板式感应加热器设计及应用
2020-04-10霍崇玉
霍崇玉
（中铁隆昌铁路器材有限公司 四川 内江 642150）
前言
我公司是铁路紧固件产品生产的专业化生产厂家，公司产品中的各类螺栓如S1.S2、T30.B30等产品的头部成型和三滚制丝等工序都要对工件的头部进行局部加热至工艺要求温度再进行加工，我公司这部分产品成型和制丝工序工件的加热方式，经历了自六七十年代开始的煤炭加热、后天然气转转炉加热，发展到现在大量运用的中频感应加热。
感应加热是利用在交变磁场中的导体（金属），会在导体内部产生感应电流（或涡流），任何导体都具有电阻，根据焦耳-楞次定律，涡流在具有一定电阻的导体（金属）内流动就会产生热量，从而使导体（金属）被加热甚至熔化。
感应加热具有以下特点：加热速度快，加热时间短，效率高；能够降低氧化皮及脱碳层，提高产品质量；降低环境污染，使得操作者脱离高温高热的恶劣环境，降低劳动强度。
1 改造前螺栓生产的工艺状况
公司在采用感应加热工艺早期，使用的感应加热器是分列式螺旋线圈感应加热器（如图所示）。其结构形式是将多个感应线圈并列摆放，串联相接，经绝缘处理后，面向操作者呈瓶状开口，操作者将工件部分插入到感应器线圈中，插入到线圈中的部分进行了加热，而无需加热的部分在线圈外，未加热处于冷态，既节约了能源，又防止冷态部分工件出现在加工的过程中变形而影响后续工序的加工。
在生产过程中，进料和出料均需要手工操作，并且由于工件物料在感应线圈中不可见，加热温度仅凭操作者经验和肉眼观察，温度不恒定，严重影响产品质量，甚至会出现超温过烧更是给产品留下极大的质量隐患。
随着青藏线、高速铁路等产品对质量的要求越来越高，采用并列式螺旋线圈感应加热方式的加热温度不可控（不易控），劳动强度高，不易实现自动化等缺点就越显突出，这就需要我们升级加热系统。
2 设计设想及目标
经过资料查阅，我们采取的方案是，设计并新制通过式板式加热器（通过式感应线圈），将原人工送料改装为自动送料装置，并增加红外线测温等自动温度分选出不合格的工件。
设计过程：
材质：钢材；工件直径：Φ24-Φ30；加热长度：100mm；加热温度：1000℃±50℃
（1）加热频率确定：
感应器频率的选择，目的是为了获得最小的投资费用与运行的经济性。感应加热总效率的高低，基本上决定于加热器频率的正确选择。通常当工件物料直径与电流穿透深度之比为3～5的范围时，感应加热的效率达到最大值。
根据感应加热频率选择公式：3/D2＜f＜6/D2
最佳加热频率为3333Hz～10041Hz。较高的工作频率选择可提高加热效率，但较低的频率可使中频设备的工作状态更加稳定，我们根据该公式及以前环形感应器的工作经验，将新感应器的工作频率确定为4000Hz。
（2）所需加热功率：
根据工件加工节拍和加热重量PH=qGT/0.24Δtη，按总效率0.65计，计算所需加热功率分别为105kW和165kW。
设备造型：选用即有设备8kHz，250kW可控硅中频可满足生产需求。
（3）感应器尺寸的确定：
根据加热时间，感应器中应有16-18件工作在感应器中加热，按机械送料的最小间隔，计算感应器长度应为700mm，
根据工件加热长度100mm，感应器高度100+0.5D，定为120mm。
（4）电参数计算：
电参数通常采用电磁场法或变压器法来计算，
进行系统电计算的目的在于确定炉料、感应器和系统的阻抗、炉子的自然功率因数、电效率、感应器的匝数及炉子的输入功率等。
通过采用电磁场法进行计算，感应器的匝数为7.5匝，
（5）确定感应线圈结构尺寸：
感应线圈用12mm×14mm×2mm可通水冷却的矩形纯铜管绕制，线圈的高度为120mm，线圈槽间宽度为50mm，线圈绕制匝数为7匝。
（6）制作模具，用打结料使其坚固并绝缘
（7）制作自动送料和分选装置
选用气缸推动节拍式送料或者选用电机带动减速箱，带动链条，在链条上安装卡槽，卡槽带动工件物料通过感应器进行加热。调节时间，或者通过变频器调整电动机转速，可以调整送料速度和节拍。
（8）选用红外测温仪测温，通过仪表控制，合格温度和不合格发出不同信号，带动分选机构只将加热温度在合格范围的物料送入下道工序。
（9）效果验证：
通过式感应加热器制作完成后，在实际生产产品时测得如下效果：
产品 工件直径(mm) 节拍(件/分钟) 加热温度(℃)S1,S2 24 20 970～1020 T30 30 15 970～1020
由于采取了机械匀速送料，确保了每个工件在加热过程中的加热时间的稳定，即保证了出料温度的稳定。
3 结论
采用了新设计制作的通过式板式加热器，达到了设计要求，加热速度和加热温度均满足了工艺要求，加热温度稳定，原人工送料改装为机械自动送料装置，减轻了工人的劳动强度，增加红外线测温等自动温度分选装置，保证了进入下道工序的工件均为符合工艺要求的工件。
