的優(yōu)異性能而提出了采用變頻控制電磁感應(yīng)加熱技術(shù)替代傳統(tǒng)的非電磁感應(yīng)模具加熱爐的方案，但缺少對電磁感應(yīng)模具爐的運行原理、狀況和特點進行總結(jié)，也未針對性從模具鋼的加熱力學(xué)性能分析出發(fā)，給出電磁感應(yīng)模具爐的運行控制策略和注意事項。

本文通過對模具鋼的回火表面硬度、抗拉強度和屈服強度等力學(xué)性能的分析，建立了變頻控制電磁感應(yīng)加熱模具爐工作過程中的溫升曲線和控制流程圖，分析和對比了非電磁感應(yīng)模具爐和電磁感應(yīng)模具爐的運行原理、狀況和特點，統(tǒng)計和分析了使用電磁感應(yīng)模具爐替代非電磁感應(yīng)模具爐后擠壓生產(chǎn)線的模具異常率有所下降、產(chǎn)品成品率有所提高的情況。在此基礎(chǔ)上，分析了電磁感應(yīng)模具爐的運行控制策略和優(yōu)化方向，以期充分發(fā)揮電磁感應(yīng)模具爐在鋁擠壓模具加熱時的安全性能，提高模具的使用壽命。

1 模具鋼力學(xué)性能分析

鋁擠壓技術(shù)及設(shè)備包括熔鑄、擠壓及擠壓模具、表面處理、深加工以及各個相關(guān)輔助裝備。擠壓材生產(chǎn)中擠壓是核心，擠壓機是其主要設(shè)備，模具為主要工具［5］。影響熱擠壓模具壽命的主要環(huán)節(jié)有以下幾點：模具選型、模具鍛造、熱處理、機械加工和生產(chǎn)使用環(huán)節(jié)。其中，在模具的生產(chǎn)使用環(huán)節(jié)中又包含以下幾個：模具加熱、模具安裝、模具工作前化學(xué)處理及模具潤滑。本文重點分析模具加熱環(huán)節(jié)對模具壽命的影響。

模具鋼QDN、SKD61 的硬度和回火溫度曲線如圖1 所示，由圖可知，隨著回火溫度的升高，模具鋼的表面硬度將會下降，當回火溫度達到580℃以后，模具鋼的硬度將會快速下降。

圖1 模具鋼QDN、SKD61的硬度和回火溫度曲線

模具鋼QDN、SKD61 的硬度和保溫時間曲線如圖2 所示，可以看出，隨著保溫時間的增加，模具鋼的表面硬度將會下降，當保溫時間超過4 h以后，模具鋼的硬度將會快速下降。

圖2 模具鋼QDN、SKD61 的硬度和保溫時間曲線

H13模具鋼高溫力學(xué)性能如圖3 所示，可以看出，隨著溫度的升高，H13模具鋼抗拉強度和屈服強度會下降，當高溫達到500 ℃以后，H13 模具鋼的抗拉強度和屈服強度會快速下降。

圖3 H13 模具鋼高溫力學(xué)性能

熱擠壓模具工作溫度一般在500～600 ℃，工作過程中要反復(fù)經(jīng)受工作時的熱量傳導(dǎo)及工作后的急速冷卻，在模具內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的熱應(yīng)力循環(huán)。若工作中對模具的溫度控制不當，極易產(chǎn)生熱疲勞而發(fā)生表層龜裂或磨損加劇，甚至模具開裂等情況［6］。在模具的實際生產(chǎn)使用環(huán)節(jié)中，模具爐的保溫溫度一般設(shè)置在480 ℃以內(nèi)，保溫時間控制在12 h以內(nèi)。以防止模具表面硬度的快速下降，防止模具抗拉強度和屈服強度的快速下降。因此，模具工作過程中的溫度控制顯得異常重要。

2 電阻式和紅外線模具爐運行原理、狀況和特點

2.1 運行原理

傳統(tǒng)的電阻式和紅外線模具爐因發(fā)熱絲懸掛安裝或固定安裝在磚溝上，而檢測溫度的探頭熱電偶安裝在耐火磚爐膛或紅外線涂層爐膛上，熱電偶檢測的溫度就是爐膛的實際溫度。數(shù)顯溫控表檢測爐膛的溫度高低從而通過開關(guān)信號控制交流接觸器控制電發(fā)熱絲或紅外線陶瓷發(fā)熱管的電源的通斷。在電阻式和紅外線模具爐的溫度控制過程中對發(fā)熱絲和爐膛的溫度進行了測試，得出升溫階段和保溫階段的曲線圖如圖4 所示。由圖可知，在升溫階段，發(fā)熱絲、陶瓷發(fā)熱管的溫度一定高于爐膛的溫度，當爐膛的溫度達到設(shè)定溫度而關(guān)斷交流接觸器后，發(fā)熱絲的溫度因慣性仍會有一個小區(qū)間的過沖現(xiàn)象，從而導(dǎo)致爐膛的溫度超出設(shè)定溫度。在保溫階段，當爐膛的溫度低于一定的設(shè)定溫度后，數(shù)顯溫控表再次通過開關(guān)信號關(guān)閉交流接觸器，發(fā)熱絲或紅外線陶瓷發(fā)熱管通電后進行升溫，如此周而復(fù)始，于是便產(chǎn)生了圍繞設(shè)定溫度Ts的上波動溫度曲線。

圖4 電阻式和紅外線模具爐溫升曲線

2.2 運行狀況和特點

在對電阻式和紅外線模具爐內(nèi)的模具溫度進行測試中發(fā)現(xiàn)，模具升溫速度慢，溫度均勻性差，容易發(fā)生超溫現(xiàn)象，從而導(dǎo)致生產(chǎn)效率低，加熱中的模具異常率高。電阻式和紅外線模具爐控制流程如圖5所示。為解決電阻式和紅外線模具爐的一系列缺點，必須在模具爐的控制方式和加熱方式上做重大改變。

圖5 電阻式和紅外線模具爐控制流程

3 變頻控制電磁感應(yīng)加熱模具爐運行原理、狀況和特點

3.1 運行原理

在日常生產(chǎn)和生活中所使用的電源，是頻率固定（50 Hz）的交流電，而變頻技術(shù)就是通過一系列的技術(shù)手段來改變用電設(shè)備的供電頻率，進而控制設(shè)備的輸出功率［7］。電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)常見的拓撲結(jié)構(gòu)有單管并聯(lián)、半橋串聯(lián)和全橋串聯(lián)3種［8］。變頻控制電磁感應(yīng)加熱模具爐主電路及模型如圖6 所示，其主電路采用全橋串聯(lián)諧振變頻電源，三相二極管不控整流后，經(jīng)電容濾波，由兩組二單元IGBT 模塊逆變橋臂實現(xiàn)負載（LC）串聯(lián)震蕩。從而實現(xiàn)AC-DC-AC，即將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡偻ㄟ^控制的方式將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢哉{(diào)節(jié)幅值大小和頻率大小的交流電。在加熱方式上，電磁感應(yīng)線圈纏繞在模具爐的內(nèi)膽外側(cè)，通過電磁感應(yīng)線圈的電能轉(zhuǎn)化為被加熱的金屬即模具爐內(nèi)膽的熱能，模具爐內(nèi)膽的熱能對爐膛內(nèi)的模具進行輻射和對流加熱，從而達到加熱模具的目的。

圖6 變頻控制電磁感應(yīng)加熱模具爐主電路模型

電磁感應(yīng)加熱的過程中，兩組二單元IGBT 模塊由電磁加熱控制器發(fā)送變頻脈沖信號進行導(dǎo)通和關(guān)閉。脈沖寬度調(diào)制控制技術(shù)為每個逆變橋臂上下兩只管子的驅(qū)動脈沖，相位互差180°，通過改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)負載電流大小［9］。變頻控制電磁感應(yīng)加熱模具爐升溫階段，電磁加熱控制器產(chǎn)生PWM（脈沖寬度調(diào)制）恒定電壓，并調(diào)制成ton1 寬度的脈沖電壓作用在二單元IGBT模塊2的4’、5’腳和二單元IGBT模塊1的6、7腳，從而導(dǎo)通電路向電容C2 和C1 充電，使電磁感應(yīng)線圈產(chǎn)生負幅值為Umax1正弦半波；相位相差180°后，關(guān)閉二單元IGBT 模塊2的4’、5’腳電壓脈沖和二單元IGBT模塊1 的6、7 腳電壓脈沖，調(diào)制成ton1 寬度的脈沖電壓作用在二單元IGBT模塊2 的6’、7’腳和二單元IGBT 模塊1 的4、5 腳，從而導(dǎo)通電路向電容C1 和C2 充電，使電磁感應(yīng)線圈產(chǎn)生正幅值為Umax1正弦半波。如此周而復(fù)始，便產(chǎn)生了幅值為Umax1，頻率為f1的正弦波，變頻控制電磁感應(yīng)加熱模具爐升溫階段變頻脈沖時序圖如圖7 所示。變頻控制電磁感應(yīng)加熱模具爐保溫階段，電磁加熱控制器調(diào)制的ton2 脈沖電壓遠小于ton1，從而使得正弦波的Umax2幅值小于Umax1幅值，而脈沖的頻率f2也會發(fā)生變化，以達到保溫時模具爐需要較小電能的目的。變頻控制電磁感應(yīng)加熱模具爐保溫階段變頻脈沖時序如圖8 所示。

圖7 變頻控制電磁感應(yīng)加熱模具爐升溫階段變頻脈沖時序

圖8 變頻控制電磁感應(yīng)加熱模具爐保溫階段變頻脈沖時序

3.2 運行狀況和特點

熱電偶是傳統(tǒng)的溫度傳感器，用途非常廣泛，但存在溫度測量精度差而使產(chǎn)生“過熱”現(xiàn)象。近年來在此基礎(chǔ)上發(fā)展出一種新的測溫原件——熱敏電纜：其利用熱電偶的熱電效應(yīng)，但測量的不是偶頭端部的溫度，而是沿熱電極長度上最高溫度點處的溫度。目前，已被廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域，預(yù)防、減少因“過熱”引起的事故和損失［10］。因熱敏電纜直接安裝在模具爐內(nèi)膽的發(fā)熱元件的鋼板上，檢測的是爐膛的溫度，在模具爐保溫階段，發(fā)熱內(nèi)膽的溫度和爐膛的溫度始終在設(shè)定溫度Ts上。變頻控制電磁感應(yīng)加熱模具爐溫升曲線如圖9所示。

圖9 變頻控制電磁感應(yīng)加熱模具爐溫升曲線

采用變頻控制、電磁加熱模式、IGBT 全橋開關(guān)模塊、熱敏電纜檢測技術(shù)后，模具的升溫速度快，溫度均勻性好，不會發(fā)生超溫現(xiàn)象，從而減少模具在加溫過程的異常率，提高模具的使用壽命。變頻控制電磁感應(yīng)加熱模具爐控制流程如圖10所示。

圖10 變頻控制電磁感應(yīng)加熱模具爐控制流程

4 應(yīng)用效果和分析

4.1 非電磁感應(yīng)模具爐

傳統(tǒng)的感應(yīng)爐其實并不適用于模具的加熱，因為型材模具的銳角較多，感應(yīng)加熱由于集膚效應(yīng)，在尖銳角處形成過燒，反而損壞模具，降低模具使用壽命。為了改善和避免這種情況，采用了在模具外包裹1個不銹鋼殼，加熱時先將不銹鋼殼加熱，然后靠不銹鋼殼的輻射熱來加熱模具［11］。2020 年底和2021年初，對擠壓A 廠的大部分模具爐進行了更換，采用變頻控制電磁感應(yīng)加熱模具爐替代原來的電阻式模具爐或紅外線模具爐，經(jīng)過統(tǒng)計，2020 年度擠壓A 廠使用非電磁感應(yīng)爐的全年模具異常率平均為20.67%，產(chǎn)品成品率為74.42%，其中，非電磁感應(yīng)模具爐在控制原理和加熱方式上會出現(xiàn)超溫加熱模具，會使模具的表面硬度降低，抗拉強度和屈服強度下降，從而導(dǎo)致在鋁擠壓使用過程中居高不下的模具異常率和較低的產(chǎn)品成品率。

4.2 電磁感應(yīng)模具爐

經(jīng)過統(tǒng)計2021年度擠壓A廠使用電磁感應(yīng)爐的模具異常率為15.60%，下降5.07%。2021年度擠壓A廠使用電磁感應(yīng)爐的產(chǎn)品成品率為76.13%，上升1.73%。使用模具箱式加熱爐對模具進行加熱時，模具能夠均勻受熱，可以加快平衡擠壓時的流速差，從而提高模具的使用壽命［12］。擠壓A 廠使用電磁感應(yīng)爐和非電磁感應(yīng)爐模具異常率曲線對比如圖11 所示，成品率曲線對比如圖12所示。

圖11 擠壓A廠使用電磁感應(yīng)爐和非電磁感應(yīng)爐模具異常率曲線對比

圖12 擠壓A廠使用電磁感應(yīng)爐和非電磁感應(yīng)爐的成品率曲線對比

5 結(jié)束語

（1）電磁感應(yīng)模具爐在控制原理和加熱方式上，能夠杜絕出現(xiàn)模具超溫加熱現(xiàn)象，從而使模具在加熱過程中表面硬度、抗拉強度和屈服強度不會出現(xiàn)較大幅度的下降。變頻控制電磁感應(yīng)加熱模具爐的應(yīng)用能有效降低模具加熱過程中的異常率，提高擠壓生產(chǎn)線的成品率。

（2）影響鋁擠壓模具壽命的因素由模具設(shè)計、模具制造、模具加熱和模具使用過程等諸多方面影響。電磁感應(yīng)模具爐的控制策略：模具爐的保溫溫度一般設(shè)置在480 ℃以內(nèi)，保溫時間控制在12 h以內(nèi)，以防止模具超溫加熱的情況發(fā)生，提高模具的使用壽命。

（3）因電磁感應(yīng)模具爐在實際的使用過程中使用熱敏電纜對爐膛的溫度進行檢測，熱敏電纜安裝不正確或脫落會導(dǎo)致電磁感應(yīng)模具爐在工作的過程中發(fā)生模具超溫加熱現(xiàn)象。因電磁感應(yīng)模具爐在實際的使用過程中使用循環(huán)風(fēng)機鼓風(fēng)對爐膛內(nèi)的模具進行均勻化受熱，循環(huán)風(fēng)機的損壞或故障會導(dǎo)致模具加熱過程的均勻性受到影響。