鍛件中頻加熱爐的應(yīng)用分析

文/賈秀臣，徐萬(wàn)湖，王汝秀，程志旗，高波·中國(guó)重型汽車集團(tuán)濟(jì)南鑄鍛中心

鍛件中頻加熱爐的應(yīng)用分析

文/賈秀臣，徐萬(wàn)湖，王汝秀，程志旗，高波·中國(guó)重型汽車集團(tuán)濟(jì)南鑄鍛中心

賈秀臣，設(shè)備動(dòng)能部設(shè)備技術(shù)員，助理工程師，主要從事電氣設(shè)備的維修、保養(yǎng)工作，并積極參與企業(yè)的節(jié)能降耗工作，主持完成多項(xiàng)設(shè)備技術(shù)改造，其中MP8000T轉(zhuǎn)向節(jié)冷卻線余熱的再利用項(xiàng)目獲得重汽集團(tuán)優(yōu)秀成果二等獎(jiǎng)。

中頻感應(yīng)加熱的基本原理是當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)或處在變化的磁場(chǎng)中時(shí)，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)體內(nèi)部形成渦流，引起較大的渦流損耗。中頻感應(yīng)加熱即是依靠這些渦流的能量達(dá)到加熱目的。感應(yīng)加熱具有加熱效率高、速度快、可控性好及易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)。看不見摸不著的電磁場(chǎng)一旦變身高效的“熱場(chǎng)”，可比傳統(tǒng)加熱方式節(jié)電30%左右，其加熱效率高達(dá)90%。故感應(yīng)加熱技術(shù)在鍛件棒料加熱方面更有優(yōu)勢(shì)。

近年來(lái)，我國(guó)汽車工業(yè)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，它的發(fā)展極大的促進(jìn)了鍛壓行業(yè)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步。鍛造加熱部分是整個(gè)鍛造過程中極為重要的一環(huán)，其主要功能是提高坯料的塑性，降低變形抗力，使之易于成形，并獲得良好的鍛后組織。加熱設(shè)備的正確選擇對(duì)提高鍛造生產(chǎn)效率，降低能源消耗，減少環(huán)境污染，都有關(guān)鍵的作用。

目前傳統(tǒng)的鍛件加熱爐有天然氣加熱爐、燃煤爐等，它們的熱氧化損耗率較高，天然氣爐加熱的氧化燒損率為2%，燃煤爐氧化燒損率達(dá)到3%，如此高的燒損率勢(shì)必造成原材料的浪費(fèi)。隨著社會(huì)的發(fā)展和人們環(huán)保節(jié)能意識(shí)的提高，天然氣爐等傳統(tǒng)加熱設(shè)備逐漸暴露出了各方面的缺陷與不足：首先在開始加熱鍛件之前，必須先對(duì)爐子進(jìn)行預(yù)加熱，因此要消耗許多本不需要的能源，增加了鍛件成本；另外大規(guī)模鍛件生產(chǎn)必然會(huì)選用容量較大的加熱爐，設(shè)備占地面積大，維護(hù)成本高，使用一段時(shí)間后要停爐檢修、砌筑；而且傳統(tǒng)加熱爐燃燒的溫度波動(dòng)較大，不利于爐溫的精確控制，嚴(yán)重影響鍛件產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用于鍛件加熱的優(yōu)越性

要解決以上傳統(tǒng)加熱設(shè)備帶來(lái)的種種不足，就必須盡快找到一種或多種新型的生產(chǎn)加熱方式，并應(yīng)用到鍛件生產(chǎn)中。電磁感應(yīng)加熱爐即是其中一種理想的加熱生產(chǎn)設(shè)備。其優(yōu)點(diǎn)如下：

⑴由于中頻感應(yīng)加熱的原理為電磁感應(yīng)，非接觸式加熱，加熱方式升溫速度快，所以氧化極少，加熱效率高，工藝重復(fù)性好。

⑵操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，選用自動(dòng)上料和自動(dòng)出料分檢裝置,可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)無(wú)人操作。

⑶加熱均勻，溫控精度高，感應(yīng)加熱易實(shí)現(xiàn)均勻加熱。溫度調(diào)節(jié)方便，穩(wěn)定性好,可靠性高,功率精密連續(xù)可調(diào)，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確控制。

⑷感應(yīng)加熱與其他加熱方式相比，加熱效率高、能耗低、無(wú)污染。

⑸作業(yè)環(huán)境好，幾乎沒有熱、噪聲和灰塵；設(shè)備占地面積小，生產(chǎn)效率高。

⑹中頻感應(yīng)加熱鍛件的氧化燒損率僅為0.5%，加熱每噸鍛件比傳統(tǒng)加熱爐節(jié)約鋼材原材料20～50kg。

對(duì)鍛件的大批量生產(chǎn)而言，感應(yīng)加熱解決了傳統(tǒng)鍛件生產(chǎn)線難以聯(lián)機(jī)生產(chǎn)的難題。對(duì)于感應(yīng)加熱裝置，可頻繁地起停、控制溫度的精度高、自動(dòng)化程度高，這樣就使鍛件質(zhì)量的進(jìn)一步提高成為可能；檢修其他設(shè)備或因故停機(jī)時(shí)，可將感應(yīng)電源暫時(shí)關(guān)閉，既節(jié)約了能源，又能保證故障排除后及時(shí)恢復(fù)生產(chǎn)，適合現(xiàn)代環(huán)保、自動(dòng)化的要求。

我單位轉(zhuǎn)向節(jié)生產(chǎn)線采用成形鍛壓技術(shù)，對(duì)坯料的溫度、透熱程度、尺寸、重量等有非常嚴(yán)格的要求，采用傳統(tǒng)的天然氣加熱不僅很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連線，也無(wú)法保證產(chǎn)品的鍛后質(zhì)量。而采用中頻感應(yīng)加熱爐就會(huì)大大提高鍛件的產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)節(jié)拍，改善職工的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，節(jié)約原材料。

感應(yīng)加熱技術(shù)原理

鍛件中頻感應(yīng)加熱爐是一種將工頻50Hz交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹蓄l(300Hz以上至20kHz)的電源裝置，把三相工頻交流電，整流后變成直流電，再把直流電變?yōu)榭烧{(diào)節(jié)的中頻電流，供給由電容和感應(yīng)線圈里流過的中頻交變電流，在感應(yīng)圈中產(chǎn)生高密度的磁力線，并切割感應(yīng)圈里盛放的金屬棒料，在金屬材料中產(chǎn)生很大的渦流。我單位轉(zhuǎn)向節(jié)生產(chǎn)線就是把根據(jù)工藝尺寸制作好的棒料段放在有交變中頻電流的感應(yīng)線圈里，圓柱體棒料并沒有與感應(yīng)線圈直接接觸，圓柱體料段由于受到感應(yīng)磁場(chǎng)的作用而被“加熱”，而且這種“加熱”的深度和速度只要調(diào)節(jié)頻率大小和電流的強(qiáng)弱就能進(jìn)行控制。

感應(yīng)加熱是把電能通過電磁能的相互轉(zhuǎn)換，最終轉(zhuǎn)化成金屬內(nèi)部的熱能，達(dá)到加熱的目的。感應(yīng)加熱的原理，如圖1所示。

圖1 感應(yīng)加熱的原理

交變的電流i通過感應(yīng)線圈時(shí)，由于電流的磁效應(yīng)，會(huì)在線圈內(nèi)部產(chǎn)生相同頻率的交變磁通。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，置于交變的磁通中的金屬工件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e，顯然，這也是一個(gè)交變的等頻率正弦量，并且相位上有90°的延遲。可以得到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值E。由于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與頻率高低和磁場(chǎng)的強(qiáng)度成正比。因此，可以通過提高振蕩頻率和磁場(chǎng)強(qiáng)度的方法來(lái)提高感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

由分析可見，感應(yīng)加熱是靠感應(yīng)線圈把電能轉(zhuǎn)化為金屬內(nèi)部的熱能。感應(yīng)線圈與被加熱金屬并不直接接觸，能量是通過電磁感應(yīng)傳遞的。另外需要指出的是，感應(yīng)加熱的原理與一般電氣設(shè)備中產(chǎn)生渦流以及渦流引起發(fā)熱的原理是相同的，不同的是在一般電氣設(shè)備中渦流是有害的，而感應(yīng)加熱卻恰恰是利用渦流的熱效應(yīng)進(jìn)行加熱的。

這樣，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在工件中產(chǎn)生感應(yīng)電流(渦流)，使工件加熱。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和發(fā)熱量與頻率高低和磁場(chǎng)強(qiáng)弱有關(guān)。感應(yīng)線圈中流過的電流越大，其產(chǎn)生的磁通也就越大，工件中產(chǎn)生的渦流也越大；同樣提高工作頻率也會(huì)使工件中的感應(yīng)電流加大，從而增加發(fā)熱量，使工件升溫加快。另外，渦流的大小還與金屬的截面大小、截面形狀、導(dǎo)電率、導(dǎo)磁率以及透入深度有關(guān)。

感應(yīng)加熱的整個(gè)過程是這樣的，首先通過感應(yīng)線圈把電能轉(zhuǎn)化成磁能，交變的磁場(chǎng)產(chǎn)生同頻率交變的電動(dòng)勢(shì)E，交變電動(dòng)勢(shì)E作用于金屬工件后，形成閉合回路，在工件表面產(chǎn)生電流（即渦流），電流的流動(dòng)對(duì)工件進(jìn)行加熱。

效益分析

我單位轉(zhuǎn)向節(jié)中頻感應(yīng)加熱爐現(xiàn)已經(jīng)投產(chǎn)，其節(jié)能效果顯著，改造前后的原材料燒損量比較見表1。

表1 改造前后的原材料燒損量比較

在生產(chǎn)過程中遇到設(shè)備故障、工裝損壞、工藝缺陷等問題需要中停時(shí)，中頻感應(yīng)加熱爐由于升溫速度快、氧化皮薄，工藝重復(fù)性好，可大大降低產(chǎn)品的廢品率和返修品率。2014年減少?gòu)U品損失大約45萬(wàn)元。

天然氣爐加熱熱量流失高，加熱效率低。而中頻感應(yīng)加熱爐加熱時(shí)坯料相當(dāng)于負(fù)載，爐膛內(nèi)無(wú)坯料時(shí)負(fù)載消失，幾乎沒有電能浪費(fèi)，加熱效率遠(yuǎn)高于天然氣加熱，年可節(jié)約能源費(fèi)用70萬(wàn)元左右。

由于天然氣爐加熱升溫緩慢，冷爐加熱時(shí)間長(zhǎng)（一般為3小時(shí)左右），影響第一班的班產(chǎn)量；且加熱效率低，每爐料段鍛打完成后，存在待料時(shí)間，在一定程度上制約著生產(chǎn)效率的提高，改造前轉(zhuǎn)向節(jié)班產(chǎn)量為350件左右。中頻感應(yīng)電爐加熱升溫快，生產(chǎn)過程中可連續(xù)生產(chǎn)，減少了等待料段加熱的時(shí)間，經(jīng)測(cè)算班產(chǎn)量可達(dá)到420件。天然氣爐加熱需要2人操作，且勞動(dòng)強(qiáng)度大；中頻感應(yīng)加熱爐僅需1人操作即可。

天然氣爐煙氣排放中含有大量二氧化碳和少量的二氧化硫。二氧化碳為溫室氣體，二氧化硫?yàn)橛泻怏w污染環(huán)境；再加上天然氣爐密封不嚴(yán)，部分煙氣直接排放到車間內(nèi)，嚴(yán)重影響一線員工的作業(yè)環(huán)境。中頻感應(yīng)加熱爐投入后有效的改善車間的工作環(huán)境，大大降低了有害氣體的排放量。

結(jié)束語(yǔ)

中頻感應(yīng)加熱爐不僅為我單位帶來(lái)了以上效益，而且在產(chǎn)品質(zhì)量方面也有很大提高。正是由于中頻感應(yīng)加熱爐所具有的一些其他加熱方式不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，如加熱效率高、加熱速度快、被加熱物的表面氧化少、溫度容易控制、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、作業(yè)環(huán)境好、幾乎沒有噪聲和灰塵污染、設(shè)備占地面積小、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)一進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，就在中國(guó)鑄鍛行業(yè)引起了革命性的發(fā)展，特別是汽車零部件生產(chǎn)廠紛紛推行。盡管由傳統(tǒng)的加熱爐改造為中頻感應(yīng)加熱爐需要大量的資金投入，但綜合其節(jié)能效果、生產(chǎn)能力、提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面，前期的投資還是值得的！