提高感应加热系统能效的最新进展

文／Jochen Gies，Markus Langejürgen·西马克艾洛特姆公司

鉴于锻造行业不断增加的成本压力，锻造生产线的制造商也被要求发展创新，以节约现有资源。这些概念必须提供机会，以满足许多代加工厂商在减少二氧化碳排放方面的要求。因此，提高感应加热系统的能效至关重要，是感应加热系统持续进一步发展的关键环节。

德国每年生产约230 万吨热成形锻件，加热锻造材料的能耗需求约为每年1000GWh，这意味着：即使能源成本仅为0.10欧元/kWh 时，每年总计花费也要达到1 亿欧元。现有数据表明，感应加热装置的制造商尤其被要求进行智能概念的节能型感应加热系统开发。

带有LLC 谐振电路的变频电源(图1)的开发被证明是降低能耗的重中之重，LLC 指的是逆变器输出端的接线。此变频电源由不受控整流器、直流链路电容、IGBT 逆变器和输出扼流圈组成，在所有部分负载范围内，其效率为97%，cosφ恒定为0.95。实现既定目标的关键还在于采用了特低损耗铜绕组的最佳耦合感应器、使用了数据库支持的软件，以及开发了减少辐射损耗的感应器概念。

图1 六模块LLC 变频电源

用于分区技术(iZone)的LLC 变频电源

以长棒料加热机为例，每个感应器都有自己的变频电源，因此可以单独控制。

生产开始

大规格棒材(直径300毫米)从室温到1250℃的加热时间长达50 分钟，这是从系统首次启动直到可以剪切第一部分所需的时间。在此之前，棒材通过整套感应器。由于iZone 控制单元始终知道棒材在加热站中的位置，因此只有当棒材进入时，相应的感应器才会被激活。在这种系统运行模式下，感应器的系统连接防止了由于感应器的“空转”而造成的不必要的能量损失。

生产结束

在生产结束时，按相反的顺序切断感应器。在最后的棒材离开各个感应器后，感应器被关闭。了解棒材在加热系统中的位置也是在出料过程中切断各个感应器的基础。

部分产能模式

近年来，由于批量较小，对柔性生产的要求越来越高，这意味着现代加热系统也必须能够提供节能的部分产能的生产。根据操作员输入的数据，iZone 控制立即计算出最佳加热策略，并自动调整感应器距离，只有实现指定的部分产能所需的感应器被连接。

裂纹敏感钢的加热(软加热)

由于连接的感应器的独特性能规格，iZone 还提供加热裂纹敏感钢的选择。这包括100Cr6 等滚动轴承钢。为了使这成为可能，传统型变频电源技术中必须使用特殊缠绕的感应器，以便在居里点以下的范围内实现所谓的“软加热”。

随着智能iZone 控制与LLC 变频电源的结合，以前所需要的感应器的改变已成为过去。待加热材料(如100Cr6)在控制中被相应的预选后，加热系统总是结合所需的产能进行最佳调整。

使用ELO-FORGE 和ELO-BAR 的故障策略

⑴ELO-BAR(长棒料感应加热)。

在常规锻造过程中，棒材加热系统通常需要被清空。例如，在下游热剪切出现故障时，重新启动意味着加热时间变长，特别是对直径较大的棒材加热。由于系统重新启动而导致的生产停机对于能源使用(重新加热已经加热的棒材)和材料来说是不合理的。

通过单独控制感应器的选项，现在可以在没有任何问题的情况下将加热站内的整个棒料段的温度保持在一个确定的、精准的水平。智能的iZone 控制提前计算在各个感应器中的棒料段的焓(热量含量)。这使得单个感应器的输出降低，而棒料的各自能量含量几乎保持不变。故障消除后，可以通过棒料的回退(避免了由位于感应器间隙的棒料段的冷却而产生的“斑马效应”)，立即恢复生产。

⑵ELO-FORGE L(短坯料感应加热)。

短坯料加热系统通常在感应器之间没有间隙，这里使用了如上所述的类似的策略。由于没有间隙，这里不需要回退坯料段。坯料段停止，并通过单独调整各个感应器的输出来保持温度。由于采用了专门开发的数据库支持软件和操作模式，与传统操作系统相比，循环物料可减少80%，这个数值经过了几个已经交付的生产系统验证。

新感应器概念(ELO-ICE)

感应加热使用的带有水冷的铜线圈只有在距离工件很小时工作才具有很高的电效率。在短坯料和长棒料加热时，感应线圈通常浇筑耐火混凝土，以提供线圈的机械和热保护。直接安装在耐火混凝土中的水冷铜绕组可以为衬里创造非常有效的冷却效果，但是，这会导致相对较低的衬里温度，从而产生较高的热损失，而且老化、渗透以及结垢也会降低机械防护效果。此外，耐火混凝土并不是保温隔热的最佳材料。热的工件与经冷却的线圈之间存在较大的温度差，这意味着感应线圈在较高温度范围内的热效率并不理想。

西马克艾洛特姆公司的新型ELO-ICE(感应器概念效率)系统，由于全新的、优化的隔热措施，可以节省能源和成本，通过减少高达50%的热损失，大量节约了费用。

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在ELO-ICE 系统的新开发过程中，面临的挑战是保持工件和衬里之间的温差尽可能低以减少热对流，从而减少水冷感应线圈的热损耗。

所有这些都是通过混合耐火复合系统实现的。该系统由具有细丝形状、并有极高强度的新材料组成。不同的材料也可以结合在一起，以创建一个具有精确协调的尺寸和性能的多层同轴结构。因此，可以实现具有耐磨性能的面向工件的内表面，以及对冷铜线圈的良好保温隔热性能。

西马克艾洛特姆与合作伙伴合作，成功开发了一种感应器衬里：作为预制模铸件，其强度与传统铸造衬里相似，但壁厚减少，热性能优化。

新开发的ELO-ICE 系统与传统的模制衬里相比，减少了一半的热损失。因此，对于直径或边长在80毫米左右的大截面来说，根据西马克艾洛特姆进行的各种测试，验证了节能效果为4%～6%，具体取决于工厂的运行情况。

ELO-ICE 的节能效果

这里以短坯料加热系统的节约情况为例：此系统包含12 个感应器，每个长度为1200 毫米。考虑了不同的工件直径，每个工件都在以此为目的设计的感应器中加热。节约值是基于6000 小时/年、三班制运行和仅为0.10 欧元/千瓦时的保守假设电价来计算的。

图2 显示了一个典型的长度方向上的温度曲线。由于直径范围大，这些曲线在现实中会有很大的不同。可以看出，优化后的衬里表面温度明显高于常规耐火材料衬里的表面温度，这就是热量损失减少的原因。

图2 沿着加热线的温度曲线

正如预期的那样，最大的节能潜力是在高温阶段，对应后部的感应器。

表1 使用ELO-ICE 系统的潜在节约评估

节能的ELO-ICE 系统对感应器的维护更加友好、快速，这使其更具吸引力：因为它消除了传统耐火混凝土上耗时费力的拆除工作，并排除了对感应器线圈可能造成的损害。这最终减少了生产停机时间和高昂的维修成本。

ELO-FORGE L (短坯料感应加热)

西马克艾洛特姆已经考虑到锻造行业在短坯料和长棒料感应加热领域对使用全新设计的低维护感应加热系统不断增加的要求。除了在工艺可用性、可靠性、减少循环材料和备件方面的全新概念外，加热系统的设计也接受了测试。这样做的结果已经被许多客户所信任。图3 所示的加热系统显示了这一努力的结果。

图3 最新一代ELO-FORGE 感应加热系统

新开发的使用导向管的感应器技术经证明使用寿命(磨损部分)超过一年，此项已成为西马克艾洛特姆的产品标准。和在生产条件下清空感应加热系统直至最后一截坯料一样，在2 分钟的转换时间内完成从一个产品到另一个新产品的切换功能也是西马克艾洛特姆新系统的标准。如之前所述，在发生外部故障时的保温功能也是标准的，可用性经验证高达99%，并可以通过相应的维护周期来保证。通过相容的标准化减少备件库存是新一代ELO-FORGE 系列的另一个特点；分区技术和新的面向数据库的软件完善了兼容工业4.0 的加热系统。

ELO-BAR(长棒料感应加热系统)

西马克艾洛特姆在感应加热领域进一步发展的重点是ELO-FORGE 和ELO-BAR 感应加热系统。在这里，能效和标准化与吸引人的设计一样重要，这体现在加热系统的结构上。

这一发展的结果如图4 所示，在Hatebur HM75卧式压力机前安装了一个最近交付的长棒材加热系统，产能20 吨/小时，加热最大棒料直径90 毫米。感应器的概念与ELO-FORGE L(短坯料感应加热)相对应，这里的重点也是最大限度的标准化和可用性，以及易于维护。此外，外围设备也尤为重要，尤其是给料(棒料仓)，在这样的大型系统中起着重要的作用。

图4 用于Hatebur HM75 型压机的长棒料感应加热系统

基于这些数据，西马克艾洛特姆面临的挑战是，在不填充上游棒材库的情况下，必须保证一个小时的生产。由于感应加热系统的长度，还必须提供一个系统完全自动的将已经加热的棒材再次加载。棒材库的容量为30 吨，如图5 所示。图左侧是已加热棒料，储存库确保了在压力机出现故障后，在相应的冷却时间后，回退的棒材可以自动返回到加工中。

图5 容量为30 吨的棒料库，包含已加热料存储

总结与展望

新技术通过使用模块化组件和创新的iZone 分区技术，使作业者能够进行灵活的生产。

在每个产能中的智能能量分配和基于逐步启动、系统下料以及在故障的情况下保持坯料段温度的最小能耗方式，再结合ELO-ICE 概念，系统从各方面满足了大规模成形中资源和能效可持续增长的需求。

锻造行业对感应加热系统日益增长的减少二氧化碳排放、高可用性以及减少备件维护的要求，是感应加热系统生产商面临的主要挑战，目前西马克艾洛特姆提出的概念满足了这些要求。