■ 郭晉龍　劉偉　李平　王其昌

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感應加熱技術在鋼軌熱處理中的應用研究

■ 郭晉龍劉偉李平王其昌

摘 要：從不同形狀線圈和不同匝數(shù)線圈加熱效果方面研究線圈結(jié)構(gòu)，通過試驗分析常用的5種加熱頻率。從中頻變壓器匝比、電容柱與功率關系和不同中頻變壓器匝比與電容匹配時加熱功率及溫度效果方面研究加熱功率，提出感應線圈匝數(shù)與變壓器匝比最佳匹配時正火設備的功效最大。變壓器匝比為20︰1時，單圈感應器功率最大；變壓器匝比為10︰1時，雙圈感應器功率最大。

關鍵詞：感應加熱；鋼軌熱處理；線圈結(jié)構(gòu)；雙中頻加熱；加熱功率

0　引言

鋼軌截面為不規(guī)則形狀，熱處理時很難保證其全斷面加熱溫度均勻。因此，鋼軌焊縫熱處理加熱一直是鋼軌焊接行業(yè)的熱議話題。近年來，很多研究人員對鋼軌焊縫熱處理全過程進行不同方向的研究。通過試驗及調(diào)研等方式，研究在不同感應線圈結(jié)構(gòu)、頻率及功率下，感應加熱鋼軌時的鋼軌斷面溫度變化，得到一些試驗數(shù)據(jù)和推論，有助于鋼軌熱處理工藝技術的發(fā)展。

1　線圈結(jié)構(gòu)研究

1.1不同形狀線圈加熱效果對比

在鋼軌焊接過程中，電感應加熱技術已取代傳統(tǒng)氧乙炔焰正火熱處理技術，采用不同形狀正火感應線圈進行了多次加熱鋼軌試驗。各種線圈結(jié)構(gòu)及鋼軌斷面相應位置見圖1。

圖1（a）線圈是1986年以來常用的線圈，其導線引出位置在軌底腳。在加熱試驗時發(fā)現(xiàn)軌腳12與15位置有明顯溫差，位置12的溫度較位置15低30～35 ℃，而在位置14出現(xiàn)高溫區(qū)。

圖1（b）線圈是增加了與位置14的距離后的感應器，加熱結(jié)果顯示鋼軌底部三角區(qū)高溫情況有所好轉(zhuǎn)，但由于間距加大，感應加熱效率略有損失，鋼軌底腳邊沿的溫差仍然存在，加熱速度慢于圖1（a）線圈。

圖1（c）線圈為武漢利德測控技術有限公司使用，主要用于線路鋼軌焊接熱處理設備，經(jīng)測量，鋼軌頂部中心位置2的溫度低于位置1和位置3約40 ℃，軌底三角區(qū)溫度沒有產(chǎn)生過熱，加熱速度慢于圖1（a）線圈。

圖1　各種線圈結(jié)構(gòu)及鋼軌斷面

圖1（d）加熱線圈為昆明鐵路局黃龍山焊軌基地使用，其導線引出位置在軌底正中間。線圈在試驗時溫度比較均勻，但由于變壓器在加熱線圈下面，金屬粉塵、焊渣會落入中頻變壓器內(nèi)，引起變壓器絕緣下降。如果延長線圈與變壓器距離或改變安裝位置，將影響線圈循環(huán)水的冷卻效果并加大維修難度，且清理比較困難。經(jīng)對變壓器位置調(diào)整，試驗加熱效果良好，并運用于生產(chǎn)實踐。

圖1（e）線圈是試驗時使用，線圈形狀制作比較麻煩，其導線引出位置在軌腰處，變壓器橫躺放置，冷卻水路安裝困難，加熱效果與圖1（d）加熱線圈相差不大。

上述線圈結(jié)構(gòu)在不同的地方使用了很長時間，正火時間都在4 min內(nèi)完成。試驗表明，線圈導線引出位置處的溫度低于線圈其他位置。通過調(diào)整線圈與鋼軌的距離，可以改善鋼軌全斷面的溫差。

1.2不同匝數(shù)線圈加熱效果對比

目前，常用的感應線圈匝數(shù)有兩種結(jié)構(gòu)：雙匝線圈、單匝線圈（見圖2）。

測溫是在鋼軌端面，在圖1（f）中1—15位置鉆300 mm深的孔，然后將熱電偶插入深孔，采用雙匝與單匝線圈分別進行加熱，測量加熱過程中鋼軌的溫度。采集到的雙匝與單匝線圈加熱曲線數(shù)據(jù)對比見圖3。

圖3中紅色曲線為雙匝線圈數(shù)據(jù)，綠色曲線為單匝線圈數(shù)據(jù)，兩組曲線重合性較高（因在均溫過程中未采用全功率，在高頻段升溫速度較低），單匝與雙匝線圈加熱效果基本一致，加熱功率的大小將影響加熱速率。通過計算說明雙匝與單匝線圈對加熱效果的影響。

圖2　常用感應線圈結(jié)構(gòu)

圖3　加熱曲線數(shù)據(jù)對比

感應加熱裝置的感應器與工件相當于一個變壓器，感應線圈是變壓器的原邊，工件是變壓器的副邊，在對應的感應深度處相當于接成短路，即只相當于一匝[1]。產(chǎn)生的熱量為：

式中：I0為副邊電流（感應電流），A；R為工件電阻，Ω；t為加熱時間，s。

感應線圈的電流與工件感應電流關系為：

式中：n1為感應線圈的匝數(shù)；l1為感應線圈的電流；n0為工件匝數(shù)，相當于一匝；l0為工件感應電流。

采用雙匝與單匝感應線圈對鋼軌加熱時，為保證加熱效果一致，即加熱時間和熱量相同時，單匝線圈電流是雙匝線圈電流的兩倍。試驗表明，采用雙匝線圈時變壓器匝比10︰1，采用單匝線圈時20︰1。因此，合適的變壓器匝比可以保證雙匝與單匝線圈加熱效果一致。

線圈匝數(shù)的選取需根據(jù)實際使用選擇，對焊軌車間固定場合，雙匝線圈比較合適；現(xiàn)場鋼軌熱處理，線圈需要分成2個部分，若采用雙匝線圈需要保證6個接觸點同時接觸良好，可靠性難以保證。因此，使用開合式單匝線圈比較合適，單匝線圈僅需保證上下3個面接觸良好。

鋼軌在加熱過程中，鋼軌的磁導率根據(jù)溫度的變化而改變，當加熱頻率為1 000 Hz，軌頭加熱達到880 ℃時，正火頻率漂移到1 100 Hz。因此，在實際選擇頻率時，一般是指初始加熱頻率。目前，常用的加熱頻率有5種，對5種加熱頻率通過試驗進行了分析。

2　加熱頻率研究

2.1（1 000±200）Hz試驗

試驗采用（1 000±200）Hz時，光電測溫儀對鋼軌表面加熱頻率與溫度曲線見圖4。采用常規(guī)線圈及800～1 200 Hz中頻頻率的電源對60～68 kg/m鋼軌焊縫正火，鋼軌底角常出現(xiàn)溫度欠缺，加熱效果欠佳；而75 kg/m鋼軌，由于軌腳金屬較厚，焊縫正火效果能夠滿足要求。

2.2采用（1 600±200）Hz頻率對鋼軌焊縫正火

采用（1 600±200）Hz的加熱頻率與溫度曲線見圖5。對鋼軌進行加熱尤其是功率較大時，溫升速度較快，溫度測試顯示鋼軌內(nèi)部溫度偏低，且軌頭外表溫度達到限定值時，軌底腳溫度常低于780 ℃，有時不能達到完全相變；落錘檢驗時，有時發(fā)現(xiàn)軌頭中心和軌底三角區(qū)比較亮，表明鋼軌粗晶沒有完全細化，鋼軌未正透。如果需要減小鋼軌內(nèi)部溫度與外表溫度差異，則要在工藝控制方面進行特殊處理，軌頭外表達到820 ℃時，降低加熱功率，減少升溫速度，延長加熱時間，讓鋼軌各部分進行均溫，從而保證鋼軌內(nèi)部金屬組織全部奧氏體轉(zhuǎn)變。部分焊軌車間就是采用這種方式進行正火熱處理。

2.3采用2 000 Hz以上頻率對鋼軌焊縫正火

采用2 000 Hz以上頻率，可使鋼軌表面溫度快速達到800 ℃或更高的溫度，但內(nèi)部大部分粗晶組織得不到細化。這個頻率往往用于金屬材料的表面淬火，用于鋼軌焊縫正火效果不佳。直接采用2 000～2 800 Hz頻率對鋼軌進行加熱試驗，溫度上升速度快，外表溫度均勻，但落錘檢驗時發(fā)現(xiàn)鋼軌內(nèi)部經(jīng)常沒有正透。

圖4　鋼軌表面加熱頻率與溫度曲線

圖5?。? 600±200）Hz的加熱頻率與溫度曲線　

2.4雙中頻率正火方式

采用1 000 Hz進行第一階段加熱，利用低頻透入深度較大，初期對鋼軌進行內(nèi)部加熱；當鋼軌達到設定溫度，再將正火頻率轉(zhuǎn)換到2 300～2 800 Hz進行第二階段加熱，第二階段加熱主要是利用高頻電感應加熱的集膚效應，使較薄的鋼軌底腳溫度迅速提升，實現(xiàn)鋼軌焊縫各部位加熱溫度相近，使鋼軌焊縫的金屬粗晶組織完全得到細化，全斷面正火取得好的效果。雙中頻加熱頻率與溫度曲線見圖6。

2.5采用頻率1 200 Hz加熱一段時間后，線性增加頻率至2 200 Hz

采用1 200 Hz對鋼軌焊縫加熱一段時間后，控制正火頻率采用線性方式上升，最終停留在2 200 Hz。目前，只用這種方式進行了加熱試驗，因沒開展落錘檢驗和相應的機械性能檢測，加熱效果還需考證，有待進一步研究。

通過上述試驗表明，目前采用雙中頻加熱方式對鋼軌進行正火熱處理是最佳方式之一。雙中頻加熱方式可以解決軌底腳溫度過低、全斷面溫差過大的問題。經(jīng)多次試驗，雙中頻加熱頻率最佳參數(shù)低頻段為1 100 Hz、高頻段為2 300 Hz。

圖6　雙中頻加熱頻率與溫度曲線

3　加熱功率研究

3.1中頻變壓器匝比、電容柱與功率的關系

相關研究人員研究發(fā)現(xiàn)，采用雙匝線圈時，中頻變壓器匝比為10︰1時的熱功率最大。焊軌車間一般是采用雙匝線圈和10︰1變壓器匝比。對于單匝線圈，通過改變中頻變壓器匝比及對電容量進行試驗，得到中頻變壓器匝比、電容柱與最大加熱功率對應關系（見表1）。

上述試驗結(jié)果表明，當單匝線圈變壓器匝比在20︰1時功率最大；在1 100 Hz和2 300 Hz頻率附近時，功率最大時變壓器匝比為18︰1和20︰1；在中頻變壓器匝比不變的情況下，改變電容量可改變感應加熱頻率（由于電容每柱為18.5 μF，每調(diào)節(jié)1柱頻率變化較大，無法精確到需要的頻率，建議后續(xù)采用每柱為13 μF的電容）。

對照焊軌車間的線圈結(jié)構(gòu)和變壓器匝比、電容量等參數(shù)，進行分析后得到結(jié)論：采用焊軌車間雙匝感應線圈時，變壓器為10︰1時功率最大，線圈電流約為2 000 A；采用單圈感應線圈時，變壓器匝比為20︰1時功率最大，線圈電流約4 000 A。此結(jié)論與“1.2不同匝數(shù)線圈加熱效果對比”的計算結(jié)果一致。

3.2不同中頻變壓器匝比與電容匹配時加熱功率和溫度效果對比

（1）變壓器匝比14︰1，頻率1 500～2 300 Hz，對應電容8柱、4柱，其數(shù)據(jù)曲線見圖7。功率最大為51 kW，加熱時間長，作業(yè)效率過低，軌頭達到780 ℃約220 s。

（2）變壓器匝比18︰1，頻率1 300～2 000 Hz，對應電容6柱、3柱，其數(shù)據(jù)曲線見圖8。曲線較匝比14︰1有改善，軌頭加熱至780 ℃約120 s，低頻加熱功率約為68 kW，高頻加熱功率約為55 kW。

（3）變壓器匝比18︰1，頻率1 600 Hz，對應電容4柱，其數(shù)據(jù)曲線見圖9。采用單頻加熱，頻率為1 600 Hz，功率最大72 kW，軌頭加熱至780 ℃約115 s，保溫功率55 kW。

（4）變壓器匝比20︰1，頻率1 200～2 200 Hz，對應電容5柱、2柱，其數(shù)據(jù)曲線見圖10。軌頭加熱至780 ℃約92 s，低頻加熱功率約為73 kW，高頻加熱功率約為55 kW。

表1　變壓器匝比、電容柱與加熱功率對應關系

圖7　變壓器匝比14︰1數(shù)據(jù)曲線

圖8　變壓器匝比18︰1、頻率1 300～2 000 Hz時數(shù)據(jù)曲線

圖9　變壓器匝比18︰1、頻率1 600 Hz時數(shù)據(jù)曲線

圖10　變壓器匝比20︰1、頻率1 200～2 200 Hz時數(shù)據(jù)曲線

（5）變壓器匝比20︰1，頻率1 500 Hz，對應電容4柱，其數(shù)據(jù)曲線見圖11。軌頭加熱至780 ℃約80 s，低頻加熱功率約為80 kW，高頻加熱功率約為55 kW（部分試驗中只有1 500 Hz一個頻率，應不分高頻和低頻階段）。

線圈匝比20︰1與18︰1的變壓器的正火方式溫度比較見表2。

綜合上述數(shù)據(jù)分析，變壓器匝比為20︰1時，加熱功率最大，鋼軌全斷面溫差相對較小，且整體鋼軌溫度分布也較集中。采用雙中頻加熱效果優(yōu)于單頻加熱，與“2加熱頻率研究” 結(jié)論一致。

圖11　變壓器匝比20︰1、頻率1 500 Hz時數(shù)據(jù)曲線

表2　變壓器的正火方式溫度比較

4　結(jié)論

（1）感應線圈導線引入位置加熱時，鋼軌溫度低于其他部位，改變感應線圈局部形狀、調(diào)整與鋼軌距離，可改善鋼軌全斷面溫差。

（2）單匝感應線圈或雙匝感應線圈在加熱功率相同時，對鋼軌的加熱效果一致。

（3）感應線圈匝數(shù)與變壓器匝比最佳匹配時，正火設備的功效最大。變壓器匝比為20︰1時，單圈感應器功率最大，變壓器匝比為10︰1時，雙圈感應器功率最大。

（4）采用雙中頻加熱方式對60 kg/m鋼軌加熱的效果優(yōu)于單頻加熱方式，其中較高頻率宜為2 300 Hz，較低頻率宜為1 100 Hz；75 kg/m鋼軌焊縫正火使用單頻率加熱即可滿足正火要求。

5　參考文獻

[1] 付正博. 感應加熱與節(jié)能——感應加熱器（爐）的設計與應用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[2] 趙長漢，姜土林. 感應加熱原理與應用[M].天津：天津科技翻譯出版社，1993.

郭晉龍：呼和浩特鐵路局呼和焊軌段，高級工程師，內(nèi)蒙古 呼和浩特，010051

劉 偉：呼和浩特鐵路局呼和焊軌段，高級工程師，內(nèi)蒙古 呼和浩特，010051

李 平：武漢利德測控技術有限公司，工程師，湖北 武漢，430070

王其昌：武漢利德測控技術有限公司，工程師，湖北 武漢，430070

責任編輯 高紅義

中圖分類號：U213.4

文獻標識碼：A

文章編號：1672-061X（2016）02-0047-05