李 博，焦志偉，張金云，安 瑛，譚 晶*

（1.北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029；2.輪胎設(shè)計(jì)與制造工藝國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山東 威海 264200）

硫化是輪胎生產(chǎn)中最重要的工序之一，年產(chǎn)100萬(wàn)套輪胎的傳統(tǒng)輪胎企業(yè)每小時(shí)用于輪胎硫化的蒸汽約為40 t，消耗電量約7 000 kW·h[1]。硫化是輪胎生產(chǎn)過(guò)程中的主要耗能環(huán)節(jié)，約占整個(gè)過(guò)程耗能的60%[2]。因此，通過(guò)研究和開發(fā)新的加熱技術(shù)與方法[3-6]，對(duì)傳統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行改造以減少能耗、節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本，對(duì)整個(gè)輪胎行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

21世紀(jì)初期，電磁感應(yīng)加熱技術(shù)開始嶄露頭角，因其熱效率高、節(jié)能效果好等優(yōu)勢(shì)已被逐漸應(yīng)用在各行各業(yè)中[7-8]。電磁感應(yīng)加熱技術(shù)具有加熱速度快、產(chǎn)熱集中等特點(diǎn)，不利于形成輪胎硫化過(guò)程中所需的均勻加熱工藝環(huán)境，因此至今仍未應(yīng)用在輪胎工業(yè)生產(chǎn)中。

為了克服這些困難，本工作設(shè)計(jì)了一種單元式電磁感應(yīng)加熱方案，對(duì)輪胎硫化機(jī)熱板進(jìn)行改進(jìn)，并通過(guò)試驗(yàn)，對(duì)電磁感應(yīng)加熱技術(shù)在輪胎硫化機(jī)熱板的加熱改造應(yīng)用進(jìn)行探索性研究。

1 單元式電磁感應(yīng)加熱原理及方案設(shè)計(jì)

1.1 單元式電磁感應(yīng)加熱原理

電磁感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用廣泛，其加熱原理如圖1所示，380 V電源經(jīng)過(guò)電磁控制器后變?yōu)楦哳l交流電，進(jìn)而產(chǎn)生高頻的交變磁場(chǎng)，被加熱工件切割高頻磁力線，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與工件阻抗構(gòu)成回路產(chǎn)生渦流，渦流效應(yīng)使被加熱物迅速發(fā)熱。

圖1 電磁感應(yīng)加熱原理

為滿足熱板均勻加熱需求，設(shè)計(jì)了單元式電磁感應(yīng)加熱方案，原理如圖2所示，截面積2 mm2的感應(yīng)線圈纏繞在超導(dǎo)磁芯上組成一個(gè)電磁感應(yīng)加熱單元。超導(dǎo)磁芯由微晶片經(jīng)層壓制作而成，表面包覆耐高溫的高分子材料?？刂破鲗⑷?80 V/50 Hz工頻交流電經(jīng)整流、濾波、逆變、諧振成高頻交流電輸送到螺旋線圈中，高頻電流作用下的電磁線圈產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)，超導(dǎo)磁芯能夠聚攏分散的磁力線，加強(qiáng)磁芯部分的磁場(chǎng)。磁芯對(duì)應(yīng)部分熱板切割交變磁力線，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與熱板阻抗構(gòu)成回路產(chǎn)生渦流，渦流效應(yīng)使熱板自行發(fā)熱。與尋常電磁感應(yīng)加熱方案設(shè)計(jì)不同，被加熱工件并非整體置于磁場(chǎng)當(dāng)中，而是部分處于較為集中的磁場(chǎng)中，由面發(fā)熱變?yōu)辄c(diǎn)發(fā)熱，便于控制溫度高低和調(diào)整溫度分布。

圖2 單元式電磁感應(yīng)加熱工作原理

熱板電磁感應(yīng)加熱方案設(shè)計(jì)如圖3所示，線圈板上開有若干孔位以安裝圖2中所示的加熱單元，上下金屬熱板在電磁感應(yīng)加熱單元的作用下直接生熱，熱量從熱板以接觸傳熱形式傳遞給模具，因此熱板表面溫度的均勻性決定了輪胎硫化的均勻性。上下隔熱層能有效減少與外界的熱交換、減少熱量損失，有助于均勻溫度場(chǎng)的形成。此外，上下隔熱層和線圈板均為不導(dǎo)磁材料制作，隔絕磁場(chǎng)，除熱板外的其他金屬不會(huì)發(fā)熱，保證工作環(huán)境適宜工人操作。

圖3 熱板電磁感應(yīng)加熱方案

良好的電路設(shè)計(jì)是形成穩(wěn)定溫度場(chǎng)的必要保障。電磁感應(yīng)控制電路如圖4所示，電源為控制器供電，控制器向螺旋線圈內(nèi)通入高頻電流形成交變磁場(chǎng)，熱板作為金屬工件在交變磁場(chǎng)內(nèi)高速發(fā)熱，熱電偶與溫控器組成閉合回路，起到測(cè)量和反饋?zhàn)饔?。每臺(tái)硫化機(jī)配備獨(dú)立溫控柜，從而實(shí)現(xiàn)單臺(tái)硫化機(jī)的溫度控制。不使用蒸汽加熱，解決了蒸汽加熱成組硫化機(jī)只能采用一個(gè)工藝溫度參數(shù)、無(wú)法實(shí)現(xiàn)單機(jī)控溫的難題。

圖4 電磁感應(yīng)控制電路示意

1.2 單元式電磁感應(yīng)加熱方案設(shè)計(jì)

電磁感應(yīng)加熱具有加熱速度快、熱量集中的特點(diǎn)。根據(jù)微積分原理，采用點(diǎn)陣法將若干個(gè)電磁感應(yīng)加熱單元排布在熱板下。近加熱單元處或加熱單元集中處發(fā)熱快、溫度高，遠(yuǎn)加熱單元處或加熱單元疏松處發(fā)熱慢、溫度低；加熱單元布置可根據(jù)具體情況及需求進(jìn)行疏密、遠(yuǎn)近的調(diào)整。

圖5所示為上熱板加熱單元位置的分布。輪胎是圓形橡膠制品，為確保加熱時(shí)熱量分布合理，加熱單元安裝位置采取由外到內(nèi)分a-b-c-d四層，每層周向均勻布置，由外到內(nèi)每層分別布置12-8-4-2個(gè)，共計(jì)26個(gè)加熱單元。此外，熱板上開有與其他機(jī)構(gòu)相配合的工藝孔，中心3個(gè)較大工藝孔，與外界熱交換快，三孔交界部分僅依靠熱量傳導(dǎo)無(wú)法滿足工藝要求，每個(gè)孔交界處為特殊位置，需額外布置2個(gè)小加熱單元，其電感量小于普通加熱單元。

圖5 上熱板加熱單元位置的分布示意

熱板熱能主要用于輪胎胎肩部位硫化，故與胎肩對(duì)應(yīng)位置即b和c兩層，加熱單元排布緊湊；熱板邊緣及中心位置（a和d層），加熱單元排布較為稀疏。

2 試驗(yàn)研究

以材質(zhì)為45鋼、直徑為1 200 mm、表面做過(guò)防銹處理的熱板為試驗(yàn)對(duì)象，試驗(yàn)時(shí)的加熱單元排布照片如圖6所示。在熱板下依次串聯(lián)26個(gè)電感量為12 μH和2個(gè)電感量為6 μH的電磁感應(yīng)加熱單元，均由額定功率為15 kW的控制器單獨(dú)控制，以7 A作為輸出電流進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)進(jìn)行3次，以確?？芍貜?fù)性。

圖6 加熱單元排布照片

測(cè)溫點(diǎn)布置方案以測(cè)量熱板徑向溫度分布、周向溫度均勻性為主要考慮因素，與圖5加熱單元的排布相對(duì)應(yīng)，采用由外到內(nèi)共3層，每層2點(diǎn)布置，如圖7所示。1和2兩點(diǎn)處于加熱單元的a層，3和4兩點(diǎn)處于加熱單元b和c層之間輪胎胎肩相對(duì)應(yīng)位置，5和6兩點(diǎn)處于加熱單元的d層。

圖7 熱板測(cè)溫點(diǎn)布置

a層測(cè)溫點(diǎn)位與熱電偶測(cè)溫點(diǎn)在同一圓周上。為便于安裝和更換，熱電偶需安裝在外側(cè)，1和2點(diǎn)位的布置有助于熱電偶最佳位置的選取和最佳工藝參數(shù)的設(shè)定；b和c層是輪胎硫化過(guò)程中熱量的主要供給位置，其周向溫度差異將會(huì)直接導(dǎo)致輪胎胎肩膠料硫化程度各不相同，從而影響輪胎的使用性能；d層區(qū)域熱量利用率不高，但由于溫度較低，導(dǎo)致中層熱量向此處流動(dòng)，降低了工作效率。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 熱板各點(diǎn)溫升情況

溫升一致性與溫度均勻性密切相關(guān)。熱板各點(diǎn)溫升情況如圖8所示。從圖8可以看出，100 min前各點(diǎn)溫升趨勢(shì)一致，呈直線上升。100 min后熱板溫度達(dá)到第一次溫度設(shè)定值，經(jīng)歷1～2個(gè)加熱/停止周期后形成較為穩(wěn)定的溫度場(chǎng)，此段時(shí)間為溫模時(shí)間，即將熱板從室溫加熱至溫度穩(wěn)定（2～2.5 h）。蒸汽加熱需經(jīng)過(guò)約4 h傳熱過(guò)程才能形成一個(gè)穩(wěn)定的溫度場(chǎng)，電磁感應(yīng)加熱方法可節(jié)省溫模時(shí)間約2 h。電磁感應(yīng)加熱各點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)基本一致，同升同降，未出現(xiàn)明顯傳熱滯后于加熱的現(xiàn)象，證明線圈布置方案合理。溫度變化穩(wěn)定后，熱板溫度在一個(gè)溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)類似正弦的變化。此種現(xiàn)象是由于熱板自行發(fā)熱、發(fā)熱快、控制器間歇加熱等工作特點(diǎn)導(dǎo)致。溫度處于波谷位置，電磁感應(yīng)加熱開始；溫度上升，溫度達(dá)到波峰位置，電磁感應(yīng)加熱停止，開始散熱。

圖8 各測(cè)溫點(diǎn)溫升曲線

3.2 熱板溫度周向均勻性分析

輪胎作為一種圓環(huán)形橡膠制品，輪胎周向硫化程度的差異影響輪胎的使用性能。

圖9（a）—（c）分別表示一個(gè)周期內(nèi)（形成穩(wěn)定溫度變化場(chǎng)后，電磁感應(yīng)加熱工作/停止一次的時(shí)間）熱板外層、中部、內(nèi)層區(qū)域表面溫度的變化。從圖9可以看出：1和2點(diǎn)溫度差在2 ℃以內(nèi)，表明熱板邊緣周向溫度分布均勻；3和4點(diǎn)溫度差在3 ℃以內(nèi)，表明熱板中間與胎肩相對(duì)應(yīng)區(qū)域周向溫度分布均勻；5和6點(diǎn)溫度差在2 ℃以內(nèi)，表明熱板中心周向溫度分布均勻。

各點(diǎn)溫度變化周期均在25 min左右，升溫時(shí)間與降溫時(shí)間幾乎相同，表明熱板已經(jīng)形成了穩(wěn)定的溫度梯度場(chǎng)，溫差受溫度變化影響不大。圖9中各點(diǎn)所測(cè)溫度波動(dòng)均約±5 ℃，與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求有差距。主要原因在于對(duì)單元式電磁感應(yīng)加熱工藝參數(shù)控制機(jī)理研究較少，無(wú)法獲得最優(yōu)工藝。其次，為了便于測(cè)溫，熱板上未安裝模具，簡(jiǎn)單的保溫措施也是溫度變化幅度相對(duì)較大的原因之一。相信通過(guò)減小線圈電流、改變加熱單元電感量、調(diào)整加熱頻率、完善保溫方法等措施，能夠?qū)囟炔▌?dòng)控制在需要的范圍內(nèi)。

圖9 熱板各層周向溫度對(duì)比

3.3 熱板徑向溫度場(chǎng)分布

熱板徑向表面溫度分布如圖10所示，出現(xiàn)內(nèi)外正常、中部稍高的現(xiàn)象，原因在于熱板中層電磁感應(yīng)加熱單元排布相比中心和邊緣較為緊密，產(chǎn)生的熱量較多。此外，內(nèi)外邊緣處與空氣對(duì)流傳熱快，也是造成熱板溫度中部高的原因之一。

圖10 熱板徑向表面溫度變化

在熱量利用方面，3點(diǎn)處于熱板中部，恰為輪胎胎側(cè)所處位置，是熱量供給的主要位置；5點(diǎn)和2點(diǎn)分布在熱板內(nèi)外邊緣，作為溫度供給的次要位置，與3點(diǎn)存在一定溫差有助于節(jié)能。通過(guò)對(duì)熱板表面徑向溫度分布分析可知，結(jié)果與預(yù)想一致，說(shuō)明加熱單元的排布較為合理，根據(jù)需要可控制熱量分布成為電磁感應(yīng)加熱的另一優(yōu)勢(shì)。

3.4 節(jié)能分析

輪胎硫化時(shí)，外溫蒸汽用于硫化機(jī)熱板和模套加熱，其中熱板消耗的蒸汽量約占1/2。某輪胎廠轎車車間外溫蒸汽日消耗總量為301 t，硫化輪胎質(zhì)量總和為311.09 t，工業(yè)蒸汽價(jià)格按200元·t-1計(jì)算，可得硫化外溫蒸汽的單價(jià)（n1）為0.194元·kg-1。

以硫化一條255/30R22輪胎為標(biāo)準(zhǔn)，輪胎質(zhì)量（m）為12.8 kg，硫化周期（t）為15 min，其中有效加熱時(shí)間即電磁感應(yīng)控制器工作時(shí)間（ty）為7.5 min，工業(yè)用電單價(jià)（n2）為0.84元·（kW·h）-1，則

蒸汽硫化用于熱板的費(fèi)用（m1）為

電磁感應(yīng)加熱用于熱板費(fèi)用（m2）為

其中，控制器加熱功率（P）為

可求得m2＝0.97 元。

對(duì)比上述兩組數(shù)據(jù)可知，每條輪胎生產(chǎn)中用于熱板的費(fèi)用可節(jié)約0.27元，超過(guò)20%。對(duì)于年產(chǎn)150萬(wàn)條輪胎的工廠，年可節(jié)約成本40.5萬(wàn)元，節(jié)約成本效果顯著。

4 結(jié)論

將電磁感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用到輪胎硫化機(jī)熱板中，試驗(yàn)結(jié)果顯示，用電磁感應(yīng)加熱替代蒸汽加熱后，熱板的周向溫度場(chǎng)分布均勻，徑向溫度場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)按需分配；溫模時(shí)間由以前的4 h縮短為2 h；節(jié)約生產(chǎn)過(guò)程用于加熱的成本約20%。雖然電磁感應(yīng)加熱優(yōu)勢(shì)顯著，仍存在各點(diǎn)溫度波動(dòng)較大的缺陷，預(yù)計(jì)通過(guò)減小線圈電流、改變加熱單元電感量、調(diào)整加熱頻率、完善保溫方法等措施能將溫度波動(dòng)控制在需要的范圍內(nèi)。