田 才，薛紅金，金 琳，孔詳明，王建華，李志鵬

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司冷軋作業(yè)部，河北 唐山 063210）

隨著汽車輕量化和安全標(biāo)準(zhǔn)的要求逐年提高，冷軋高強鋼的使用比例逐漸提高，電磁感應(yīng)加熱器是冷軋熱鍍鋅機(jī)組開發(fā)超高強鋼及特殊鋼種重要工藝設(shè)備，帶鋼經(jīng)感應(yīng)加熱器可以快速提溫，高強鋼具有非常高的強度和屈強比，感應(yīng)加熱器穩(wěn)定運行作為超高強鋼生產(chǎn)的工藝設(shè)備保證前提，因故障會導(dǎo)致產(chǎn)品無法生產(chǎn)，甚至造成開爐一般性事故發(fā)生。查閱感應(yīng)加熱器控制的相關(guān)文獻(xiàn)對其原理的研究和介紹比較寬泛，本文結(jié)合電磁感應(yīng)加熱器使用過程故障案例，對其具體原理進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)了使用過程中存在的問題并提出了優(yōu)化，對其他生產(chǎn)線具有一定的借鑒意義。

1 設(shè)備組成及工作原理

電磁感應(yīng)加熱器主要分類為：邊部感應(yīng)加熱器、縱磁感應(yīng)加熱器、橫磁感應(yīng)加熱器等，立式退火爐主要應(yīng)用為橫磁、縱磁兩種感應(yīng)加熱器較多，縱切感應(yīng)加熱器在立式退火爐中運用更為廣泛。

1.1 電磁感應(yīng)加熱器系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要有電源柜、感應(yīng)體、冷卻單元、控制柜四部分組成：

1）電源柜主要由框架斷路器、整流橋、逆變橋、高頻電容器組、濾波器、保護(hù)測量電路和水冷管路組成，電源柜通過銅排向感應(yīng)體供電，將工頻交流電變?yōu)楦哳l電源，通過高頻電容與感應(yīng)體形成并聯(lián)諧振電路，進(jìn)而在感應(yīng)體中形成交變磁場。

2）感應(yīng)體由有源繞組（電感線圈）、屏蔽層、密封層及焊接殼體組成。電感線圈一般有兩種形式，其一銅管繞制而制成，內(nèi)部通冷卻循環(huán)水冷卻；另一種形式銅板線圈，背部焊接冷卻銅管形式。利用電磁感應(yīng)定律，使被加熱帶鋼在磁場中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，隨之形成的渦流引起焦耳熱效應(yīng)達(dá)到加熱目的。

3）冷卻單元主要由換熱器、水循環(huán)管道、循環(huán)水泵、應(yīng)急泵、三通閥、樹脂罐、補水罐、控制柜及測量傳感器組成。脫鹽水為設(shè)備冷卻內(nèi)循環(huán)，工業(yè)水為冷卻外循環(huán)，兩者通過板式換熱器進(jìn)行熱量交換。循環(huán)水泵2 臺互為備用且自動切換，當(dāng)水冷單元異常情況發(fā)生故障時將自動切換應(yīng)急泵，此時將切斷感應(yīng)器電源并只對感應(yīng)體線圈進(jìn)行降溫。當(dāng)電導(dǎo)率計檢測內(nèi)循環(huán)水電導(dǎo)率升高時將開啟樹脂管水循環(huán)降低冷卻水電導(dǎo)率，保證內(nèi)循環(huán)冷卻水滿足使用需求。通過冷卻水循環(huán)冷卻保證了電源柜和感應(yīng)體的運行溫度。

4）控制柜一般集成在電源柜本體上或者單獨一臺控制柜，主要由西門子S7-300/1500 PLC 及觸摸屏等電器原件組成，通過交換機(jī)與主線爐區(qū)PLC 通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過自定義數(shù)據(jù)塊接受、發(fā)送相關(guān)信息，判斷感應(yīng)加熱器與爐區(qū)PLC 數(shù)據(jù)通訊正常，監(jiān)控電源柜內(nèi)電流、電壓、水流壓力、循環(huán)泵、閥門等動作狀態(tài)，感應(yīng)加熱器內(nèi)部自由溫度控制程序，實現(xiàn)感應(yīng)器溫度閉環(huán)控制。

圖1 感應(yīng)加熱器組成

1.2 電磁感應(yīng)加熱器工作原理

基于法拉第電磁感應(yīng)定律，在被加熱帶鋼區(qū)域設(shè)置一組感應(yīng)線圈，線圈中流過高頻電流時，產(chǎn)生交變磁場，在帶鋼上產(chǎn)生渦流效應(yīng)，實現(xiàn)對帶鋼加熱。

圖2 感應(yīng)加熱原理

2 系統(tǒng)功率設(shè)定及控制原理

2.1 功率設(shè)定

常見功率設(shè)定分為直接功率給定和功率計算兩種模式，兩種模式均可以通過本地/遠(yuǎn)程兩種方式進(jìn)行設(shè)定。

2.1.1 直接功率給定

本地模式下，在控制柜通過HMI 觸摸屏面板設(shè)定功率給定，將實際功率顯示為直觀的柱狀圖，屬于溫度開環(huán)控制，常用于感應(yīng)加熱調(diào)試初期單體測試階段。

2.1.2 遠(yuǎn)程功率給定

遠(yuǎn)程模式下，通過退火爐HMI 界面設(shè)定，通過爐區(qū)PLC 與感應(yīng)器PLC 數(shù)據(jù)通訊進(jìn)行給定，感應(yīng)加熱器PLC 收到的遠(yuǎn)程直接功率給定值后進(jìn)行功率輸出，其次在HMI 界面設(shè)定感應(yīng)加熱功率值，設(shè)定值發(fā)送給感應(yīng)加熱PLC，接受到設(shè)定功率后感應(yīng)加熱實現(xiàn)功率控制。另外在HMI 界面設(shè)定帶鋼加熱溫度，設(shè)定溫度發(fā)送給感應(yīng)加熱PLC，接受到設(shè)定溫度后感應(yīng)加熱功率計算實現(xiàn)溫度閉環(huán)。

2.2 功率計算

在遠(yuǎn)程或本地模式下，如果開啟功率計算，通過感應(yīng)器PLC 內(nèi)部功率模型計算輸出功率。該計算功率取決于帶鋼的寬度、厚度、感應(yīng)器出口設(shè)定溫度、感應(yīng)器入口溫度、環(huán)境溫度、帶鋼的輻射系數(shù)、帶鋼的速度。另外可以通過退火爐控制器內(nèi)部根據(jù)溫度設(shè)定溫度控制模式，最后計算出需求功率發(fā)送感應(yīng)器PLC 控制器，進(jìn)行功率輸出。

遠(yuǎn)程模式下啟動功率計算時，帶鋼參數(shù)通過通訊下發(fā)到感應(yīng)加熱器控制器中，帶鋼相關(guān)參數(shù)變量通過DB 數(shù)據(jù)塊進(jìn)行傳送。傳送帶鋼信息數(shù)據(jù)塊見表1。

表1 傳送帶鋼信息數(shù)據(jù)塊

其次，功率計算相關(guān)參數(shù)可以通過感應(yīng)加熱器控制柜本地HMI 觸摸屏手動輸入設(shè)定，此不利于功率計算的及時性，無法跟隨帶鋼信息變化進(jìn)行更新，只適應(yīng)于初始單體調(diào)試階段。

2.3 功率模型

感應(yīng)加熱器功率計算通過PLC 內(nèi)部功率模型產(chǎn)生，功率模型程序塊為FB 塊，背景數(shù)據(jù)塊為DB，當(dāng)本地或遠(yuǎn)程功率計算開啟時，將模型計算功率下發(fā)到控制板內(nèi)（模型功能塊見圖3），將需求功率輸出。功率模型參數(shù)說明如表2。

圖3 功率計算模型功能塊

表2 功率模型參數(shù)

2.3.1 加熱功率

帶鋼加熱功率Pt通過帶鋼質(zhì)量、加熱溫度和比熱容計算，計算公式如下：

式中：Me為單位時間內(nèi)通過感應(yīng)器的帶鋼質(zhì)量，kg/s；DT為需要提高的帶鋼溫差，Cp為帶鋼的比熱容。

單位時間內(nèi)通過感應(yīng)加熱器的帶鋼質(zhì)量通過下式計算：

2.3.2 輻射損耗

帶鋼輻射損耗功率Py計算方法如下：

式中：當(dāng)STIT，Ty=（ST+IT）/2。

2.3.3 對流損失

對流損失Pv的計算方法為：

2.3.4 計算功率

計算功率P 通過加熱功率、輻射損耗、對流損失進(jìn)行計算，計算方法如下：

2.3.5 輸出功率

輸出功率Pc為功率模型的最終輸出功率，該功率值通過模擬量接口發(fā)送至控制器主板或直接設(shè)定功率通過PLC 模擬量4～20 mA 端口輸出輸出功率。具體計算方法如下：

3 常見故障及措施

3.1 故障描述

1）感應(yīng)體線圈燒壞故障，感應(yīng)體線圈由銅管繞制而制成，內(nèi)部通冷卻循環(huán)水降溫，當(dāng)冷卻水系統(tǒng)發(fā)生故障時，冷卻水停止運行，造成線圈內(nèi)部在高溫環(huán)境下線圈發(fā)熱局部燒漏，冷卻水流入退火爐膛，造成爐內(nèi)氣氛異常，無法滿足生產(chǎn)，被迫機(jī)組停機(jī)更換感應(yīng)體。

2）感應(yīng)體屏蔽層采用銅板加水冷管結(jié)構(gòu)形式，因銅板較薄，水冷管采用點焊加耐高溫導(dǎo)熱膏粘接而成，當(dāng)冷卻水停止或者水路內(nèi)部有雜質(zhì)堵塞造成局部高溫，水冷管燒裂故障。

3）感應(yīng)體線圈表層無絕緣處理，在退火爐靠近鋅鍋附近有鋅灰或者氧化鐵皮等金屬粉塵導(dǎo)電介質(zhì)附著在線圈表面，造成線圈內(nèi)部爬電產(chǎn)生電弧將線圈冷卻水管擊穿。

4）感應(yīng)體線圈與屏蔽層間無密封或者密封效果差，退火爐內(nèi)高溫氣溫進(jìn)入，長時間高溫氣氛容易將線圈支撐架氧化，造成支架斷裂或者電弧故障。

3.2 優(yōu)化措施

1）優(yōu)化線圈結(jié)構(gòu)形式由銅管改為銅板，銅板結(jié)構(gòu)形式不僅自身冷卻缺陷，可以有效地避免管式線圈停水燒漏。

2）優(yōu)化屏蔽層結(jié)構(gòu)形式，將屏蔽層改為全鋁無需冷卻水管，減少漏水風(fēng)險，同時將鋁殼設(shè)計成可拆卸式，打開外殼檢查感應(yīng)體線圈內(nèi)部清潔度及滲水情況。

3）對線圈表面增加絕緣處理，將對表面進(jìn)行噴涂絕緣漆，可以根據(jù)溫度工況需要選擇絕緣漆的類型。

4）優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)形式，在線圈與感應(yīng)體屏蔽層間增加雙密封氣囊式密封套，然后通過密封套進(jìn)行密封隔離保護(hù)。并在密封套中間通入氮氣進(jìn)行保壓，防止?fàn)t內(nèi)氣氛進(jìn)入感應(yīng)體內(nèi)部，密封套內(nèi)有壓力、流量檢測傳感器，當(dāng)壓力報警時停機(jī)檢查密封套的完好性，保證密封有效性，徹底將爐內(nèi)氣氛與感應(yīng)器線圈隔離開，有效避免線圈進(jìn)入粉塵。

5）感應(yīng)加熱器水系統(tǒng)穩(wěn)定運行是根本保障，如何確保水系統(tǒng)穩(wěn)定，以下幾方面進(jìn)行預(yù)防。

外循環(huán)水路設(shè)置應(yīng)急水系統(tǒng)，當(dāng)外循環(huán)水系統(tǒng)發(fā)生故障停用時，應(yīng)急水進(jìn)入外循環(huán)管路，確保對內(nèi)循環(huán)水換熱功能。

內(nèi)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)配置循環(huán)泵一備一用，設(shè)置1 臺應(yīng)急供電泵，當(dāng)冷卻循環(huán)水1 臺泵故障時備用泵自動啟動，其次2 臺主循環(huán)泵停止后應(yīng)急泵自動切換投用。

增加冷卻水補液罐液位傳感器低液位報警，及時提醒操作人員關(guān)注補水系統(tǒng)，防止冷卻內(nèi)循環(huán)管路水流量不足，降溫能力下降。

優(yōu)化主回路壓力過高主泵停止邏輯，壓力高報警觸發(fā)后延時20 s 切換至UPS 泵啟動，壓力穩(wěn)定后界面復(fù)位切回主泵運行。

感應(yīng)器CPU 掉電或者停止模式時，增加硬線連鎖切至應(yīng)急泵運行，確保內(nèi)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運行。

4 結(jié)語

通過對退火爐電磁感應(yīng)加熱器原理及常見故障的原因進(jìn)行分析，給出了有效預(yù)防措施。在立式退火爐中使用過程感應(yīng)加熱器故障風(fēng)險點較大，通過案例分析及同類型環(huán)境下使用經(jīng)驗，驗證了文中制定措施切實有效，為國內(nèi)同類機(jī)組的故障預(yù)防及處理方法提供了重要借鑒，減少了機(jī)組長時間停機(jī)，能通過快速升溫，提高生產(chǎn)效率，而且能通過感應(yīng)加熱來大幅提高高強鋼的性能，給使用和維護(hù)帶來便利。