文/賈秀臣，徐萬湖，王汝秀，程志旗，高波·中國重型汽車集團濟南鑄鍛中心

鍛件中頻加熱爐的應(yīng)用分析

文/賈秀臣，徐萬湖，王汝秀，程志旗，高波·中國重型汽車集團濟南鑄鍛中心

賈秀臣，設(shè)備動能部設(shè)備技術(shù)員，助理工程師，主要從事電氣設(shè)備的維修、保養(yǎng)工作，并積極參與企業(yè)的節(jié)能降耗工作，主持完成多項設(shè)備技術(shù)改造，其中MP8000T轉(zhuǎn)向節(jié)冷卻線余熱的再利用項目獲得重汽集團優(yōu)秀成果二等獎。

中頻感應(yīng)加熱的基本原理是當導(dǎo)體在磁場中運動或處在變化的磁場中時，會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，導(dǎo)體內(nèi)部形成渦流，引起較大的渦流損耗。中頻感應(yīng)加熱即是依靠這些渦流的能量達到加熱目的。感應(yīng)加熱具有加熱效率高、速度快、可控性好及易于實現(xiàn)機械化和自動化的優(yōu)點。看不見摸不著的電磁場一旦變身高效的“熱場”，可比傳統(tǒng)加熱方式節(jié)電30%左右，其加熱效率高達90%。故感應(yīng)加熱技術(shù)在鍛件棒料加熱方面更有優(yōu)勢。

近年來，我國汽車工業(yè)取得了突飛猛進的發(fā)展，它的發(fā)展極大的促進了鍛壓行業(yè)的發(fā)展和技術(shù)進步。鍛造加熱部分是整個鍛造過程中極為重要的一環(huán)，其主要功能是提高坯料的塑性，降低變形抗力，使之易于成形，并獲得良好的鍛后組織。加熱設(shè)備的正確選擇對提高鍛造生產(chǎn)效率，降低能源消耗，減少環(huán)境污染，都有關(guān)鍵的作用。

目前傳統(tǒng)的鍛件加熱爐有天然氣加熱爐、燃煤爐等，它們的熱氧化損耗率較高，天然氣爐加熱的氧化燒損率為2%，燃煤爐氧化燒損率達到3%，如此高的燒損率勢必造成原材料的浪費。隨著社會的發(fā)展和人們環(huán)保節(jié)能意識的提高，天然氣爐等傳統(tǒng)加熱設(shè)備逐漸暴露出了各方面的缺陷與不足：首先在開始加熱鍛件之前，必須先對爐子進行預(yù)加熱，因此要消耗許多本不需要的能源，增加了鍛件成本；另外大規(guī)模鍛件生產(chǎn)必然會選用容量較大的加熱爐，設(shè)備占地面積大，維護成本高，使用一段時間后要停爐檢修、砌筑；而且傳統(tǒng)加熱爐燃燒的溫度波動較大，不利于爐溫的精確控制，嚴重影響鍛件產(chǎn)品的各項性能指標。

感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用于鍛件加熱的優(yōu)越性

要解決以上傳統(tǒng)加熱設(shè)備帶來的種種不足，就必須盡快找到一種或多種新型的生產(chǎn)加熱方式，并應(yīng)用到鍛件生產(chǎn)中。電磁感應(yīng)加熱爐即是其中一種理想的加熱生產(chǎn)設(shè)備。其優(yōu)點如下：

⑴由于中頻感應(yīng)加熱的原理為電磁感應(yīng)，非接觸式加熱，加熱方式升溫速度快，所以氧化極少，加熱效率高，工藝重復(fù)性好。

⑵操作簡單，自動化程度高，選用自動上料和自動出料分檢裝置,可實現(xiàn)全自動無人操作。

⑶加熱均勻，溫控精度高，感應(yīng)加熱易實現(xiàn)均勻加熱。溫度調(diào)節(jié)方便，穩(wěn)定性好,可靠性高,功率精密連續(xù)可調(diào)，從而可實現(xiàn)對溫度的精確控制。

⑷感應(yīng)加熱與其他加熱方式相比，加熱效率高、能耗低、無污染。

⑸作業(yè)環(huán)境好，幾乎沒有熱、噪聲和灰塵；設(shè)備占地面積小，生產(chǎn)效率高。

⑹中頻感應(yīng)加熱鍛件的氧化燒損率僅為0.5%，加熱每噸鍛件比傳統(tǒng)加熱爐節(jié)約鋼材原材料20～50kg。

對鍛件的大批量生產(chǎn)而言，感應(yīng)加熱解決了傳統(tǒng)鍛件生產(chǎn)線難以聯(lián)機生產(chǎn)的難題。對于感應(yīng)加熱裝置，可頻繁地起停、控制溫度的精度高、自動化程度高，這樣就使鍛件質(zhì)量的進一步提高成為可能；檢修其他設(shè)備或因故停機時，可將感應(yīng)電源暫時關(guān)閉，既節(jié)約了能源，又能保證故障排除后及時恢復(fù)生產(chǎn)，適合現(xiàn)代環(huán)保、自動化的要求。

我單位轉(zhuǎn)向節(jié)生產(chǎn)線采用成形鍛壓技術(shù)，對坯料的溫度、透熱程度、尺寸、重量等有非常嚴格的要求，采用傳統(tǒng)的天然氣加熱不僅很難實現(xiàn)自動連線，也無法保證產(chǎn)品的鍛后質(zhì)量。而采用中頻感應(yīng)加熱爐就會大大提高鍛件的產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)節(jié)拍，改善職工的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，節(jié)約原材料。

感應(yīng)加熱技術(shù)原理

鍛件中頻感應(yīng)加熱爐是一種將工頻50Hz交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹蓄l(300Hz以上至20kHz)的電源裝置，把三相工頻交流電，整流后變成直流電，再把直流電變?yōu)榭烧{(diào)節(jié)的中頻電流，供給由電容和感應(yīng)線圈里流過的中頻交變電流，在感應(yīng)圈中產(chǎn)生高密度的磁力線，并切割感應(yīng)圈里盛放的金屬棒料，在金屬材料中產(chǎn)生很大的渦流。我單位轉(zhuǎn)向節(jié)生產(chǎn)線就是把根據(jù)工藝尺寸制作好的棒料段放在有交變中頻電流的感應(yīng)線圈里，圓柱體棒料并沒有與感應(yīng)線圈直接接觸，圓柱體料段由于受到感應(yīng)磁場的作用而被“加熱”，而且這種“加熱”的深度和速度只要調(diào)節(jié)頻率大小和電流的強弱就能進行控制。

感應(yīng)加熱是把電能通過電磁能的相互轉(zhuǎn)換，最終轉(zhuǎn)化成金屬內(nèi)部的熱能，達到加熱的目的。感應(yīng)加熱的原理，如圖1所示。

圖1 感應(yīng)加熱的原理

交變的電流i通過感應(yīng)線圈時，由于電流的磁效應(yīng)，會在線圈內(nèi)部產(chǎn)生相同頻率的交變磁通。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，置于交變的磁通中的金屬工件內(nèi)部會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e，顯然，這也是一個交變的等頻率正弦量，并且相位上有90°的延遲?？梢缘玫礁袘?yīng)電動勢的有效值E。由于感應(yīng)電動勢的大小與頻率高低和磁場的強度成正比。因此，可以通過提高振蕩頻率和磁場強度的方法來提高感應(yīng)電動勢。

由分析可見，感應(yīng)加熱是靠感應(yīng)線圈把電能轉(zhuǎn)化為金屬內(nèi)部的熱能。感應(yīng)線圈與被加熱金屬并不直接接觸，能量是通過電磁感應(yīng)傳遞的。另外需要指出的是，感應(yīng)加熱的原理與一般電氣設(shè)備中產(chǎn)生渦流以及渦流引起發(fā)熱的原理是相同的，不同的是在一般電氣設(shè)備中渦流是有害的，而感應(yīng)加熱卻恰恰是利用渦流的熱效應(yīng)進行加熱的。

這樣，感應(yīng)電動勢在工件中產(chǎn)生感應(yīng)電流(渦流)，使工件加熱。感應(yīng)電動勢和發(fā)熱量與頻率高低和磁場強弱有關(guān)。感應(yīng)線圈中流過的電流越大，其產(chǎn)生的磁通也就越大，工件中產(chǎn)生的渦流也越大；同樣提高工作頻率也會使工件中的感應(yīng)電流加大，從而增加發(fā)熱量，使工件升溫加快。另外，渦流的大小還與金屬的截面大小、截面形狀、導(dǎo)電率、導(dǎo)磁率以及透入深度有關(guān)。

感應(yīng)加熱的整個過程是這樣的，首先通過感應(yīng)線圈把電能轉(zhuǎn)化成磁能，交變的磁場產(chǎn)生同頻率交變的電動勢E，交變電動勢E作用于金屬工件后，形成閉合回路，在工件表面產(chǎn)生電流（即渦流），電流的流動對工件進行加熱。

效益分析

我單位轉(zhuǎn)向節(jié)中頻感應(yīng)加熱爐現(xiàn)已經(jīng)投產(chǎn)，其節(jié)能效果顯著，改造前后的原材料燒損量比較見表1。

表1 改造前后的原材料燒損量比較

在生產(chǎn)過程中遇到設(shè)備故障、工裝損壞、工藝缺陷等問題需要中停時，中頻感應(yīng)加熱爐由于升溫速度快、氧化皮薄，工藝重復(fù)性好，可大大降低產(chǎn)品的廢品率和返修品率。2014年減少廢品損失大約45萬元。

天然氣爐加熱熱量流失高，加熱效率低。而中頻感應(yīng)加熱爐加熱時坯料相當于負載，爐膛內(nèi)無坯料時負載消失，幾乎沒有電能浪費，加熱效率遠高于天然氣加熱，年可節(jié)約能源費用70萬元左右。

由于天然氣爐加熱升溫緩慢，冷爐加熱時間長（一般為3小時左右），影響第一班的班產(chǎn)量；且加熱效率低，每爐料段鍛打完成后，存在待料時間，在一定程度上制約著生產(chǎn)效率的提高，改造前轉(zhuǎn)向節(jié)班產(chǎn)量為350件左右。中頻感應(yīng)電爐加熱升溫快，生產(chǎn)過程中可連續(xù)生產(chǎn)，減少了等待料段加熱的時間，經(jīng)測算班產(chǎn)量可達到420件。天然氣爐加熱需要2人操作，且勞動強度大；中頻感應(yīng)加熱爐僅需1人操作即可。

天然氣爐煙氣排放中含有大量二氧化碳和少量的二氧化硫。二氧化碳為溫室氣體，二氧化硫為有害氣體污染環(huán)境；再加上天然氣爐密封不嚴，部分煙氣直接排放到車間內(nèi)，嚴重影響一線員工的作業(yè)環(huán)境。中頻感應(yīng)加熱爐投入后有效的改善車間的工作環(huán)境，大大降低了有害氣體的排放量。

結(jié)束語

中頻感應(yīng)加熱爐不僅為我單位帶來了以上效益，而且在產(chǎn)品質(zhì)量方面也有很大提高。正是由于中頻感應(yīng)加熱爐所具有的一些其他加熱方式不可比擬的優(yōu)點，如加熱效率高、加熱速度快、被加熱物的表面氧化少、溫度容易控制、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、容易實現(xiàn)自動控制、作業(yè)環(huán)境好、幾乎沒有噪聲和灰塵污染、設(shè)備占地面積小、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。該技術(shù)一進入中國市場，就在中國鑄鍛行業(yè)引起了革命性的發(fā)展，特別是汽車零部件生產(chǎn)廠紛紛推行。盡管由傳統(tǒng)的加熱爐改造為中頻感應(yīng)加熱爐需要大量的資金投入，但綜合其節(jié)能效果、生產(chǎn)能力、提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面，前期的投資還是值得的！