文／Michael Padberg，Dr. Erwin D?tsch·ABP感應(yīng)公司

譯／程震武·埃博普感應(yīng)系統(tǒng)(上海)有限公司

高效節(jié)能的鍛造坯料感應(yīng)加熱方式

文／Michael Padberg，Dr. Erwin D?tsch·ABP感應(yīng)公司

譯／程震武·埃博普感應(yīng)系統(tǒng)(上海)有限公司

現(xiàn)代生產(chǎn)對鍛造工藝不斷提出新的技術(shù)要求：高產(chǎn)能、高精度以及高度的靈活性，這迫使人們以新的策略和創(chuàng)新思維滿足不斷出現(xiàn)的新的技術(shù)要求。

加熱工藝的優(yōu)劣以及重復(fù)精度對鍛造成形工藝有重要影響。首先，必須確保坯料具有成形所需的合理溫度；其次，軸/徑向溫度分布均勻。但是這與降低氧化皮和粘結(jié)的要求相矛盾。另外一個(gè)需要引起高度重視的是與日益上升的能耗成本相關(guān)的節(jié)能問題，對在鍛造坯料加熱過程中能源的利用效率提出了更高的要求。因此，根據(jù)客戶要求以及適應(yīng)加熱工藝是獲取高度可靠性和生產(chǎn)效率至關(guān)重要的因素。

6年前，對鍛造加熱系統(tǒng)的基本要求是產(chǎn)能高，加熱的重復(fù)精度高，關(guān)于如何最優(yōu)使用能源的問題只是在能源價(jià)格高企的情況下談?wù)摰囊粋€(gè)話題，同時(shí)關(guān)于如何減少CO2及保護(hù)資源的問題也只是在泛泛地談?wù)?。隨著時(shí)代的進(jìn)步，能源的利用效率已變得越來越重要，成為了與滿足工藝要求同樣重要的問題。高水平的工廠管理及工藝優(yōu)化是提高能源利用率的重要手段之一。在本文中，我們將首先分析各部分的能耗在系統(tǒng)中所占的比例，然后探討節(jié)能的潛力。

感應(yīng)加熱系統(tǒng)的能量消耗

如圖1所示是典型的中頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)，它由下列部分組成：

⑴感應(yīng)器及耐火材料，驅(qū)動(dòng)夾輥及滑道；

⑵電源、變壓器、逆變器及負(fù)載匹配電容；

⑶附屬設(shè)施，如上料、出料及感應(yīng)器和電源的冷卻系統(tǒng)等。

圖1 典型的中頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)

鍛造加熱系統(tǒng)的能耗分配如圖2所示，這是一個(gè)典型的750kW的加熱系統(tǒng)，產(chǎn)能為1800kg/h，工件溫度為1250℃，加熱工件到1250℃所需的熱焓值為221kWh/t，值得注意的是，該溫度不是在出料口測試的表面溫度，而是工件的平均溫度。下面我們就以此典型的加熱系統(tǒng)為例討論如何在各部分實(shí)現(xiàn)能量的高效利用。

圖2 ABP IGBT分區(qū)控制技術(shù)典型加熱系統(tǒng)的能量平衡表

感應(yīng)加熱系統(tǒng)各部分能量的高效利用

變壓器

在鍛造加熱系統(tǒng)中有兩種變壓器受到廣泛的使用，一種是油冷式，另外一種是干式，兩者都采用鋁或銅作為變壓器的線圈。變壓器型號(hào)不一樣，其效率也不一樣(97%～99%)。效率最高的變壓器所要求的成本也最高，當(dāng)變壓器效率在98%左右時(shí)，應(yīng)該是最經(jīng)濟(jì)和最環(huán)保的。在整個(gè)系統(tǒng)中，變壓器的節(jié)能是十分有限的，沒有多少空間。

中頻電源

加熱效果與加熱線的總長度、感應(yīng)器的數(shù)量和功率以及頻率都有直接關(guān)系。單一電源加熱的加熱系統(tǒng)，只能實(shí)現(xiàn)對某一特定規(guī)格、特定產(chǎn)量條件下的坯料的加熱，單獨(dú)設(shè)計(jì)與之相適應(yīng)的最優(yōu)化的溫度分布，最少的氧化皮以及最低的粘結(jié)率和能耗。這可以通過選擇合適的感應(yīng)器匝數(shù)以及工作頻率(單一電源，單一頻率)來實(shí)現(xiàn)，由于頻率單一，故而無法采用最優(yōu)化的頻率加熱不同加熱工藝階段的坯料。比如在坯料最初預(yù)熱階段，此時(shí)坯料還處于鐵磁體狀態(tài)，比較適合采用低頻率加熱以便不僅僅加熱坯料的表層，同時(shí)也深入加熱坯料內(nèi)部；在加熱的中間階段，坯料表面溫度介于居里溫度和所需的鍛造溫度之間，此時(shí)適合采用比預(yù)熱階段高的頻率加熱以降低能耗；在最后階段，主要目的是彌補(bǔ)表面與中心溫度之間的溫差以獲得理想的軸/徑向溫度分布，這時(shí)需要采用比中間升溫階段高的頻率加熱以補(bǔ)償表面散熱。采用獨(dú)立控制、以不同頻率向各區(qū)線圈獨(dú)立供電的新技術(shù)后，盡管各個(gè)階段所需功率不同，但我們?nèi)阅懿捎迷褦?shù)相仿的感應(yīng)器，這樣同一感應(yīng)器就可以用于任何加熱階段，從而可有效地減少備用感應(yīng)器的數(shù)量。

圖3 IGBT模塊

一般中頻電源的能耗在6%～8%之間，分別為以下部分的消耗：整流部分、匹配電容部分、傳輸部分的線損。通過一體化設(shè)計(jì)后，線損和電容部分的損耗最優(yōu)可控制在2.7%。SCR電源與IGBT電源在線損上有較大差別，IGBT模塊化設(shè)計(jì)(圖3)代表最先進(jìn)的電源技術(shù)，比SCR電源減少能耗達(dá)1%。結(jié)合傳統(tǒng)SCR電源的優(yōu)點(diǎn)，無論是在滿負(fù)載還是部分負(fù)載的情況下，IGBT電源的功率因數(shù)都能達(dá)到0.95以上。由于IGBT技術(shù)的采用，整個(gè)電源部分的能耗可以控制在6%的底限。IGBT器件可以采用非直接冷卻的方式，冷卻水不需要通過狹窄的通道，而是通過專用的冷卻器，這樣對冷卻水的要求可以不太高，使用普通的自來水就可以實(shí)現(xiàn)感應(yīng)器及電源的冷卻。

圖4 水冷感應(yīng)器滑軌

圖5 非水冷感應(yīng)器滑軌

感應(yīng)器

在中頻鍛造加熱系統(tǒng)中，20%的電源能耗是由感應(yīng)器消耗的，產(chǎn)生這一結(jié)果的原因是感應(yīng)器的電阻。感應(yīng)器諧振回路里通過有幾千安培的電流，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，因此感應(yīng)器銅管需要持續(xù)地冷卻，為了有效地利用能源，看似利用冷卻水的余熱可以達(dá)到節(jié)能的目的，但事實(shí)上感應(yīng)器冷卻水的溫度只有80℃左右，很難利用它來洗澡或用于其他用途。

改變感應(yīng)器銅管的幾何尺寸、采用不對稱的銅管可以降低能耗，加熱面的銅管厚度比非加熱面厚，這樣就可以改變感應(yīng)器回路的諧振特性，從而改善耐火爐襯的壽命。

感應(yīng)器內(nèi)的滑軌分為水冷滑軌(圖4)和非水冷滑軌(圖5)。水冷滑軌的能耗大概為4%，非水冷滑軌能提高能源利用率，但它們的使用均受到坯料直徑的限制，坯料的直徑不能大于70mm。大的坯料對滑軌的磨損較嚴(yán)重，而滑軌表面的耐磨層能較好地改善這種磨損。

加熱坯料與感應(yīng)器內(nèi)側(cè)的距離對加熱系統(tǒng)的電效率有很大的影響，距離越小，電效率越高。坯料外徑與感應(yīng)器內(nèi)徑的距離越小，感應(yīng)電源與坯料的電磁耦合就越好，電效率也就越高。耦合距離首先是由耐火材料的厚度決定的，因此耐火材料的厚度對保護(hù)感應(yīng)器及確保感應(yīng)器的使用壽命十分重要。另一個(gè)重要的因素是加熱坯料的直線度，需要材料供應(yīng)商來確保坯料的質(zhì)量。

最后一點(diǎn)也是最重要的一點(diǎn)是坯料的直徑變化會(huì)引起耦合距離的變化。坯料直徑及產(chǎn)能與能耗的關(guān)系如圖6所示，從圖中可以看到，理想的坯料直徑為60mm，最大產(chǎn)能為1.8t/h，最小能耗為339kWh/t。當(dāng)加熱的坯料直徑變小時(shí)可以看到，在一定范圍內(nèi)產(chǎn)能還能保持在額定值，但能耗指標(biāo)在上升，電效率下降。當(dāng)坯料直徑下降到39mm時(shí)，產(chǎn)能下降到了額定值以下，在該點(diǎn)以上，加熱系統(tǒng)能提供額定產(chǎn)能，能耗值在381～339kWh/t之間變化，最高值比最低值高12%。

為保證高的能源利用率，加熱不同直徑的坯料時(shí)，需更換不同的感應(yīng)器，可以通過快速切換裝置對不同的感應(yīng)器組進(jìn)行切換。通常為保證加熱系統(tǒng)的電效率，會(huì)設(shè)置很多的感應(yīng)器組，感應(yīng)器組越多，達(dá)到的節(jié)能效果越好，當(dāng)然投入也會(huì)越高。

熱傳導(dǎo)的損失主要取決于耐火材料的厚度及材料特性，設(shè)計(jì)這些部分時(shí)應(yīng)該考慮感應(yīng)器的壽命和上述的耦合距離，該部分的節(jié)能潛力有限。

加熱工藝的優(yōu)化

加熱工藝受制于加熱區(qū)的長度、周期時(shí)間、感應(yīng)器的數(shù)量、中頻電源的輸出及相應(yīng)的頻率。理想的系統(tǒng)是在最短的加熱區(qū)及最短的周期時(shí)間內(nèi)將坯料加熱到鍛造溫度，同時(shí)氧化皮少，無粘連，這樣的系統(tǒng)能耗一定是最低的。

圖6 坯料直徑、產(chǎn)能與能耗的關(guān)系曲線

圖7 THERMPROF軟件確定的溫度曲線

上述理想的鍛造感應(yīng)加熱系統(tǒng)在使用多個(gè)感應(yīng)器及多個(gè)電源的中頻加熱系統(tǒng)中能得以實(shí)現(xiàn)。在這樣的系統(tǒng)中，每個(gè)感應(yīng)器由單獨(dú)的電源供電及控制，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)。ABP感應(yīng)公司的THERMPROF?模擬軟件是操作人員的一個(gè)工藝工具，該軟件可以調(diào)整每區(qū)的最后點(diǎn)的平均溫度，從而控制每區(qū)的溫度及產(chǎn)能。如圖7所示的溫度曲線分別為坯料的心部溫度、表面溫度及平均溫度。如果需要，該模擬軟件可以模擬整個(gè)加熱的過程，加熱運(yùn)行能耗及材料成本也包含在該模擬軟件中。該模擬軟件可以實(shí)現(xiàn)對加熱系統(tǒng)的優(yōu)化模擬，最佳溫度分布可以在最后時(shí)刻得到，同時(shí)還可減少輻射損失及氧化皮。

基于西門子的PRODAPT?-FX2是實(shí)現(xiàn)最優(yōu)能耗的控制器，能提供各種運(yùn)行條件下的系統(tǒng)控制。

保溫模式是每個(gè)鍛造加熱系統(tǒng)所必需的，當(dāng)下游及上游設(shè)備出現(xiàn)問題時(shí)，將進(jìn)料的速度降低到系統(tǒng)可以接受的速度，保證剔除的不合格坯料最少。

冷啟動(dòng)也是一個(gè)鍛造加熱系統(tǒng)不可缺少的功能。當(dāng)感應(yīng)器爐襯還是冷的時(shí)，隨著爐襯溫度的提高，進(jìn)料速度由最低提高到工藝要求的水平。周期時(shí)間變化時(shí)，進(jìn)料速度要控制到最低，以保證不合格的坯料最少。

結(jié)束語

借助于先進(jìn)的工廠管理及工藝優(yōu)化，鍛造感應(yīng)加熱系統(tǒng)能有效地提高能源利用效率。IGBT分區(qū)控制鍛造感應(yīng)加熱系統(tǒng)能使中頻電源的效率達(dá)到94%，80%的電源能量能傳輸?shù)礁袘?yīng)器上。可以利用快速切換裝置實(shí)現(xiàn)不同坯料直徑間不同感應(yīng)器的快速切換。多電源分區(qū)控制技術(shù)是提高感應(yīng)加熱電效率最有效的方法，借助于THERMPROF模擬軟件能實(shí)現(xiàn)不同坯料的最優(yōu)加熱工藝，最大限度地節(jié)約能源。