熱鍍鋅退火爐電磁感應加熱器應用及故障預防

田 才，薛紅金，金 琳，孔詳明，王建華，李志鵬

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司冷軋作業部，河北 唐山 063210）

隨著汽車輕量化和安全標準的要求逐年提高，冷軋高強鋼的使用比例逐漸提高，電磁感應加熱器是冷軋熱鍍鋅機組開發超高強鋼及特殊鋼種重要工藝設備，帶鋼經感應加熱器可以快速提溫，高強鋼具有非常高的強度和屈強比，感應加熱器穩定運行作為超高強鋼生產的工藝設備保證前提，因故障會導致產品無法生產，甚至造成開爐一般性事故發生。查閱感應加熱器控制的相關文獻對其原理的研究和介紹比較寬泛，本文結合電磁感應加熱器使用過程故障案例，對其具體原理進行分析研究，發現了使用過程中存在的問題并提出了優化，對其他生產線具有一定的借鑒意義。

1 設備組成及工作原理

電磁感應加熱器主要分類為：邊部感應加熱器、縱磁感應加熱器、橫磁感應加熱器等，立式退火爐主要應用為橫磁、縱磁兩種感應加熱器較多，縱切感應加熱器在立式退火爐中運用更為廣泛。

1.1 電磁感應加熱器系統組成

系統主要有電源柜、感應體、冷卻單元、控制柜四部分組成：

1）電源柜主要由框架斷路器、整流橋、逆變橋、高頻電容器組、濾波器、保護測量電路和水冷管路組成，電源柜通過銅排向感應體供電，將工頻交流電變為高頻電源，通過高頻電容與感應體形成并聯諧振電路，進而在感應體中形成交變磁場。

2）感應體由有源繞組（電感線圈）、屏蔽層、密封層及焊接殼體組成。電感線圈一般有兩種形式，其一銅管繞制而制成，內部通冷卻循環水冷卻；另一種形式銅板線圈，背部焊接冷卻銅管形式。利用電磁感應定律，使被加熱帶鋼在磁場中產生感應電動勢，隨之形成的渦流引起焦耳熱效應達到加熱目的。

3）冷卻單元主要由換熱器、水循環管道、循環水泵、應急泵、三通閥、樹脂罐、補水罐、控制柜及測量傳感器組成。脫鹽水為設備冷卻內循環，工業水為冷卻外循環，兩者通過板式換熱器進行熱量交換。循環水泵2 臺互為備用且自動切換，當水冷單元異常情況發生故障時將自動切換應急泵，此時將切斷感應器電源并只對感應體線圈進行降溫。當電導率計檢測內循環水電導率升高時將開啟樹脂管水循環降低冷卻水電導率，保證內循環冷卻水滿足使用需求。通過冷卻水循環冷卻保證了電源柜和感應體的運行溫度。

4）控制柜一般集成在電源柜本體上或者單獨一臺控制柜，主要由西門子S7-300/1500 PLC 及觸摸屏等電器原件組成，通過交換機與主線爐區PLC 通訊進行數據交換，通過自定義數據塊接受、發送相關信息，判斷感應加熱器與爐區PLC 數據通訊正常，監控電源柜內電流、電壓、水流壓力、循環泵、閥門等動作狀態，感應加熱器內部自由溫度控制程序，實現感應器溫度閉環控制。

圖1 感應加熱器組成

1.2 電磁感應加熱器工作原理

基于法拉第電磁感應定律，在被加熱帶鋼區域設置一組感應線圈，線圈中流過高頻電流時，產生交變磁場，在帶鋼上產生渦流效應，實現對帶鋼加熱。

圖2 感應加熱原理

2 系統功率設定及控制原理

2.1 功率設定

常見功率設定分為直接功率給定和功率計算兩種模式，兩種模式均可以通過本地/遠程兩種方式進行設定。

2.1.1 直接功率給定

本地模式下，在控制柜通過HMI 觸摸屏面板設定功率給定，將實際功率顯示為直觀的柱狀圖，屬于溫度開環控制，常用于感應加熱調試初期單體測試階段。

2.1.2 遠程功率給定

遠程模式下，通過退火爐HMI 界面設定，通過爐區PLC 與感應器PLC 數據通訊進行給定，感應加熱器PLC 收到的遠程直接功率給定值后進行功率輸出，其次在HMI 界面設定感應加熱功率值，設定值發送給感應加熱PLC，接受到設定功率后感應加熱實現功率控制。另外在HMI 界面設定帶鋼加熱溫度，設定溫度發送給感應加熱PLC，接受到設定溫度后感應加熱功率計算實現溫度閉環。

2.2 功率計算

在遠程或本地模式下，如果開啟功率計算，通過感應器PLC 內部功率模型計算輸出功率。該計算功率取決于帶鋼的寬度、厚度、感應器出口設定溫度、感應器入口溫度、環境溫度、帶鋼的輻射系數、帶鋼的速度。另外可以通過退火爐控制器內部根據溫度設定溫度控制模式，最后計算出需求功率發送感應器PLC 控制器，進行功率輸出。

遠程模式下啟動功率計算時，帶鋼參數通過通訊下發到感應加熱器控制器中，帶鋼相關參數變量通過DB 數據塊進行傳送。傳送帶鋼信息數據塊見表1。

表1 傳送帶鋼信息數據塊

其次，功率計算相關參數可以通過感應加熱器控制柜本地HMI 觸摸屏手動輸入設定，此不利于功率計算的及時性，無法跟隨帶鋼信息變化進行更新，只適應于初始單體調試階段。

2.3 功率模型

感應加熱器功率計算通過PLC 內部功率模型產生，功率模型程序塊為FB 塊，背景數據塊為DB，當本地或遠程功率計算開啟時，將模型計算功率下發到控制板內（模型功能塊見圖3），將需求功率輸出。功率模型參數說明如表2。

圖3 功率計算模型功能塊

表2 功率模型參數

2.3.1 加熱功率

帶鋼加熱功率Pt通過帶鋼質量、加熱溫度和比熱容計算，計算公式如下：

式中：Me為單位時間內通過感應器的帶鋼質量，kg/s；DT為需要提高的帶鋼溫差，Cp為帶鋼的比熱容。

單位時間內通過感應加熱器的帶鋼質量通過下式計算：

2.3.2 輻射損耗

帶鋼輻射損耗功率Py計算方法如下：

式中：當STIT，Ty=（ST+IT）/2。

2.3.3 對流損失

對流損失Pv的計算方法為：

2.3.4 計算功率

計算功率P 通過加熱功率、輻射損耗、對流損失進行計算，計算方法如下：

2.3.5 輸出功率

輸出功率Pc為功率模型的最終輸出功率，該功率值通過模擬量接口發送至控制器主板或直接設定功率通過PLC 模擬量4～20 mA 端口輸出輸出功率。具體計算方法如下：

3 常見故障及措施

3.1 故障描述

1）感應體線圈燒壞故障，感應體線圈由銅管繞制而制成，內部通冷卻循環水降溫，當冷卻水系統發生故障時，冷卻水停止運行，造成線圈內部在高溫環境下線圈發熱局部燒漏，冷卻水流入退火爐膛，造成爐內氣氛異常，無法滿足生產，被迫機組停機更換感應體。

2）感應體屏蔽層采用銅板加水冷管結構形式，因銅板較薄，水冷管采用點焊加耐高溫導熱膏粘接而成，當冷卻水停止或者水路內部有雜質堵塞造成局部高溫，水冷管燒裂故障。

3）感應體線圈表層無絕緣處理，在退火爐靠近鋅鍋附近有鋅灰或者氧化鐵皮等金屬粉塵導電介質附著在線圈表面，造成線圈內部爬電產生電弧將線圈冷卻水管擊穿。

4）感應體線圈與屏蔽層間無密封或者密封效果差，退火爐內高溫氣溫進入，長時間高溫氣氛容易將線圈支撐架氧化，造成支架斷裂或者電弧故障。

3.2 優化措施

1）優化線圈結構形式由銅管改為銅板，銅板結構形式不僅自身冷卻缺陷，可以有效地避免管式線圈停水燒漏。

2）優化屏蔽層結構形式，將屏蔽層改為全鋁無需冷卻水管，減少漏水風險，同時將鋁殼設計成可拆卸式，打開外殼檢查感應體線圈內部清潔度及滲水情況。

3）對線圈表面增加絕緣處理，將對表面進行噴涂絕緣漆，可以根據溫度工況需要選擇絕緣漆的類型。

4）優化密封結構形式，在線圈與感應體屏蔽層間增加雙密封氣囊式密封套，然后通過密封套進行密封隔離保護。并在密封套中間通入氮氣進行保壓，防止爐內氣氛進入感應體內部，密封套內有壓力、流量檢測傳感器，當壓力報警時停機檢查密封套的完好性，保證密封有效性，徹底將爐內氣氛與感應器線圈隔離開，有效避免線圈進入粉塵。

5）感應加熱器水系統穩定運行是根本保障，如何確保水系統穩定，以下幾方面進行預防。

外循環水路設置應急水系統，當外循環水系統發生故障停用時，應急水進入外循環管路，確保對內循環水換熱功能。

內循環冷卻水系統配置循環泵一備一用，設置1 臺應急供電泵，當冷卻循環水1 臺泵故障時備用泵自動啟動，其次2 臺主循環泵停止后應急泵自動切換投用。

增加冷卻水補液罐液位傳感器低液位報警，及時提醒操作人員關注補水系統，防止冷卻內循環管路水流量不足，降溫能力下降。

優化主回路壓力過高主泵停止邏輯，壓力高報警觸發后延時20 s 切換至UPS 泵啟動，壓力穩定后界面復位切回主泵運行。

感應器CPU 掉電或者停止模式時，增加硬線連鎖切至應急泵運行，確保內循環冷卻水系統運行。

4 結語

通過對退火爐電磁感應加熱器原理及常見故障的原因進行分析，給出了有效預防措施。在立式退火爐中使用過程感應加熱器故障風險點較大，通過案例分析及同類型環境下使用經驗，驗證了文中制定措施切實有效，為國內同類機組的故障預防及處理方法提供了重要借鑒，減少了機組長時間停機，能通過快速升溫，提高生產效率，而且能通過感應加熱來大幅提高高強鋼的性能，給使用和維護帶來便利。