锻件中频加热炉的应用分析

文/贾秀臣，徐万湖，王汝秀，程志旗，高波·中国重型汽车集团济南铸锻中心

锻件中频加热炉的应用分析

文/贾秀臣，徐万湖，王汝秀，程志旗，高波·中国重型汽车集团济南铸锻中心

贾秀臣，设备动能部设备技术员，助理工程师，主要从事电气设备的维修、保养工作，并积极参与企业的节能降耗工作，主持完成多项设备技术改造，其中MP8000T转向节冷却线余热的再利用项目获得重汽集团优秀成果二等奖。

中频感应加热的基本原理是当导体在磁场中运动或处在变化的磁场中时，会产生感应电动势，导体内部形成涡流，引起较大的涡流损耗。中频感应加热即是依靠这些涡流的能量达到加热目的。感应加热具有加热效率高、速度快、可控性好及易于实现机械化和自动化的优点。看不见摸不着的电磁场一旦变身高效的“热场”，可比传统加热方式节电30%左右，其加热效率高达90%。故感应加热技术在锻件棒料加热方面更有优势。

近年来，我国汽车工业取得了突飞猛进的发展，它的发展极大的促进了锻压行业的发展和技术进步。锻造加热部分是整个锻造过程中极为重要的一环，其主要功能是提高坯料的塑性，降低变形抗力，使之易于成形，并获得良好的锻后组织。加热设备的正确选择对提高锻造生产效率，降低能源消耗，减少环境污染，都有关键的作用。

目前传统的锻件加热炉有天然气加热炉、燃煤炉等，它们的热氧化损耗率较高，天然气炉加热的氧化烧损率为2%，燃煤炉氧化烧损率达到3%，如此高的烧损率势必造成原材料的浪费。随着社会的发展和人们环保节能意识的提高，天然气炉等传统加热设备逐渐暴露出了各方面的缺陷与不足：首先在开始加热锻件之前，必须先对炉子进行预加热，因此要消耗许多本不需要的能源，增加了锻件成本；另外大规模锻件生产必然会选用容量较大的加热炉，设备占地面积大，维护成本高，使用一段时间后要停炉检修、砌筑；而且传统加热炉燃烧的温度波动较大，不利于炉温的精确控制，严重影响锻件产品的各项性能指标。

感应加热技术应用于锻件加热的优越性

要解决以上传统加热设备带来的种种不足，就必须尽快找到一种或多种新型的生产加热方式，并应用到锻件生产中。电磁感应加热炉即是其中一种理想的加热生产设备。其优点如下：

⑴由于中频感应加热的原理为电磁感应，非接触式加热，加热方式升温速度快，所以氧化极少，加热效率高，工艺重复性好。

⑵操作简单，自动化程度高，选用自动上料和自动出料分检装置,可实现全自动无人操作。

⑶加热均匀，温控精度高，感应加热易实现均匀加热。温度调节方便，稳定性好,可靠性高,功率精密连续可调，从而可实现对温度的精确控制。

⑷感应加热与其他加热方式相比，加热效率高、能耗低、无污染。

⑸作业环境好，几乎没有热、噪声和灰尘；设备占地面积小，生产效率高。

⑹中频感应加热锻件的氧化烧损率仅为0.5%，加热每吨锻件比传统加热炉节约钢材原材料20～50kg。

对锻件的大批量生产而言，感应加热解决了传统锻件生产线难以联机生产的难题。对于感应加热装置，可频繁地起停、控制温度的精度高、自动化程度高，这样就使锻件质量的进一步提高成为可能；检修其他设备或因故停机时，可将感应电源暂时关闭，既节约了能源，又能保证故障排除后及时恢复生产，适合现代环保、自动化的要求。

我单位转向节生产线采用成形锻压技术，对坯料的温度、透热程度、尺寸、重量等有非常严格的要求，采用传统的天然气加热不仅很难实现自动连线，也无法保证产品的锻后质量。而采用中频感应加热炉就会大大提高锻件的产品质量、生产节拍，改善职工的生产作业环境，节约原材料。

感应加热技术原理

锻件中频感应加热炉是一种将工频50Hz交流电转变为中频(300Hz以上至20kHz)的电源装置，把三相工频交流电，整流后变成直流电，再把直流电变为可调节的中频电流，供给由电容和感应线圈里流过的中频交变电流，在感应圈中产生高密度的磁力线，并切割感应圈里盛放的金属棒料，在金属材料中产生很大的涡流。我单位转向节生产线就是把根据工艺尺寸制作好的棒料段放在有交变中频电流的感应线圈里，圆柱体棒料并没有与感应线圈直接接触，圆柱体料段由于受到感应磁场的作用而被“加热”，而且这种“加热”的深度和速度只要调节频率大小和电流的强弱就能进行控制。

感应加热是把电能通过电磁能的相互转换，最终转化成金属内部的热能，达到加热的目的。感应加热的原理，如图1所示。

图1 感应加热的原理

交变的电流i通过感应线圈时，由于电流的磁效应，会在线圈内部产生相同频率的交变磁通。根据法拉第电磁感应定律，置于交变的磁通中的金属工件内部会产生感应电动势e，显然，这也是一个交变的等频率正弦量，并且相位上有90°的延迟。可以得到感应电动势的有效值E。由于感应电动势的大小与频率高低和磁场的强度成正比。因此，可以通过提高振荡频率和磁场强度的方法来提高感应电动势。

由分析可见，感应加热是靠感应线圈把电能转化为金属内部的热能。感应线圈与被加热金属并不直接接触，能量是通过电磁感应传递的。另外需要指出的是，感应加热的原理与一般电气设备中产生涡流以及涡流引起发热的原理是相同的，不同的是在一般电气设备中涡流是有害的，而感应加热却恰恰是利用涡流的热效应进行加热的。

这样，感应电动势在工件中产生感应电流(涡流)，使工件加热。感应电动势和发热量与频率高低和磁场强弱有关。感应线圈中流过的电流越大，其产生的磁通也就越大，工件中产生的涡流也越大；同样提高工作频率也会使工件中的感应电流加大，从而增加发热量，使工件升温加快。另外，涡流的大小还与金属的截面大小、截面形状、导电率、导磁率以及透入深度有关。

感应加热的整个过程是这样的，首先通过感应线圈把电能转化成磁能，交变的磁场产生同频率交变的电动势E，交变电动势E作用于金属工件后，形成闭合回路，在工件表面产生电流（即涡流），电流的流动对工件进行加热。

效益分析

我单位转向节中频感应加热炉现已经投产，其节能效果显著，改造前后的原材料烧损量比较见表1。

表1 改造前后的原材料烧损量比较

在生产过程中遇到设备故障、工装损坏、工艺缺陷等问题需要中停时，中频感应加热炉由于升温速度快、氧化皮薄，工艺重复性好，可大大降低产品的废品率和返修品率。2014年减少废品损失大约45万元。

天然气炉加热热量流失高，加热效率低。而中频感应加热炉加热时坯料相当于负载，炉膛内无坯料时负载消失，几乎没有电能浪费，加热效率远高于天然气加热，年可节约能源费用70万元左右。

由于天然气炉加热升温缓慢，冷炉加热时间长（一般为3小时左右），影响第一班的班产量；且加热效率低，每炉料段锻打完成后，存在待料时间，在一定程度上制约着生产效率的提高，改造前转向节班产量为350件左右。中频感应电炉加热升温快，生产过程中可连续生产，减少了等待料段加热的时间，经测算班产量可达到420件。天然气炉加热需要2人操作，且劳动强度大；中频感应加热炉仅需1人操作即可。

天然气炉烟气排放中含有大量二氧化碳和少量的二氧化硫。二氧化碳为温室气体，二氧化硫为有害气体污染环境；再加上天然气炉密封不严，部分烟气直接排放到车间内，严重影响一线员工的作业环境。中频感应加热炉投入后有效的改善车间的工作环境，大大降低了有害气体的排放量。

结束语

中频感应加热炉不仅为我单位带来了以上效益，而且在产品质量方面也有很大提高。正是由于中频感应加热炉所具有的一些其他加热方式不可比拟的优点，如加热效率高、加热速度快、被加热物的表面氧化少、温度容易控制、产品质量稳定、容易实现自动控制、作业环境好、几乎没有噪声和灰尘污染、设备占地面积小、生产效率高等优点。该技术一进入中国市场，就在中国铸锻行业引起了革命性的发展，特别是汽车零部件生产厂纷纷推行。尽管由传统的加热炉改造为中频感应加热炉需要大量的资金投入，但综合其节能效果、生产能力、提高产品质量等方面，前期的投资还是值得的！