感应透热装置标准在国内外的创新发展

葛华山， 李亚逸， 肖国春, 姜玉明

1.西安电炉研究所有限公司 陕西西安 710061

2.苏州振吴电炉有限公司 江苏苏州 215128 3.西安交通大学 陕西西安 710049

4.天津天高感应加热有限公司 天津 300384

1 序言

感应熔炼和感应透热是感应加热的两个主要应用领域。感应熔炼炉早在20世纪70年代就有其试验方法和产品标准；然而由于感应透热装置的加热方式、品种和规格较多且某些特殊性能的试验又非常复杂，因此长期以来国内外一直无该装置的试验方法和产品标准，不利于该产品的发展。

为改变这种状况，西安电炉研究所有限公司于2013年就进行这方面的预研和申报工作，最终感应透热装置的试验方法和基本技术条件这两项标准被列入国家标准化管理委员会2015年的国标计划。与此同时，在感应透热装置试验方法国标草案的基础上，同时加紧起草相应的IEC标准。

为制订上述两项国标和相应IEC标准，2015年6月，全国工业电热设备标准化技术委员会建立了由西安电炉研究所有限公司（以下简称西炉所）、苏州振吴电炉有限公司（以下简称苏州振吴）、西安交通大学、天津高频感应加热有限公司、无锡电炉有限责任公司和国家电炉质量监督检验中心（以下简称电炉检验中心）组成的“感应透热装置工作组”。

2016年8月19日，我国的IEC“电热和电磁处理装置——感应透热装置试验方法”新工作项目提案经IEC/TC27 P成员国投票，获全票通过而立项，标准编号为IEC 63078，并组成了以我国葛华山为首的，由中国、德国、瑞典和挪威专家组成的PT 63078项目工作组。感应透热装置试验方法的国标和相应IEC标准同步进行。

2019年8月23日，IEC/TC 27对IEC 63078最终国际标准草案（FDIS）进行表决，又获全票通过。我国主导的IEC 63078：2019[1]已于2019年11月正式发布，随后我们根据该IEC标准对两项国标的报批稿做了相应修改。该两项国标GB/T 10066.32—2021[2]和GB/T 10067.36—2021[3]已于2021年5月21日正式发布，并于2021年12月1日实施。

上述三项标准适用于工作频率为低频、工频或中频（高至100kHz），为后续热成形（如锻造、挤压和轧制等）而对金属坯料或工件进行整体或局部透热的感应加热装置，也可供热处理和其他用途的感应加热装置以及超导直流感应透热装置参考。

2 开发感应透热装置系列标准的考虑

感应透热装置系列标准包括产品标准——GB/T 10067.36—2021《电热和电磁处理装置基本技术条件 第36部分：感应透热装置》、试验方法——GB/T 10066.32—2021《电热和电磁处理装置的试验方法 第32部分：感应透热装置》和安全标准等，前者为综合性产品标准，需引用后两者。关于安全标准，可直接引用新制定的GB/T 5959.1—2019《电热和电磁处理装置的安全 第1部分：通用要求》[4]和GB 5959.3—2008《电热装置的安全 第3部分：对感应和导电加热装置以及感应熔炼装置的特殊要求》[5]。因此，开发感应透热装置系列标准的关键是先制订试验方法。

制订感应透热装置产品标准和试验方法的关键在于合理解决下列问题。.

1）提出感应透热装置特有的性能参数，包括确定适合装置的能效参数。

2）对测定上述参数建立试验方法。

3）试验方法应适用装置的不同加热方式和多种主电路供电方式。

3 感应透热装置的产品标准

3.1 概述

GB/T 10067.36—2021主要由苏州振吴和西炉所起草，是在GB/T 10067.1—2019[6]、GB/T 10067.3—2015[7]和苏州振吴《感应电热装置》企业产品标准的基础上制订并作必要的补充和完善。

该标准制订时，在产品分类、坯料传送装置和某些运行参数方面参考了文献[8]，还参考了苏州振吴的许多感应透热装置的产品设计和使用说明书。

该标准规定了感应透热装置的产品分类、技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输、贮存以及订购和供货，具体内容详见GB/T 10067.36—2021。

3.2 主要技术内容

该标准根据感应透热装置的特点对GB/T 10067.3—2015的主要技术内容作了如下补充和完善。

（1）产品分类 产品的品种、规格和型号： 装置的品种按加热方式可分为间歇加热式、多级加热式和连续加热式，还可按坯料的材质分钢、铜和铝等，规格按被透热坯料尺寸大小分。这些和坯料机械传动装置的不同型式，都反映在产品型号中。

产品的主要参数： 除感应电热装置常规的参数外，选定或新增适用于感应透热装置的有坯料尺寸、坯料温度均匀度、装置加热效率和生产率，装置的能效指标主要包括单位电耗和加热效率。

（2）技术要求 主要涉及装置的设计、制造、性能、安全和成套要求5个方面，在符合GB/T 10067.1—2019和GB/T 10067.3—2015第5章中有关规定的基础上分别补充和完善如下。

1）对设计和制造的补充要求：主要涉及以下几个方面。

一是感应透热装置的总体设计。

二是加热感应器的一般要求、感应线圈、炉衬和导轨。

三是机械传动装置的一般要求以及坯料的装料、传送和卸料机构。

四是设备主电路，包括一般要求、感应透热装置的半导体变频装置和功率调整。

五是控制系统，包括一般要求、坯料温度的监控和控制柜。

2）性能要求：补充了对额定频率、额定温度、坯料温度均匀度、单位电耗和生产率、设备/装置加热效率和受热构件表面温升的要求。

特别提出了对设计和使用感应透热装置十分重要和实用的普通碳素钢和有色金属加热到热成形温度时经济的横截面尺寸所对应的工作频率、不同金属材质和不同热成形工艺的一些典型温度、坯料温度均匀度等指标和受热构件表面温升极限值5个表格。

3) 安全要求：除应符合GB/T 5959.1—2019和GB 5959.3—2008中与感应透热装置有关的规定外，还补充了对感应线圈所用的进出水软管、不同中频电压下不同带电体间的最小电气间隙和爬电距离、馈电部分的易触及处的保护和设备与柜体外壳接地的要求。

4）成套要求：提出了适合感应透热装置的成套要求。

（3）试验方法 按GB/T 10066.1—2019[9]的相关规定和 GB/T 10066.32—2021规定执行。

（4）检验规则 按GB/T 10067.1—2019第7章相关规定,并列出了适合于感应透热装置的出厂检验和型式检验的项目。除常规检验项目外，主要包括感应线圈制造质量的检验、加热感应器和加热部分装配尺寸检测、加热感应器的绝缘耐压试验、坯料温度均匀度的测定、单位电耗和生产率的测定和设备/装置加热效率的测定。

（5）其他 关于“标志、包装、运输和贮存”和“订购和供货”两章，作了相应的少许增减。

4 感应透热装置的试验方法

4.1 概述

感应透热装置类别较多，主电路供电方式特别是其中半导体变频电源形式多样，控制操作系统较复杂，某些性能参数和运行特性如坯料温度均匀度、保温功率和能效参数的测定方法难度较大，因此国内外长期均无这方面的试验方法标准。

在我国关于感应透热装置试验方法的IEC新工作项目提案（27/977/NP）中，IEC/TC 27秘书处对所附的我国标准草案给出了很高评价：“该提案是对TC 27的一个重要贡献，所建议的工作项目将给现有的试验方法和安全标准增添新的内容，我们正在支持这个项目”。在对我国新工作项目提案的投票中，IEC德国国家委员会表示：“该工作项目能对感应加热的广泛应用做出重大的贡献”。

GB/T 10066.32—2021的先行制订，为我国主导制定IEC 63078：2019提供了基本草案，反过来该IEC标准的制订又从国际层面来完善了国标。

本试验方法的国标和IEC标准分别在GB/T 10066.1—2019《电热和电磁处理装置的试验方法 第1部分：通用部分》和IEC 60398：2015的基础上制订，前者修改采用后者。IEC 60398：2015与其前版IEC 60398：1999《工业电热装置通用试验方法》相比，在标准的适用范围、试验条件、试验项目和试验方法上都有巨大的变化。因此，本试验方法不仅为首次制订，而且无论在IEC和国内都是在新发布的IEC 60398：2015基础上制订专业试验方法标准的首次尝试。

试验方法主要由西炉所和苏州振吴负责起草。苏州振吴和电炉检验中心对难度较大的坯料温度均匀度、单位电耗、生产率和加热效率的测定方法在多家用户和实验室分别进行了试验验证。

4.2 GB/T 10066.32—2021与IEC 63078：2019的主要差异

GB/T 10066.32—2021使用重新起草法修改采用IEC 63078：2019《电热和电磁处理装置 感应透热装置的试验方法》。

GB/T 10066.32—2021的结构与IEC 63078：2019相比，除了将后者的“附录DD （资料性附录）安全试验方法”删除并将其三项安全试验方法移至前者的“9 试验方法”作为9.108～9.110外，其他完全相同。

GB/T 10066.32—2021与IEC 63078：2019的主要技术性差异及其原因如下。

1）GB/T 10066.32—2021在GB/T 10066.1—2019（IEC 60398：2015，MOD）的基础上制订，后者在采标时增加了不少与机械、真空和热态有关的试验项目和试验方法，这使本部分的技术内容也相应扩展，更好地满足了产品实际试验的需要。

2）在4.4的“补充”中删去了对测量仪表要求的内容，其在技术内容上与GB/T 10066.1—2019中的“4.8 测量仪表”重复。

3）将“8.2 冷态试验”中的第一句改为“下列冷态试验项目有关安全，是必选的：…”，其中“是必选的”是新增的，因为这有关安全。

4）IEC 63078：2019的“附录DD 安全试验方法”拟今后移至待修订的IEC相关安全标准中，暂作为资料性附录, 现把该附录的三项安全试验方法移至本部分的“第9章 试验方法”作为规范性内容，这在技术上更为合理。

4.3 主要技术内容

本试验方法规定了测定感应透热装置主要性能参数和运行特性的试验程序、试验条件和试验方法。

本试验方法根据感应透热装置的特点对GB/T 10066.1—2019（IEC 60398：2015）的主要技术内容作了如下补充和完善。

（1）术语和定义 新增30条术语，包括如下内容。

1）设备的三种加热方式：间歇加热、多级加热、连续加热。

2）装置的主要参数：坯料额定温度、坯料温度均匀度、坯料横向（径向）温差、坯料纵向温差、设备的保温功率、设备/装置的单位电耗、装置的生产率、设备/装置的加热效率。

3）试验条件：设备的额定工作状态、热稳态、热态和冷态。

其中，设备/装置的单位电耗和加热效率能全面、综合地反映感应透热装置的能效状况。加热效率为在间歇加热式装置的一个完整作业周期中或连续加热式和多级加热式装置的某较长规定时间段内，被透热的合格坯料的有用焓增加与该设备或装置的有功电耗之比。

（2）对试验和试验条件的基本要求 对“用能系统的试验边界”，补充了感应透热装置的试验边界，即增加感应透热设备主电路和装置控制系统的能耗。

对“试验的一般要求”，主要补充以下内容。

1）完善试验期间的安全要求，补充了IEC 60519-3：2005/ GB 5959.3—2008和应采取必要的防护措施的要求。

2）试验分为冷态试验和热态试验两大类，并对试验次序和条件提出要求。如热态试验应在冷态试验合格后在新炉衬情况下进行，并对炉衬尺寸和材料、试验坯料以及加热和保温的工艺等提出要求。当试验应在热态进行时，试验前感应透热设备应至少已运行了8h（取决于坯料大小或由制造厂和用户商定）；如是新炉衬，则应至少已运行了24h。

3）对试验时供电线路输入端电气数据与额定值的允许偏差和超偏时的处理规定。

4）感应透热设备配有单独的工频变压器时，供电线路输入端电参数的简化处理。

5）给出影响各规格感应透热设备性能的因素。

对“试验期间的环境条件”，补充了对冷却回路冷却水的入口、出口温度应符合制造厂的规定并指出冷却过度或冷却不足均会影响能效参数的测量。

（3）设备或装置的比较 GB/T 10066.1—2019（IEC 60398：2015）的规定适用。

（4）基本测量和工作负荷

1）对“频率测量”，补充了对工频和中频测量仪器的精确度要求。

2）对“电参数的测量”，补充了对中频电压、电流、功率和电能测量仪器的精确度要求，应能显示真实有效值（RMS），而与波形无关；补充了感应透热设备的主电路和机电附属设备供电电路各电气参数的测量位置。

3）对“工作负荷”，补充了对试验坯料的材质、形状、尺寸和表面状况等要求。

（5）数值模拟 在许多情况下，由于不可接近、太复杂、成本过高或测量设备不可获得，因此使测量不可能进行。在这种情况下，可以用数值计算代替。GB/T 10066.1—2019的第7章给出了进行数值模拟试验的最低通用要求。测定坯料温度均匀度的数值模拟法见GB/T 10066.32—2021的附录CC。

（6）试验项目 有别于IEC其他试验方法，本标准把有关安全和机械方面的试验项目也考虑进去，以建立一套适合于感应透热装置的完整试验项目。本标准冷热态试验项目所列的为感应透热装置特有的、安全必选的和/或其试验方法有修改的，如加热感应器的绝缘耐压试验，以及保温功率、坯料温度均匀度、单位电耗、生产率和设备/装置加热效率的测定等。

（7）试验方法 在GB/T 10066.1—2019第9章的基础上补充了上述冷热态试验项目所列项目的试验方法，以坯料温度均匀度、保温功率、单位电耗和生产率的测定最为复杂，难度最大，现分述如下。

1）坯料温度均匀度的测定：在研制其测定方法时经不断研究和试验主要解决下面关键技术。

第一，确定三个合适表征感应透热坯料温度均匀程度的参数。

第二，补充了一般要求和测量条件，补充了对测定时感应透热设备和试验坯料所处热状态，温度测量、测温时长、所用仪表和传感器，试验用坯料以及避免温控点位置对坯料温度均匀度测定影响的规定。

第三，建立适用于间歇加热、多级加热和连续加热的试验方法。实践表明，只要连续运行足够长时间，后两种加热方式可作相同的处理。

第四，建立适应不同需求和实际生产现状的三种测量方法，即表面测量法、热电偶埋入测量法和数值模拟法。

第五，合理布置测温点，需考虑坯料的形状和大小、感应加热的特点和实际测温的方便和可操作性等因素。

第六，建立坯料温度均匀度的测定计算方法。

具体详见文献[8]和GB/T 10066.32—2021的附录CC。

2）保温功率的测定：设备的保温功率是为使规定坯料维持在规定温度，以达到均温目的而向感应透热设备主电路供给的有功功率。对具有几个加热感应器且其中一个专用于坯料保温的连续加热式和多级加热式设备，特别解决了加热和保温的加热感应器都由同一个整流变压器或同一个整流器供电的情况下（后者如采用串联逆变器的“一拖多”时），相关保温电耗或功率的测量方法和最终设备保温功率的计算方法。

3）单位电耗和生产率的测定：其测定方法基本类同一般间歇式和连续式电热装置，但在计算时按GB/T 10066.1—2019的要求，试验坯料质量为试验期间被感应透热坯料中合格坯料的总质量。对局部透热的情况，在进行计算时应考虑所生产合格坯料被透热部分的总质量。

5 结束语

在该三项标准制订过程中，为验证装置坯料温度均匀度、加热效率、单位电耗和生产率等测定方法，电炉检验中心2015年10月分别在一汽锻造（吉林）公司的两台感应透热装置上、南京钢铁公司的一台感应透热装置上，以及苏州振吴2016年7月在其感应加热实验室，都做了大量试验，并作了相应修改和完善，确保其可行性、合理性和准确性。其中，坯料温度均匀度测定的难度和工作量最大，有关其试验情况和结果见相关文献[10]。

这三项标准的制订填补了国内外感应透热装置标准的空白。在电热设备标准领域，IEC 63078：2019是由我国独家主导新制定的第一项IEC国际标准。感应透热装置试验方法的国家标准和国际标准的先后依次和同步制定，以及相互密切交流和借鉴，为我国标准走向世界提供了一个新的途径和丰富的实践经验。

感应透热装置及其在热成形工艺上的广泛应用涉及众多行业，其产品标准和试验方法的制订和实施将促进该装置的开发及其产品质量的提高，其效益是显著和多方面的。