高效节能的锻造坯料感应加热方式

文／Michael Padberg，Dr. Erwin Dötsch·ABP感应公司

译／程震武·埃博普感应系统(上海)有限公司

高效节能的锻造坯料感应加热方式

文／Michael Padberg，Dr. Erwin Dötsch·ABP感应公司

译／程震武·埃博普感应系统(上海)有限公司

现代生产对锻造工艺不断提出新的技术要求：高产能、高精度以及高度的灵活性，这迫使人们以新的策略和创新思维满足不断出现的新的技术要求。

加热工艺的优劣以及重复精度对锻造成形工艺有重要影响。首先，必须确保坯料具有成形所需的合理温度；其次，轴/径向温度分布均匀。但是这与降低氧化皮和粘结的要求相矛盾。另外一个需要引起高度重视的是与日益上升的能耗成本相关的节能问题，对在锻造坯料加热过程中能源的利用效率提出了更高的要求。因此，根据客户要求以及适应加热工艺是获取高度可靠性和生产效率至关重要的因素。

6年前，对锻造加热系统的基本要求是产能高，加热的重复精度高，关于如何最优使用能源的问题只是在能源价格高企的情况下谈论的一个话题，同时关于如何减少CO2及保护资源的问题也只是在泛泛地谈论。随着时代的进步，能源的利用效率已变得越来越重要，成为了与满足工艺要求同样重要的问题。高水平的工厂管理及工艺优化是提高能源利用率的重要手段之一。在本文中，我们将首先分析各部分的能耗在系统中所占的比例，然后探讨节能的潜力。

感应加热系统的能量消耗

如图1所示是典型的中频感应加热系统，它由下列部分组成：

⑴感应器及耐火材料，驱动夹辊及滑道；

⑵电源、变压器、逆变器及负载匹配电容；

⑶附属设施，如上料、出料及感应器和电源的冷却系统等。

图1 典型的中频感应加热系统

锻造加热系统的能耗分配如图2所示，这是一个典型的750kW的加热系统，产能为1800kg/h，工件温度为1250℃，加热工件到1250℃所需的热焓值为221kWh/t，值得注意的是，该温度不是在出料口测试的表面温度，而是工件的平均温度。下面我们就以此典型的加热系统为例讨论如何在各部分实现能量的高效利用。

图2 ABP IGBT分区控制技术典型加热系统的能量平衡表

感应加热系统各部分能量的高效利用

变压器

在锻造加热系统中有两种变压器受到广泛的使用，一种是油冷式，另外一种是干式，两者都采用铝或铜作为变压器的线圈。变压器型号不一样，其效率也不一样(97%～99%)。效率最高的变压器所要求的成本也最高，当变压器效率在98%左右时，应该是最经济和最环保的。在整个系统中，变压器的节能是十分有限的，没有多少空间。

中频电源

加热效果与加热线的总长度、感应器的数量和功率以及频率都有直接关系。单一电源加热的加热系统，只能实现对某一特定规格、特定产量条件下的坯料的加热，单独设计与之相适应的最优化的温度分布，最少的氧化皮以及最低的粘结率和能耗。这可以通过选择合适的感应器匝数以及工作频率(单一电源，单一频率)来实现，由于频率单一，故而无法采用最优化的频率加热不同加热工艺阶段的坯料。比如在坯料最初预热阶段，此时坯料还处于铁磁体状态，比较适合采用低频率加热以便不仅仅加热坯料的表层，同时也深入加热坯料内部；在加热的中间阶段，坯料表面温度介于居里温度和所需的锻造温度之间，此时适合采用比预热阶段高的频率加热以降低能耗；在最后阶段，主要目的是弥补表面与中心温度之间的温差以获得理想的轴/径向温度分布，这时需要采用比中间升温阶段高的频率加热以补偿表面散热。采用独立控制、以不同频率向各区线圈独立供电的新技术后，尽管各个阶段所需功率不同，但我们仍能采用匝数相仿的感应器，这样同一感应器就可以用于任何加热阶段，从而可有效地减少备用感应器的数量。

图3 IGBT模块

一般中频电源的能耗在6%～8%之间，分别为以下部分的消耗：整流部分、匹配电容部分、传输部分的线损。通过一体化设计后，线损和电容部分的损耗最优可控制在2.7%。SCR电源与IGBT电源在线损上有较大差别，IGBT模块化设计(图3)代表最先进的电源技术，比SCR电源减少能耗达1%。结合传统SCR电源的优点，无论是在满负载还是部分负载的情况下，IGBT电源的功率因数都能达到0.95以上。由于IGBT技术的采用，整个电源部分的能耗可以控制在6%的底限。IGBT器件可以采用非直接冷却的方式，冷却水不需要通过狭窄的通道，而是通过专用的冷却器，这样对冷却水的要求可以不太高，使用普通的自来水就可以实现感应器及电源的冷却。

图4 水冷感应器滑轨

图5 非水冷感应器滑轨

感应器

在中频锻造加热系统中，20%的电源能耗是由感应器消耗的，产生这一结果的原因是感应器的电阻。感应器谐振回路里通过有几千安培的电流，会产生大量的热量，因此感应器铜管需要持续地冷却，为了有效地利用能源，看似利用冷却水的余热可以达到节能的目的，但事实上感应器冷却水的温度只有80℃左右，很难利用它来洗澡或用于其他用途。

改变感应器铜管的几何尺寸、采用不对称的铜管可以降低能耗，加热面的铜管厚度比非加热面厚，这样就可以改变感应器回路的谐振特性，从而改善耐火炉衬的寿命。

感应器内的滑轨分为水冷滑轨(图4)和非水冷滑轨(图5)。水冷滑轨的能耗大概为4%，非水冷滑轨能提高能源利用率，但它们的使用均受到坯料直径的限制，坯料的直径不能大于70mm。大的坯料对滑轨的磨损较严重，而滑轨表面的耐磨层能较好地改善这种磨损。

加热坯料与感应器内侧的距离对加热系统的电效率有很大的影响，距离越小，电效率越高。坯料外径与感应器内径的距离越小，感应电源与坯料的电磁耦合就越好，电效率也就越高。耦合距离首先是由耐火材料的厚度决定的，因此耐火材料的厚度对保护感应器及确保感应器的使用寿命十分重要。另一个重要的因素是加热坯料的直线度，需要材料供应商来确保坯料的质量。

最后一点也是最重要的一点是坯料的直径变化会引起耦合距离的变化。坯料直径及产能与能耗的关系如图6所示，从图中可以看到，理想的坯料直径为60mm，最大产能为1.8t/h，最小能耗为339kWh/t。当加热的坯料直径变小时可以看到，在一定范围内产能还能保持在额定值，但能耗指标在上升，电效率下降。当坯料直径下降到39mm时，产能下降到了额定值以下，在该点以上，加热系统能提供额定产能，能耗值在381～339kWh/t之间变化，最高值比最低值高12%。

为保证高的能源利用率，加热不同直径的坯料时，需更换不同的感应器，可以通过快速切换装置对不同的感应器组进行切换。通常为保证加热系统的电效率，会设置很多的感应器组，感应器组越多，达到的节能效果越好，当然投入也会越高。

热传导的损失主要取决于耐火材料的厚度及材料特性，设计这些部分时应该考虑感应器的寿命和上述的耦合距离，该部分的节能潜力有限。

加热工艺的优化

加热工艺受制于加热区的长度、周期时间、感应器的数量、中频电源的输出及相应的频率。理想的系统是在最短的加热区及最短的周期时间内将坯料加热到锻造温度，同时氧化皮少，无粘连，这样的系统能耗一定是最低的。

图6 坯料直径、产能与能耗的关系曲线

图7 THERMPROF软件确定的温度曲线

上述理想的锻造感应加热系统在使用多个感应器及多个电源的中频加热系统中能得以实现。在这样的系统中，每个感应器由单独的电源供电及控制，从而实现系统的最优。ABP感应公司的THERMPROF®模拟软件是操作人员的一个工艺工具，该软件可以调整每区的最后点的平均温度，从而控制每区的温度及产能。如图7所示的温度曲线分别为坯料的心部温度、表面温度及平均温度。如果需要，该模拟软件可以模拟整个加热的过程，加热运行能耗及材料成本也包含在该模拟软件中。该模拟软件可以实现对加热系统的优化模拟，最佳温度分布可以在最后时刻得到，同时还可减少辐射损失及氧化皮。

基于西门子的PRODAPT®-FX2是实现最优能耗的控制器，能提供各种运行条件下的系统控制。

保温模式是每个锻造加热系统所必需的，当下游及上游设备出现问题时，将进料的速度降低到系统可以接受的速度，保证剔除的不合格坯料最少。

冷启动也是一个锻造加热系统不可缺少的功能。当感应器炉衬还是冷的时，随着炉衬温度的提高，进料速度由最低提高到工艺要求的水平。周期时间变化时，进料速度要控制到最低，以保证不合格的坯料最少。

结束语

借助于先进的工厂管理及工艺优化，锻造感应加热系统能有效地提高能源利用效率。IGBT分区控制锻造感应加热系统能使中频电源的效率达到94%，80%的电源能量能传输到感应器上。可以利用快速切换装置实现不同坯料直径间不同感应器的快速切换。多电源分区控制技术是提高感应加热电效率最有效的方法，借助于THERMPROF模拟软件能实现不同坯料的最优加热工艺，最大限度地节约能源。