劉 星， 趙安林， 陳文興， 袁 寧， 劉軍祥， 鄺穩(wěn)鋼

（中車長江集團(tuán)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(shí)現(xiàn)新造及修理貨車全面應(yīng)用環(huán)保水性涂料的目標(biāo)。 鋼板水性涂料底、面漆的應(yīng)用技術(shù)已較為成熟，其中板料預(yù)處理線底漆烘干工藝主要采用“紅外輻射預(yù)熱+燃?xì)夂娓伞保谶\(yùn)用過程中，出現(xiàn)鋼板水性預(yù)涂底漆在低溫天氣下難以快速干燥的問題。

為解決水性預(yù)涂底漆快速干燥問題， 開展電磁感應(yīng)加熱技術(shù)在鋼板預(yù)處理線水性預(yù)涂底漆快速干燥的應(yīng)用研究?；陔姶鸥袘?yīng)加熱技術(shù)研制的電磁感應(yīng)加熱裝置，制定鐵路貨車鋼板預(yù)處理線水性預(yù)涂底漆（涂料膜的厚度為10～15μm，涂料中水的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為10%～30%）快速干燥工藝方案，可實(shí)現(xiàn)鋼板預(yù)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(yīng)加熱鋼板的技術(shù)原理

電磁感應(yīng)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(yùn)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(yùn)行通過感應(yīng)線圈區(qū)域時(shí)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(shí)現(xiàn)鋼板加熱的效果。

1.2 電磁感應(yīng)加熱裝置的鋼板預(yù)處理工藝分析

電磁感應(yīng)加熱裝置設(shè)置于預(yù)處理線拋丸室與噴漆室之間，靠近噴漆室。 鋼板通過拋丸預(yù)處理后，在水性涂料噴涂前進(jìn)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(yù)處理線工藝流程如圖1 所示。

圖1 鋼板預(yù)處理線電磁感應(yīng)加熱工藝流程

2 電磁感應(yīng)加熱裝置方案設(shè)計(jì)

2.1 使用工況及加熱對象

（1）使用現(xiàn)場：板材薄板預(yù)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(shí)，寬度方向位置變化在±100 mm。

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

2.2 技術(shù)指標(biāo)及要求

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

（2）電磁感應(yīng)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(shí)，電磁感應(yīng)加熱裝置不應(yīng)對除預(yù)處理鋼板外的其它設(shè)施產(chǎn)生預(yù)熱效應(yīng)。

（4）防爆等級：ExdeⅡBT6、DIP A20 TA 或更高。

2.3 設(shè)計(jì)中遵照的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

方案設(shè)計(jì)中涉及的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）氣動系統(tǒng)通用技術(shù)條件：GB 7932-87。

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

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

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

（5）可燃性粉塵環(huán)境用電氣設(shè)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(shè)備 一般要求IEC 60079-0-2011。

（7）可靠性基本名詞術(shù)語及定義：GB 3187-82。

2.4 加熱源選擇和參數(shù)計(jì)算

2.4.1 加熱源

通過試驗(yàn)對比幾種加熱方式， 根據(jù)加熱板厚選擇超音頻感應(yīng)加熱方式作為鋼板加熱的加熱源。 加熱電源的兩個(gè)重要指標(biāo)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(yīng)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(jì)算方法

根據(jù)鋼板電磁感應(yīng)加熱采用高效節(jié)能的透入式加熱方式，電流透入深度計(jì)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(dǎo)磁率（H/cm）；f—電流頻率（Hz）。

加熱電源頻率計(jì)算公式：

式中：鋼板表面溫度為40℃時(shí)電阻率ρ 為29×10-6Ω·cm，鋼板的相對磁導(dǎo)率為μγ=5050，當(dāng)選取設(shè)計(jì)加熱透入深度為1mm 時(shí)，則可計(jì)算出加熱電源工作頻率為1.5kHz；

由計(jì)算公式可以看出，當(dāng)材料電阻率、相對磁導(dǎo)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(shè)計(jì)工作頻率段為：25kHz 時(shí)，計(jì)算電流設(shè)計(jì)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(yīng)加熱電源的另外一個(gè)重要指標(biāo)，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(jì)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(shè)計(jì)加熱溫升： 40℃。

（3）鋼板傳輸線速度：6m/min。

2.4.3.2 計(jì)算方法

（1）加熱工件重量：

式中：M—單位時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間（s）。

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

設(shè)線圈耦合效率η2=70%，加熱電源效率為η1=87%，計(jì)算加熱電源實(shí)際輸入為：

139/（0.7×0.78）=228kW

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

表1 加熱電源功率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

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

2.4.3.3 感應(yīng)加熱電源達(dá)到的技術(shù)要求

（1）溫度控制保證鋼板表面加熱溫度、加熱速度達(dá)到工藝技術(shù)要求。

（2）保證加熱電源連續(xù)工作。

（3）電源故障率低、維護(hù)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(dāng)有鋼板經(jīng)過線圈時(shí)，感應(yīng)電源才開始工作，鋼板離開線圈時(shí)，感應(yīng)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(bào)警。

（6） 感應(yīng)電源和冷水機(jī)的互鎖功能： ①冷水機(jī)故障時(shí)，輸出故障信號，上位機(jī)接收到該故障信號，立即停止高頻感應(yīng)加熱設(shè)備； ②感應(yīng)加熱設(shè)備本身具備水壓檢測功能，設(shè)備主機(jī)和分機(jī)內(nèi)各裝有一個(gè)水壓開關(guān)，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(bào)警功能被觸發(fā)，停止加熱；③感應(yīng)加熱設(shè)備具有過熱報(bào)警功能， 當(dāng)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(bào)警被觸發(fā)，停止加熱。

3 電磁感應(yīng)加熱裝置組成和總體工藝布置

3.1 實(shí)施方案

電磁感應(yīng)加熱裝置包括1 臺電磁感應(yīng)電源、2 套電磁線圈裝置及加熱線圈、1 臺冷水機(jī)、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(jié)構(gòu)示意圖及組成圖如圖3、圖4 所示。

圖2 電磁感應(yīng)加熱裝置工藝布局圖

圖3 電磁感應(yīng)加熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 加熱工藝過程介紹

以鐵路貨車鋼板預(yù)處理線為例，在預(yù)處理線（運(yùn)行速度6～9m/min），采用電磁感應(yīng)加熱裝置對拋丸后鋼板（板厚1.5～10mm）進(jìn)行噴涂前加熱，工藝流程預(yù)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(yīng)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(jìn)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(dǎo)向限位裝置。

步驟3：啟動加熱裝置，在所述鋼板進(jìn)入噴漆室前，對鋼板進(jìn)行預(yù)熱；啟動加熱裝置前，冷水機(jī)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(jìn)入預(yù)熱區(qū)域，加熱裝置對鋼板加熱至預(yù)設(shè)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(jìn)入預(yù)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(dá)到設(shè)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(yù)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(shí)，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(shí)間大于10s 時(shí)，加熱裝置停止加熱，報(bào)警提示，輸送線停止，人工解除故障，重新開啟預(yù)熱工藝。

步驟4：所述鋼板進(jìn)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?jǐn)?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(yīng)加熱裝置應(yīng)用注意事項(xiàng)

根據(jù)電磁感應(yīng)加熱裝置技術(shù)特點(diǎn)及運(yùn)用環(huán)境， 應(yīng)用時(shí)需注意以下事項(xiàng)：

（1）裝機(jī)功率高。加熱裝置采用電磁加熱，其加熱裝置裝機(jī)電功率較高， 運(yùn)用時(shí)需要考慮生產(chǎn)線電力擴(kuò)容問題。

（2）防火防爆。加熱裝置中電氣設(shè)施及線路采用防爆電氣、 密封及隔爆等措施進(jìn)行防爆處理， 達(dá)到GB50058《爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》 及GB19517《國家電氣設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

（3）電磁輻射。 加熱裝置運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)， 達(dá)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(guān)要求。

5 結(jié)論

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

（1）干燥效率高：采用電磁感應(yīng)加熱工藝，可實(shí)現(xiàn)預(yù)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(yīng)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(yù)熱+燃?xì)夂娓?吹風(fēng)”的方式變?yōu)椤邦A(yù)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(shè)施，縮短烘干室尺寸，只保留通風(fēng)及廢氣處理設(shè)施，可節(jié)約場地80～150m2。

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

（5）高效智能節(jié)能：設(shè)備智能運(yùn)行，無需預(yù)熱，熱效率高、耗能低，高效節(jié)能，每年能源節(jié)約費(fèi)用約11.02 萬元。

（6）安全低碳環(huán)保：電磁感應(yīng)加熱裝置采用清潔能源電能，減少天燃?xì)鈶?yīng)用安全隱患，安全性較好；熱源不采用天然氣，減少CO2排放，預(yù)計(jì)年直接減少天燃?xì)馊紵寂欧帕考s241.4 tCO2e。

電磁感應(yīng)加熱工藝可取代傳統(tǒng)燃?xì)夂娓晒に嚕?將預(yù)處理線烘干工藝過程能源結(jié)構(gòu)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(yīng)用價(jià)值。 （本論文設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)已申報(bào)發(fā)明專利）