劉 星， 趙安林， 陳文興， 袁 寧， 劉軍祥， 鄺穩(wěn)鋼

（中車長江集團科技開發(fā)分公司， 湖北 武漢 430212）

0 引言

目前國內(nèi)鐵路貨車企業(yè)已基本實現(xiàn)新造及修理貨車全面應用環(huán)保水性涂料的目標。 鋼板水性涂料底、面漆的應用技術已較為成熟，其中板料預處理線底漆烘干工藝主要采用“紅外輻射預熱+燃氣烘干”，但在運用過程中，出現(xiàn)鋼板水性預涂底漆在低溫天氣下難以快速干燥的問題。

為解決水性預涂底漆快速干燥問題， 開展電磁感應加熱技術在鋼板預處理線水性預涂底漆快速干燥的應用研究。基于電磁感應加熱技術研制的電磁感應加熱裝置，制定鐵路貨車鋼板預處理線水性預涂底漆（涂料膜的厚度為10～15μm，涂料中水的質(zhì)量百分數(shù)為10%～30%）快速干燥工藝方案，可實現(xiàn)鋼板預涂水性底漆后快速自然干燥。

1 快速干燥工藝方案介紹

1.1 電磁感應加熱鋼板的技術原理

電磁感應加熱鋼材的原理是通過電磁加熱裝置的轉(zhuǎn)換將交流電變換成直流電壓， 再經(jīng)過控制電路將直流電壓轉(zhuǎn)換頻率為高頻電壓輸出， 快速運動的高壓電流在加熱線圈內(nèi)產(chǎn)生高速變化的磁場， 鋼板利用輥道運行通過感應線圈區(qū)域時切割交變磁力線， 使鋼板表面產(chǎn)生交變的電流（渦流），從而使鋼材產(chǎn)生熱能，最終實現(xiàn)鋼板加熱的效果。

1.2 電磁感應加熱裝置的鋼板預處理工藝分析

電磁感應加熱裝置設置于預處理線拋丸室與噴漆室之間，靠近噴漆室。 鋼板通過拋丸預處理后，在水性涂料噴涂前進行加熱，加熱后的鋼板通過噴涂后，表面涂料能快速自然干燥，干燥后漆膜厚度約為10～15μm。 其鋼板預處理線工藝流程如圖1 所示。

圖1 鋼板預處理線電磁感應加熱工藝流程

2 電磁感應加熱裝置方案設計

2.1 使用工況及加熱對象

（1）使用現(xiàn)場：板材薄板預處理線。

（2）鋼板傳輸線寬度為2m。

（3）待加熱鋼板長度≤6m，寬度≤1.6m，厚度1.5～6 mm。

（4）鋼板放到傳輸線上時，寬度方向位置變化在±100 mm。

（5）水性預涂底漆（涂料膜的厚度為10～15μm，水性涂料中水的質(zhì)量百分數(shù)為10%～30%）。

2.2 技術指標及要求

（1）預熱最大能力應保證板厚6mm 鋼板、生產(chǎn)線運行速度6m/min 和板厚1.5mm 鋼板、生產(chǎn)線運行速度9m/min的條件下，確保噴涂水性預涂底漆后1min 內(nèi)自然干燥固化。

（2）電磁感應加熱裝置在生產(chǎn)線傳輸輥道上安裝長度小于1m。

（3）正常使用時，電磁感應加熱裝置不應對除預處理鋼板外的其它設施產(chǎn)生預熱效應。

（4）防爆等級：ExdeⅡBT6、DIP A20 TA 或更高。

2.3 設計中遵照的有關標準

方案設計中涉及的相關技術標準如下：

（1）氣動系統(tǒng)通用技術條件：GB 7932-87。

（2）性環(huán)境用防爆電器設備隔爆型電氣設備通用要求：GB3836.1-90。

（3） 爆炸性環(huán)境用防爆電器設備隔爆型電氣設備“d”：GB3836.2-90。

（4）爆炸性環(huán)境用防爆電器設備隔爆型電氣設備“e”：GB3836.3-90。

（5）可燃性粉塵環(huán)境用電氣設備 第1 部分：通用GB 12476.1-2013。

（6）爆炸性氣體環(huán)境 第0 部分：設備 一般要求IEC 60079-0-2011。

（7）可靠性基本名詞術語及定義：GB 3187-82。

2.4 加熱源選擇和參數(shù)計算

2.4.1 加熱源

通過試驗對比幾種加熱方式， 根據(jù)加熱板厚選擇超音頻感應加熱方式作為鋼板加熱的加熱源。 加熱電源的兩個重要指標為加熱電源的頻率和加熱電源功率。

2.4.2 加熱電源頻率選擇

2.4.2.1 加熱電源頻率分類

感應加熱電源根據(jù)工作頻率的不同，大致可以分為：低頻（50Hz～1KHz）、中頻（1KHz～20KHz）、超音頻（20KHz～40KHz）、高頻（40KHz～200KHz）、超高頻（200KHz 以上）。

2.4.2.2 加熱電源頻率計算方法

根據(jù)鋼板電磁感應加熱采用高效節(jié)能的透入式加熱方式，電流透入深度計算公式為：

式中：σ—電流透入深度（cm）；ρ—金屬的電阻率（Ω·cm）；μγ—金屬的相對導磁率（H/cm）；f—電流頻率（Hz）。

加熱電源頻率計算公式：

式中：鋼板表面溫度為40℃時電阻率ρ 為29×10-6Ω·cm，鋼板的相對磁導率為μγ=5050，當選取設計加熱透入深度為1mm 時，則可計算出加熱電源工作頻率為1.5kHz；

由計算公式可以看出，當材料電阻率、相對磁導率給定后，透入深度與電流頻率f 平方根成反比，頻率高加熱深度淺，為提高電源效率，選擇加熱電源設計工作頻率段為：25kHz 時，計算電流設計透熱深度約為0.25mm。

2.4.3 加熱電源功率選擇

加熱電源功率是感應加熱電源的另外一個重要指標，電源功率的選擇主要由加熱工藝及加熱速度來決定。

2.4.3.1 計算條件

（1）工件規(guī)格：鋼板厚度為6mm，鋼板寬度為1600mm，鋼板溫度基本均勻（熱透）。

（2）設計加熱溫升： 40℃。

（3）鋼板傳輸線速度：6m/min。

2.4.3.2 計算方法

（1）加熱工件重量：

式中：M—單位時間內(nèi)加熱鋼板的質(zhì)量（kg/min）；w—鋼板寬度（m）；d—鋼板厚度（m）；v—單位時間內(nèi)加熱鋼板的長度（m）；ρ1—鋼板比重7900（kg/m2）；M=1.6×0.006×6×7900=455kg/min

（2）工件吸收功率P3：

式中：M—單位時間內(nèi)加熱鋼板的質(zhì)量（kg/min）；C—鋼板比熱容（J/kg·℃）；ΔT—溫升（℃）；T—加熱時間（s）。

根據(jù)M=455kg/min、C=0.46×103J/（kg·℃）、ΔT=40℃、t=60s，計算吸收功率P3=139kW。

設線圈耦合效率η2=70%，加熱電源效率為η1=87%，計算加熱電源實際輸入為：

139/（0.7×0.78）=228kW

以溫升40℃為要求，對6mm 厚的鋼板，預熱不同板料寬度時作功功率實驗，數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 加熱電源功率實驗數(shù)據(jù)

據(jù) 表1 所 示， 針對實際運行工況要求和設備停機造成的嚴重后果，以及考慮溫升余量，為保證設備運行穩(wěn)定性，加大電源配置是提高設備運行可靠性的最有效措施。 感應加熱電源功率選擇為240Kw， 配置冷水機1 臺， 功率30kW，總計270kW。

2.4.3.3 感應加熱電源達到的技術要求

（1）溫度控制保證鋼板表面加熱溫度、加熱速度達到工藝技術要求。

（2）保證加熱電源連續(xù)工作。

（3）電源故障率低、維護工作量小。

（4）在鋼板厚度穩(wěn)定后，恒溫控制，溫度波動范圍±5℃。

（5）支持即開即斷工作方式，當有鋼板經(jīng)過線圈時，感應電源才開始工作，鋼板離開線圈時，感應電源在兩秒內(nèi)能停止工作，能通過傳感器檢測鋼板溫度，鋼板溫度過高，則停止功率輸出，并報警。

（6） 感應電源和冷水機的互鎖功能： ①冷水機故障時，輸出故障信號，上位機接收到該故障信號，立即停止高頻感應加熱設備； ②感應加熱設備本身具備水壓檢測功能，設備主機和分機內(nèi)各裝有一個水壓開關，冷卻水壓必須大于0.2MPa 才允許工作。 如果管路堵塞、水管破裂或水流不暢等，該報警功能被觸發(fā)，停止加熱；③感應加熱設備具有過熱報警功能， 當水溫未冷卻到規(guī)定溫度或管路堵塞、水管破裂、水流不暢等，報警被觸發(fā)，停止加熱。

3 電磁感應加熱裝置組成和總體工藝布置

3.1 實施方案

電磁感應加熱裝置包括1 臺電磁感應電源、2 套電磁線圈裝置及加熱線圈、1 臺冷水機、1 臺電氣控制柜及一套智能控制系統(tǒng)組成。加熱裝置工藝布局見圖2 所示，結構示意圖及組成圖如圖3、圖4 所示。

圖2 電磁感應加熱裝置工藝布局圖

圖3 電磁感應加熱裝置結構示意圖

3.2 加熱工藝過程介紹

以鐵路貨車鋼板預處理線為例，在預處理線（運行速度6～9m/min），采用電磁感應加熱裝置對拋丸后鋼板（板厚1.5～10mm）進行噴涂前加熱，工藝流程預熱噴涂水性涂料后快速（1min 內(nèi)）干燥。 工藝控制系統(tǒng)流程圖如圖5所示，干燥工藝流程如下：

圖5 電磁感應加熱裝置控制流程圖

步驟1：在經(jīng)過鋼板拋丸處理后，采用紅外成像儀器檢測環(huán)境溫度值T0 并對所述鋼材表面溫度進行檢測獲取所述鋼板表面溫度值T1。

步驟2： 所述鋼板經(jīng)過不銹鋼輥道傳輸通過導向限位裝置。

步驟3：啟動加熱裝置，在所述鋼板進入噴漆室前，對鋼板進行預熱；啟動加熱裝置前，冷水機根據(jù)環(huán)境溫度選擇夏季模式（T0 在20℃～40℃）或冬季模式（T0 在0℃～20℃）；

夏季模式，鋼板進入預熱區(qū)域，加熱裝置對鋼板加熱至預設溫度T2 （60℃～65℃）； 鋼板離開加熱區(qū)域100mm后，加熱裝置停止工作；

冬季模式， 鋼板進入預熱區(qū)域， 加熱裝置對鋼板加熱，鋼板表面監(jiān)測溫度值T2，使鋼板表面達到設定溫升△T（T2-T1，40℃～45℃）；鋼板離開加熱區(qū)域100mm 后，加熱裝置停止工作；

預熱過程中夏季模式下加熱溫度T2 高于65℃或冬季模式下溫升高于45℃時，加熱裝置調(diào)整加熱電源、控制溫度或溫升；如果所述狀況持續(xù)時間大于10s 時，加熱裝置停止加熱，報警提示，輸送線停止，人工解除故障，重新開啟預熱工藝。

步驟4：所述鋼板進入噴涂室，鋼板表面噴涂均勻在水性涂料膜，其中水性涂料膜厚度10～15μm，水性涂料中水的質(zhì)量百分數(shù)為10%～30%；噴涂完成后鋼板在輸送輥道上1min 內(nèi)自然干燥。

4 電磁感應加熱裝置應用注意事項

根據(jù)電磁感應加熱裝置技術特點及運用環(huán)境， 應用時需注意以下事項：

（1）裝機功率高。加熱裝置采用電磁加熱，其加熱裝置裝機電功率較高， 運用時需要考慮生產(chǎn)線電力擴容問題。

（2）防火防爆。加熱裝置中電氣設施及線路采用防爆電氣、 密封及隔爆等措施進行防爆處理， 達到GB50058《爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》 及GB19517《國家電氣設備安全技術規(guī)范》等標準的規(guī)定。

（3）電磁輻射。 加熱裝置運行過程中產(chǎn)生電磁輻射。電磁輻射符合國家電磁輻射安全標準， 達到GB 8702—2014《電磁環(huán)境控制限值》及GBZ/T 189.2—2007 中對工作場所電磁場的有關要求。

5 結論

根據(jù)電磁感應加熱裝置在公司薄板預處理線上的運行情況分析， 采用電磁感應加熱技術研制的電磁感應加熱裝置應用于鋼板預處理線， 此方案可實現(xiàn)板料水性預涂底漆噴涂后快速干燥，解決預涂底漆難干問題；電磁感應加熱裝置具備高效節(jié)、低碳環(huán)保、占地小及易實現(xiàn)智能化控制等優(yōu)點。

（1）干燥效率高：采用電磁感應加熱工藝，可實現(xiàn)預熱鋼板噴涂水性涂料后1 min 內(nèi)自然干燥。

（2）簡化工藝流程：電磁感應加熱干燥工藝簡化了水性涂料的干燥工藝流程。 干燥工藝由原來“預熱+燃氣烘干+吹風”的方式變?yōu)椤邦A熱+自然干燥”。

（3）節(jié)約場地：可替代傳統(tǒng)天然氣烘干工藝，取消加熱設施，縮短烘干室尺寸，只保留通風及廢氣處理設施，可節(jié)約場地80～150m2。

（4）便于安裝：電磁感應加熱裝置在生產(chǎn)線傳輸輥道上安裝長度小于1m，設備占用空間小，方便并線安裝。

（5）高效智能節(jié)能：設備智能運行，無需預熱，熱效率高、耗能低，高效節(jié)能，每年能源節(jié)約費用約11.02 萬元。

（6）安全低碳環(huán)保：電磁感應加熱裝置采用清潔能源電能，減少天燃氣應用安全隱患，安全性較好；熱源不采用天然氣，減少CO2排放，預計年直接減少天燃氣燃燒碳排放量約241.4 tCO2e。

電磁感應加熱工藝可取代傳統(tǒng)燃氣烘干工藝， 將預處理線烘干工藝過程能源結構由天然氣調(diào)整為電能，減少生產(chǎn)過程中二氧化碳的直接排放，符合國家“雙碳”政策要求，切合目前的行業(yè)綠色智造需求，具有較好的推廣應用價值。 （本論文設計相關技術已申報發(fā)明專利）