感應透熱裝置標準在國內外的創新發展

葛華山， 李亞逸， 肖國春, 姜玉明

1.西安電爐研究所有限公司 陜西西安 710061

2.蘇州振吳電爐有限公司 江蘇蘇州 215128 3.西安交通大學 陜西西安 710049

4.天津天高感應加熱有限公司 天津 300384

1 序言

感應熔煉和感應透熱是感應加熱的兩個主要應用領域。感應熔煉爐早在20世紀70年代就有其試驗方法和產品標準；然而由于感應透熱裝置的加熱方式、品種和規格較多且某些特殊性能的試驗又非常復雜，因此長期以來國內外一直無該裝置的試驗方法和產品標準，不利于該產品的發展。

為改變這種狀況，西安電爐研究所有限公司于2013年就進行這方面的預研和申報工作，最終感應透熱裝置的試驗方法和基本技術條件這兩項標準被列入國家標準化管理委員會2015年的國標計劃。與此同時，在感應透熱裝置試驗方法國標草案的基礎上，同時加緊起草相應的IEC標準。

為制訂上述兩項國標和相應IEC標準，2015年6月，全國工業電熱設備標準化技術委員會建立了由西安電爐研究所有限公司（以下簡稱西爐所）、蘇州振吳電爐有限公司（以下簡稱蘇州振吳）、西安交通大學、天津高頻感應加熱有限公司、無錫電爐有限責任公司和國家電爐質量監督檢驗中心（以下簡稱電爐檢驗中心）組成的“感應透熱裝置工作組”。

2016年8月19日，我國的IEC“電熱和電磁處理裝置——感應透熱裝置試驗方法”新工作項目提案經IEC/TC27 P成員國投票，獲全票通過而立項，標準編號為IEC 63078，并組成了以我國葛華山為首的，由中國、德國、瑞典和挪威專家組成的PT 63078項目工作組。感應透熱裝置試驗方法的國標和相應IEC標準同步進行。

2019年8月23日，IEC/TC 27對IEC 63078最終國際標準草案（FDIS）進行表決，又獲全票通過。我國主導的IEC 63078：2019[1]已于2019年11月正式發布，隨后我們根據該IEC標準對兩項國標的報批稿做了相應修改。該兩項國標GB/T 10066.32—2021[2]和GB/T 10067.36—2021[3]已于2021年5月21日正式發布，并于2021年12月1日實施。

上述三項標準適用于工作頻率為低頻、工頻或中頻（高至100kHz），為后續熱成形（如鍛造、擠壓和軋制等）而對金屬坯料或工件進行整體或局部透熱的感應加熱裝置，也可供熱處理和其他用途的感應加熱裝置以及超導直流感應透熱裝置參考。

2 開發感應透熱裝置系列標準的考慮

感應透熱裝置系列標準包括產品標準——GB/T 10067.36—2021《電熱和電磁處理裝置基本技術條件 第36部分：感應透熱裝置》、試驗方法——GB/T 10066.32—2021《電熱和電磁處理裝置的試驗方法 第32部分：感應透熱裝置》和安全標準等，前者為綜合性產品標準，需引用后兩者。關于安全標準，可直接引用新制定的GB/T 5959.1—2019《電熱和電磁處理裝置的安全 第1部分：通用要求》[4]和GB 5959.3—2008《電熱裝置的安全 第3部分：對感應和導電加熱裝置以及感應熔煉裝置的特殊要求》[5]。因此，開發感應透熱裝置系列標準的關鍵是先制訂試驗方法。

制訂感應透熱裝置產品標準和試驗方法的關鍵在于合理解決下列問題。.

1）提出感應透熱裝置特有的性能參數，包括確定適合裝置的能效參數。

2）對測定上述參數建立試驗方法。

3）試驗方法應適用裝置的不同加熱方式和多種主電路供電方式。

3 感應透熱裝置的產品標準

3.1 概述

GB/T 10067.36—2021主要由蘇州振吳和西爐所起草，是在GB/T 10067.1—2019[6]、GB/T 10067.3—2015[7]和蘇州振吳《感應電熱裝置》企業產品標準的基礎上制訂并作必要的補充和完善。

該標準制訂時，在產品分類、坯料傳送裝置和某些運行參數方面參考了文獻[8]，還參考了蘇州振吳的許多感應透熱裝置的產品設計和使用說明書。

該標準規定了感應透熱裝置的產品分類、技術要求、試驗方法、檢驗規則、標志、包裝、運輸、貯存以及訂購和供貨，具體內容詳見GB/T 10067.36—2021。

3.2 主要技術內容

該標準根據感應透熱裝置的特點對GB/T 10067.3—2015的主要技術內容作了如下補充和完善。

（1）產品分類 產品的品種、規格和型號： 裝置的品種按加熱方式可分為間歇加熱式、多級加熱式和連續加熱式，還可按坯料的材質分鋼、銅和鋁等，規格按被透熱坯料尺寸大小分。這些和坯料機械傳動裝置的不同型式，都反映在產品型號中。

產品的主要參數： 除感應電熱裝置常規的參數外，選定或新增適用于感應透熱裝置的有坯料尺寸、坯料溫度均勻度、裝置加熱效率和生產率，裝置的能效指標主要包括單位電耗和加熱效率。

（2）技術要求 主要涉及裝置的設計、制造、性能、安全和成套要求5個方面，在符合GB/T 10067.1—2019和GB/T 10067.3—2015第5章中有關規定的基礎上分別補充和完善如下。

1）對設計和制造的補充要求：主要涉及以下幾個方面。

一是感應透熱裝置的總體設計。

二是加熱感應器的一般要求、感應線圈、爐襯和導軌。

三是機械傳動裝置的一般要求以及坯料的裝料、傳送和卸料機構。

四是設備主電路，包括一般要求、感應透熱裝置的半導體變頻裝置和功率調整。

五是控制系統，包括一般要求、坯料溫度的監控和控制柜。

2）性能要求：補充了對額定頻率、額定溫度、坯料溫度均勻度、單位電耗和生產率、設備/裝置加熱效率和受熱構件表面溫升的要求。

特別提出了對設計和使用感應透熱裝置十分重要和實用的普通碳素鋼和有色金屬加熱到熱成形溫度時經濟的橫截面尺寸所對應的工作頻率、不同金屬材質和不同熱成形工藝的一些典型溫度、坯料溫度均勻度等指標和受熱構件表面溫升極限值5個表格。

3) 安全要求：除應符合GB/T 5959.1—2019和GB 5959.3—2008中與感應透熱裝置有關的規定外，還補充了對感應線圈所用的進出水軟管、不同中頻電壓下不同帶電體間的最小電氣間隙和爬電距離、饋電部分的易觸及處的保護和設備與柜體外殼接地的要求。

4）成套要求：提出了適合感應透熱裝置的成套要求。

（3）試驗方法 按GB/T 10066.1—2019[9]的相關規定和 GB/T 10066.32—2021規定執行。

（4）檢驗規則 按GB/T 10067.1—2019第7章相關規定,并列出了適合于感應透熱裝置的出廠檢驗和型式檢驗的項目。除常規檢驗項目外，主要包括感應線圈制造質量的檢驗、加熱感應器和加熱部分裝配尺寸檢測、加熱感應器的絕緣耐壓試驗、坯料溫度均勻度的測定、單位電耗和生產率的測定和設備/裝置加熱效率的測定。

（5）其他 關于“標志、包裝、運輸和貯存”和“訂購和供貨”兩章，作了相應的少許增減。

4 感應透熱裝置的試驗方法

4.1 概述

感應透熱裝置類別較多，主電路供電方式特別是其中半導體變頻電源形式多樣，控制操作系統較復雜，某些性能參數和運行特性如坯料溫度均勻度、保溫功率和能效參數的測定方法難度較大，因此國內外長期均無這方面的試驗方法標準。

在我國關于感應透熱裝置試驗方法的IEC新工作項目提案（27/977/NP）中，IEC/TC 27秘書處對所附的我國標準草案給出了很高評價：“該提案是對TC 27的一個重要貢獻，所建議的工作項目將給現有的試驗方法和安全標準增添新的內容，我們正在支持這個項目”。在對我國新工作項目提案的投票中，IEC德國國家委員會表示：“該工作項目能對感應加熱的廣泛應用做出重大的貢獻”。

GB/T 10066.32—2021的先行制訂，為我國主導制定IEC 63078：2019提供了基本草案，反過來該IEC標準的制訂又從國際層面來完善了國標。

本試驗方法的國標和IEC標準分別在GB/T 10066.1—2019《電熱和電磁處理裝置的試驗方法 第1部分：通用部分》和IEC 60398：2015的基礎上制訂，前者修改采用后者。IEC 60398：2015與其前版IEC 60398：1999《工業電熱裝置通用試驗方法》相比，在標準的適用范圍、試驗條件、試驗項目和試驗方法上都有巨大的變化。因此，本試驗方法不僅為首次制訂，而且無論在IEC和國內都是在新發布的IEC 60398：2015基礎上制訂專業試驗方法標準的首次嘗試。

試驗方法主要由西爐所和蘇州振吳負責起草。蘇州振吳和電爐檢驗中心對難度較大的坯料溫度均勻度、單位電耗、生產率和加熱效率的測定方法在多家用戶和實驗室分別進行了試驗驗證。

4.2 GB/T 10066.32—2021與IEC 63078：2019的主要差異

GB/T 10066.32—2021使用重新起草法修改采用IEC 63078：2019《電熱和電磁處理裝置 感應透熱裝置的試驗方法》。

GB/T 10066.32—2021的結構與IEC 63078：2019相比，除了將后者的“附錄DD （資料性附錄）安全試驗方法”刪除并將其三項安全試驗方法移至前者的“9 試驗方法”作為9.108～9.110外，其他完全相同。

GB/T 10066.32—2021與IEC 63078：2019的主要技術性差異及其原因如下。

1）GB/T 10066.32—2021在GB/T 10066.1—2019（IEC 60398：2015，MOD）的基礎上制訂，后者在采標時增加了不少與機械、真空和熱態有關的試驗項目和試驗方法，這使本部分的技術內容也相應擴展，更好地滿足了產品實際試驗的需要。

2）在4.4的“補充”中刪去了對測量儀表要求的內容，其在技術內容上與GB/T 10066.1—2019中的“4.8 測量儀表”重復。

3）將“8.2 冷態試驗”中的第一句改為“下列冷態試驗項目有關安全，是必選的：…”，其中“是必選的”是新增的，因為這有關安全。

4）IEC 63078：2019的“附錄DD 安全試驗方法”擬今后移至待修訂的IEC相關安全標準中，暫作為資料性附錄, 現把該附錄的三項安全試驗方法移至本部分的“第9章 試驗方法”作為規范性內容，這在技術上更為合理。

4.3 主要技術內容

本試驗方法規定了測定感應透熱裝置主要性能參數和運行特性的試驗程序、試驗條件和試驗方法。

本試驗方法根據感應透熱裝置的特點對GB/T 10066.1—2019（IEC 60398：2015）的主要技術內容作了如下補充和完善。

（1）術語和定義 新增30條術語，包括如下內容。

1）設備的三種加熱方式：間歇加熱、多級加熱、連續加熱。

2）裝置的主要參數：坯料額定溫度、坯料溫度均勻度、坯料橫向（徑向）溫差、坯料縱向溫差、設備的保溫功率、設備/裝置的單位電耗、裝置的生產率、設備/裝置的加熱效率。

3）試驗條件：設備的額定工作狀態、熱穩態、熱態和冷態。

其中，設備/裝置的單位電耗和加熱效率能全面、綜合地反映感應透熱裝置的能效狀況。加熱效率為在間歇加熱式裝置的一個完整作業周期中或連續加熱式和多級加熱式裝置的某較長規定時間段內，被透熱的合格坯料的有用焓增加與該設備或裝置的有功電耗之比。

（2）對試驗和試驗條件的基本要求 對“用能系統的試驗邊界”，補充了感應透熱裝置的試驗邊界，即增加感應透熱設備主電路和裝置控制系統的能耗。

對“試驗的一般要求”，主要補充以下內容。

1）完善試驗期間的安全要求，補充了IEC 60519-3：2005/ GB 5959.3—2008和應采取必要的防護措施的要求。

2）試驗分為冷態試驗和熱態試驗兩大類，并對試驗次序和條件提出要求。如熱態試驗應在冷態試驗合格后在新爐襯情況下進行，并對爐襯尺寸和材料、試驗坯料以及加熱和保溫的工藝等提出要求。當試驗應在熱態進行時，試驗前感應透熱設備應至少已運行了8h（取決于坯料大小或由制造廠和用戶商定）；如是新爐襯，則應至少已運行了24h。

3）對試驗時供電線路輸入端電氣數據與額定值的允許偏差和超偏時的處理規定。

4）感應透熱設備配有單獨的工頻變壓器時，供電線路輸入端電參數的簡化處理。

5）給出影響各規格感應透熱設備性能的因素。

對“試驗期間的環境條件”，補充了對冷卻回路冷卻水的入口、出口溫度應符合制造廠的規定并指出冷卻過度或冷卻不足均會影響能效參數的測量。

（3）設備或裝置的比較 GB/T 10066.1—2019（IEC 60398：2015）的規定適用。

（4）基本測量和工作負荷

1）對“頻率測量”，補充了對工頻和中頻測量儀器的精確度要求。

2）對“電參數的測量”，補充了對中頻電壓、電流、功率和電能測量儀器的精確度要求，應能顯示真實有效值（RMS），而與波形無關；補充了感應透熱設備的主電路和機電附屬設備供電電路各電氣參數的測量位置。

3）對“工作負荷”，補充了對試驗坯料的材質、形狀、尺寸和表面狀況等要求。

（5）數值模擬 在許多情況下，由于不可接近、太復雜、成本過高或測量設備不可獲得，因此使測量不可能進行。在這種情況下，可以用數值計算代替。GB/T 10066.1—2019的第7章給出了進行數值模擬試驗的最低通用要求。測定坯料溫度均勻度的數值模擬法見GB/T 10066.32—2021的附錄CC。

（6）試驗項目 有別于IEC其他試驗方法，本標準把有關安全和機械方面的試驗項目也考慮進去，以建立一套適合于感應透熱裝置的完整試驗項目。本標準冷熱態試驗項目所列的為感應透熱裝置特有的、安全必選的和/或其試驗方法有修改的，如加熱感應器的絕緣耐壓試驗，以及保溫功率、坯料溫度均勻度、單位電耗、生產率和設備/裝置加熱效率的測定等。

（7）試驗方法 在GB/T 10066.1—2019第9章的基礎上補充了上述冷熱態試驗項目所列項目的試驗方法，以坯料溫度均勻度、保溫功率、單位電耗和生產率的測定最為復雜，難度最大，現分述如下。

1）坯料溫度均勻度的測定：在研制其測定方法時經不斷研究和試驗主要解決下面關鍵技術。

第一，確定三個合適表征感應透熱坯料溫度均勻程度的參數。

第二，補充了一般要求和測量條件，補充了對測定時感應透熱設備和試驗坯料所處熱狀態，溫度測量、測溫時長、所用儀表和傳感器，試驗用坯料以及避免溫控點位置對坯料溫度均勻度測定影響的規定。

第三，建立適用于間歇加熱、多級加熱和連續加熱的試驗方法。實踐表明，只要連續運行足夠長時間，后兩種加熱方式可作相同的處理。

第四，建立適應不同需求和實際生產現狀的三種測量方法，即表面測量法、熱電偶埋入測量法和數值模擬法。

第五，合理布置測溫點，需考慮坯料的形狀和大小、感應加熱的特點和實際測溫的方便和可操作性等因素。

第六，建立坯料溫度均勻度的測定計算方法。

具體詳見文獻[8]和GB/T 10066.32—2021的附錄CC。

2）保溫功率的測定：設備的保溫功率是為使規定坯料維持在規定溫度，以達到均溫目的而向感應透熱設備主電路供給的有功功率。對具有幾個加熱感應器且其中一個專用于坯料保溫的連續加熱式和多級加熱式設備，特別解決了加熱和保溫的加熱感應器都由同一個整流變壓器或同一個整流器供電的情況下（后者如采用串聯逆變器的“一拖多”時），相關保溫電耗或功率的測量方法和最終設備保溫功率的計算方法。

3）單位電耗和生產率的測定：其測定方法基本類同一般間歇式和連續式電熱裝置，但在計算時按GB/T 10066.1—2019的要求，試驗坯料質量為試驗期間被感應透熱坯料中合格坯料的總質量。對局部透熱的情況，在進行計算時應考慮所生產合格坯料被透熱部分的總質量。

5 結束語

在該三項標準制訂過程中，為驗證裝置坯料溫度均勻度、加熱效率、單位電耗和生產率等測定方法，電爐檢驗中心2015年10月分別在一汽鍛造（吉林）公司的兩臺感應透熱裝置上、南京鋼鐵公司的一臺感應透熱裝置上，以及蘇州振吳2016年7月在其感應加熱實驗室，都做了大量試驗，并作了相應修改和完善，確保其可行性、合理性和準確性。其中，坯料溫度均勻度測定的難度和工作量最大，有關其試驗情況和結果見相關文獻[10]。

這三項標準的制訂填補了國內外感應透熱裝置標準的空白。在電熱設備標準領域，IEC 63078：2019是由我國獨家主導新制定的第一項IEC國際標準。感應透熱裝置試驗方法的國家標準和國際標準的先后依次和同步制定，以及相互密切交流和借鑒，為我國標準走向世界提供了一個新的途徑和豐富的實踐經驗。

感應透熱裝置及其在熱成形工藝上的廣泛應用涉及眾多行業，其產品標準和試驗方法的制訂和實施將促進該裝置的開發及其產品質量的提高，其效益是顯著和多方面的。