文／Jochen Gies，Markus Langejürgen·西馬克艾洛特姆公司

鑒于鍛造行業(yè)不斷增加的成本壓力，鍛造生產(chǎn)線的制造商也被要求發(fā)展創(chuàng)新，以節(jié)約現(xiàn)有資源。這些概念必須提供機(jī)會(huì)，以滿足許多代加工廠商在減少二氧化碳排放方面的要求。因此，提高感應(yīng)加熱系統(tǒng)的能效至關(guān)重要，是感應(yīng)加熱系統(tǒng)持續(xù)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

德國(guó)每年生產(chǎn)約230 萬(wàn)噸熱成形鍛件，加熱鍛造材料的能耗需求約為每年1000GWh，這意味著：即使能源成本僅為0.10歐元/kWh 時(shí)，每年總計(jì)花費(fèi)也要達(dá)到1 億歐元。現(xiàn)有數(shù)據(jù)表明，感應(yīng)加熱裝置的制造商尤其被要求進(jìn)行智能概念的節(jié)能型感應(yīng)加熱系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

帶有LLC 諧振電路的變頻電源(圖1)的開(kāi)發(fā)被證明是降低能耗的重中之重，LLC 指的是逆變器輸出端的接線。此變頻電源由不受控整流器、直流鏈路電容、IGBT 逆變器和輸出扼流圈組成，在所有部分負(fù)載范圍內(nèi)，其效率為97%，cosφ恒定為0.95。實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)的關(guān)鍵還在于采用了特低損耗銅繞組的最佳耦合感應(yīng)器、使用了數(shù)據(jù)庫(kù)支持的軟件，以及開(kāi)發(fā)了減少輻射損耗的感應(yīng)器概念。

圖1 六模塊LLC 變頻電源

用于分區(qū)技術(shù)(iZone)的LLC 變頻電源

以長(zhǎng)棒料加熱機(jī)為例，每個(gè)感應(yīng)器都有自己的變頻電源，因此可以單獨(dú)控制。

生產(chǎn)開(kāi)始

大規(guī)格棒材(直徑300毫米)從室溫到1250℃的加熱時(shí)間長(zhǎng)達(dá)50 分鐘，這是從系統(tǒng)首次啟動(dòng)直到可以剪切第一部分所需的時(shí)間。在此之前，棒材通過(guò)整套感應(yīng)器。由于iZone 控制單元始終知道棒材在加熱站中的位置，因此只有當(dāng)棒材進(jìn)入時(shí)，相應(yīng)的感應(yīng)器才會(huì)被激活。在這種系統(tǒng)運(yùn)行模式下，感應(yīng)器的系統(tǒng)連接防止了由于感應(yīng)器的“空轉(zhuǎn)”而造成的不必要的能量損失。

生產(chǎn)結(jié)束

在生產(chǎn)結(jié)束時(shí)，按相反的順序切斷感應(yīng)器。在最后的棒材離開(kāi)各個(gè)感應(yīng)器后，感應(yīng)器被關(guān)閉。了解棒材在加熱系統(tǒng)中的位置也是在出料過(guò)程中切斷各個(gè)感應(yīng)器的基礎(chǔ)。

部分產(chǎn)能模式

近年來(lái)，由于批量較小，對(duì)柔性生產(chǎn)的要求越來(lái)越高，這意味著現(xiàn)代加熱系統(tǒng)也必須能夠提供節(jié)能的部分產(chǎn)能的生產(chǎn)。根據(jù)操作員輸入的數(shù)據(jù)，iZone 控制立即計(jì)算出最佳加熱策略，并自動(dòng)調(diào)整感應(yīng)器距離，只有實(shí)現(xiàn)指定的部分產(chǎn)能所需的感應(yīng)器被連接。

裂紋敏感鋼的加熱(軟加熱)

由于連接的感應(yīng)器的獨(dú)特性能規(guī)格，iZone 還提供加熱裂紋敏感鋼的選擇。這包括100Cr6 等滾動(dòng)軸承鋼。為了使這成為可能，傳統(tǒng)型變頻電源技術(shù)中必須使用特殊纏繞的感應(yīng)器，以便在居里點(diǎn)以下的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)所謂的“軟加熱”。

隨著智能iZone 控制與LLC 變頻電源的結(jié)合，以前所需要的感應(yīng)器的改變已成為過(guò)去。待加熱材料(如100Cr6)在控制中被相應(yīng)的預(yù)選后，加熱系統(tǒng)總是結(jié)合所需的產(chǎn)能進(jìn)行最佳調(diào)整。

使用ELO-FORGE 和ELO-BAR 的故障策略

⑴ELO-BAR(長(zhǎng)棒料感應(yīng)加熱)。

在常規(guī)鍛造過(guò)程中，棒材加熱系統(tǒng)通常需要被清空。例如，在下游熱剪切出現(xiàn)故障時(shí)，重新啟動(dòng)意味著加熱時(shí)間變長(zhǎng)，特別是對(duì)直徑較大的棒材加熱。由于系統(tǒng)重新啟動(dòng)而導(dǎo)致的生產(chǎn)停機(jī)對(duì)于能源使用(重新加熱已經(jīng)加熱的棒材)和材料來(lái)說(shuō)是不合理的。

通過(guò)單獨(dú)控制感應(yīng)器的選項(xiàng)，現(xiàn)在可以在沒(méi)有任何問(wèn)題的情況下將加熱站內(nèi)的整個(gè)棒料段的溫度保持在一個(gè)確定的、精準(zhǔn)的水平。智能的iZone 控制提前計(jì)算在各個(gè)感應(yīng)器中的棒料段的焓(熱量含量)。這使得單個(gè)感應(yīng)器的輸出降低，而棒料的各自能量含量幾乎保持不變。故障消除后，可以通過(guò)棒料的回退(避免了由位于感應(yīng)器間隙的棒料段的冷卻而產(chǎn)生的“斑馬效應(yīng)”)，立即恢復(fù)生產(chǎn)。

⑵ELO-FORGE L(短坯料感應(yīng)加熱)。

短坯料加熱系統(tǒng)通常在感應(yīng)器之間沒(méi)有間隙，這里使用了如上所述的類(lèi)似的策略。由于沒(méi)有間隙，這里不需要回退坯料段。坯料段停止，并通過(guò)單獨(dú)調(diào)整各個(gè)感應(yīng)器的輸出來(lái)保持溫度。由于采用了專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)庫(kù)支持軟件和操作模式，與傳統(tǒng)操作系統(tǒng)相比，循環(huán)物料可減少80%，這個(gè)數(shù)值經(jīng)過(guò)了幾個(gè)已經(jīng)交付的生產(chǎn)系統(tǒng)驗(yàn)證。

新感應(yīng)器概念(ELO-ICE)

感應(yīng)加熱使用的帶有水冷的銅線圈只有在距離工件很小時(shí)工作才具有很高的電效率。在短坯料和長(zhǎng)棒料加熱時(shí)，感應(yīng)線圈通常澆筑耐火混凝土，以提供線圈的機(jī)械和熱保護(hù)。直接安裝在耐火混凝土中的水冷銅繞組可以為襯里創(chuàng)造非常有效的冷卻效果，但是，這會(huì)導(dǎo)致相對(duì)較低的襯里溫度，從而產(chǎn)生較高的熱損失，而且老化、滲透以及結(jié)垢也會(huì)降低機(jī)械防護(hù)效果。此外，耐火混凝土并不是保溫隔熱的最佳材料。熱的工件與經(jīng)冷卻的線圈之間存在較大的溫度差，這意味著感應(yīng)線圈在較高溫度范圍內(nèi)的熱效率并不理想。

西馬克艾洛特姆公司的新型ELO-ICE(感應(yīng)器概念效率)系統(tǒng)，由于全新的、優(yōu)化的隔熱措施，可以節(jié)省能源和成本，通過(guò)減少高達(dá)50%的熱損失，大量節(jié)約了費(fèi)用。

幾個(gè)老家伙對(duì)老冬瓜的話起了興趣，在食堂里吃了晚飯，拉了老冬瓜，來(lái)找老鱖魚(yú)。老鱖魚(yú)生活有個(gè)特點(diǎn)，從不吃晚飯。吃啥晚飯，晚上又不干活，不是浪費(fèi)嗎？老鱖魚(yú)從年輕的時(shí)候，就持這種觀點(diǎn)。他還說(shuō)，我那時(shí)候每天都吃不飽，一年四季圍著肚子打轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，我被餓怕了，現(xiàn)在能吃飽了，我卻不適應(yīng)了，我還要保持當(dāng)年挨餓的那種感覺(jué)。

在ELO-ICE 系統(tǒng)的新開(kāi)發(fā)過(guò)程中，面臨的挑戰(zhàn)是保持工件和襯里之間的溫差盡可能低以減少熱對(duì)流，從而減少水冷感應(yīng)線圈的熱損耗。

所有這些都是通過(guò)混合耐火復(fù)合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。該系統(tǒng)由具有細(xì)絲形狀、并有極高強(qiáng)度的新材料組成。不同的材料也可以結(jié)合在一起，以創(chuàng)建一個(gè)具有精確協(xié)調(diào)的尺寸和性能的多層同軸結(jié)構(gòu)。因此，可以實(shí)現(xiàn)具有耐磨性能的面向工件的內(nèi)表面，以及對(duì)冷銅線圈的良好保溫隔熱性能。

西馬克艾洛特姆與合作伙伴合作，成功開(kāi)發(fā)了一種感應(yīng)器襯里：作為預(yù)制模鑄件，其強(qiáng)度與傳統(tǒng)鑄造襯里相似，但壁厚減少，熱性能優(yōu)化。

新開(kāi)發(fā)的ELO-ICE 系統(tǒng)與傳統(tǒng)的模制襯里相比，減少了一半的熱損失。因此，對(duì)于直徑或邊長(zhǎng)在80毫米左右的大截面來(lái)說(shuō)，根據(jù)西馬克艾洛特姆進(jìn)行的各種測(cè)試，驗(yàn)證了節(jié)能效果為4%～6%，具體取決于工廠的運(yùn)行情況。

ELO-ICE 的節(jié)能效果

這里以短坯料加熱系統(tǒng)的節(jié)約情況為例：此系統(tǒng)包含12 個(gè)感應(yīng)器，每個(gè)長(zhǎng)度為1200 毫米?？紤]了不同的工件直徑，每個(gè)工件都在以此為目的設(shè)計(jì)的感應(yīng)器中加熱。節(jié)約值是基于6000 小時(shí)/年、三班制運(yùn)行和僅為0.10 歐元/千瓦時(shí)的保守假設(shè)電價(jià)來(lái)計(jì)算的。

圖2 顯示了一個(gè)典型的長(zhǎng)度方向上的溫度曲線。由于直徑范圍大，這些曲線在現(xiàn)實(shí)中會(huì)有很大的不同。可以看出，優(yōu)化后的襯里表面溫度明顯高于常規(guī)耐火材料襯里的表面溫度，這就是熱量損失減少的原因。

圖2 沿著加熱線的溫度曲線

正如預(yù)期的那樣，最大的節(jié)能潛力是在高溫階段，對(duì)應(yīng)后部的感應(yīng)器。

表1 使用ELO-ICE 系統(tǒng)的潛在節(jié)約評(píng)估

節(jié)能的ELO-ICE 系統(tǒng)對(duì)感應(yīng)器的維護(hù)更加友好、快速，這使其更具吸引力：因?yàn)樗藗鹘y(tǒng)耐火混凝土上耗時(shí)費(fèi)力的拆除工作，并排除了對(duì)感應(yīng)器線圈可能造成的損害。這最終減少了生產(chǎn)停機(jī)時(shí)間和高昂的維修成本。

ELO-FORGE L (短坯料感應(yīng)加熱)

西馬克艾洛特姆已經(jīng)考慮到鍛造行業(yè)在短坯料和長(zhǎng)棒料感應(yīng)加熱領(lǐng)域?qū)κ褂萌略O(shè)計(jì)的低維護(hù)感應(yīng)加熱系統(tǒng)不斷增加的要求。除了在工藝可用性、可靠性、減少循環(huán)材料和備件方面的全新概念外，加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也接受了測(cè)試。這樣做的結(jié)果已經(jīng)被許多客戶所信任。圖3 所示的加熱系統(tǒng)顯示了這一努力的結(jié)果。

圖3 最新一代ELO-FORGE 感應(yīng)加熱系統(tǒng)

新開(kāi)發(fā)的使用導(dǎo)向管的感應(yīng)器技術(shù)經(jīng)證明使用壽命(磨損部分)超過(guò)一年，此項(xiàng)已成為西馬克艾洛特姆的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。和在生產(chǎn)條件下清空感應(yīng)加熱系統(tǒng)直至最后一截坯料一樣，在2 分鐘的轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)完成從一個(gè)產(chǎn)品到另一個(gè)新產(chǎn)品的切換功能也是西馬克艾洛特姆新系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。如之前所述，在發(fā)生外部故障時(shí)的保溫功能也是標(biāo)準(zhǔn)的，可用性經(jīng)驗(yàn)證高達(dá)99%，并可以通過(guò)相應(yīng)的維護(hù)周期來(lái)保證。通過(guò)相容的標(biāo)準(zhǔn)化減少備件庫(kù)存是新一代ELO-FORGE 系列的另一個(gè)特點(diǎn)；分區(qū)技術(shù)和新的面向數(shù)據(jù)庫(kù)的軟件完善了兼容工業(yè)4.0 的加熱系統(tǒng)。

ELO-BAR(長(zhǎng)棒料感應(yīng)加熱系統(tǒng))

西馬克艾洛特姆在感應(yīng)加熱領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展的重點(diǎn)是ELO-FORGE 和ELO-BAR 感應(yīng)加熱系統(tǒng)。在這里，能效和標(biāo)準(zhǔn)化與吸引人的設(shè)計(jì)一樣重要，這體現(xiàn)在加熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上。

這一發(fā)展的結(jié)果如圖4 所示，在Hatebur HM75臥式壓力機(jī)前安裝了一個(gè)最近交付的長(zhǎng)棒材加熱系統(tǒng)，產(chǎn)能20 噸/小時(shí)，加熱最大棒料直徑90 毫米。感應(yīng)器的概念與ELO-FORGE L(短坯料感應(yīng)加熱)相對(duì)應(yīng)，這里的重點(diǎn)也是最大限度的標(biāo)準(zhǔn)化和可用性，以及易于維護(hù)。此外，外圍設(shè)備也尤為重要，尤其是給料(棒料倉(cāng))，在這樣的大型系統(tǒng)中起著重要的作用。

圖4 用于Hatebur HM75 型壓機(jī)的長(zhǎng)棒料感應(yīng)加熱系統(tǒng)

基于這些數(shù)據(jù)，西馬克艾洛特姆面臨的挑戰(zhàn)是，在不填充上游棒材庫(kù)的情況下，必須保證一個(gè)小時(shí)的生產(chǎn)。由于感應(yīng)加熱系統(tǒng)的長(zhǎng)度，還必須提供一個(gè)系統(tǒng)完全自動(dòng)的將已經(jīng)加熱的棒材再次加載。棒材庫(kù)的容量為30 噸，如圖5 所示。圖左側(cè)是已加熱棒料，儲(chǔ)存庫(kù)確保了在壓力機(jī)出現(xiàn)故障后，在相應(yīng)的冷卻時(shí)間后，回退的棒材可以自動(dòng)返回到加工中。

圖5 容量為30 噸的棒料庫(kù)，包含已加熱料存儲(chǔ)

總結(jié)與展望

新技術(shù)通過(guò)使用模塊化組件和創(chuàng)新的iZone 分區(qū)技術(shù)，使作業(yè)者能夠進(jìn)行靈活的生產(chǎn)。

在每個(gè)產(chǎn)能中的智能能量分配和基于逐步啟動(dòng)、系統(tǒng)下料以及在故障的情況下保持坯料段溫度的最小能耗方式，再結(jié)合ELO-ICE 概念，系統(tǒng)從各方面滿足了大規(guī)模成形中資源和能效可持續(xù)增長(zhǎng)的需求。

鍛造行業(yè)對(duì)感應(yīng)加熱系統(tǒng)日益增長(zhǎng)的減少二氧化碳排放、高可用性以及減少備件維護(hù)的要求，是感應(yīng)加熱系統(tǒng)生產(chǎn)商面臨的主要挑戰(zhàn)，目前西馬克艾洛特姆提出的概念滿足了這些要求。