提高感應加熱系統能效的最新進展

文／Jochen Gies，Markus Langejürgen·西馬克艾洛特姆公司

鑒于鍛造行業不斷增加的成本壓力，鍛造生產線的制造商也被要求發展創新，以節約現有資源。這些概念必須提供機會，以滿足許多代加工廠商在減少二氧化碳排放方面的要求。因此，提高感應加熱系統的能效至關重要，是感應加熱系統持續進一步發展的關鍵環節。

德國每年生產約230 萬噸熱成形鍛件，加熱鍛造材料的能耗需求約為每年1000GWh，這意味著：即使能源成本僅為0.10歐元/kWh 時，每年總計花費也要達到1 億歐元?，F有數據表明，感應加熱裝置的制造商尤其被要求進行智能概念的節能型感應加熱系統開發。

帶有LLC 諧振電路的變頻電源(圖1)的開發被證明是降低能耗的重中之重，LLC 指的是逆變器輸出端的接線。此變頻電源由不受控整流器、直流鏈路電容、IGBT 逆變器和輸出扼流圈組成，在所有部分負載范圍內，其效率為97%，cosφ恒定為0.95。實現既定目標的關鍵還在于采用了特低損耗銅繞組的最佳耦合感應器、使用了數據庫支持的軟件，以及開發了減少輻射損耗的感應器概念。

圖1 六模塊LLC 變頻電源

用于分區技術(iZone)的LLC 變頻電源

以長棒料加熱機為例，每個感應器都有自己的變頻電源，因此可以單獨控制。

生產開始

大規格棒材(直徑300毫米)從室溫到1250℃的加熱時間長達50 分鐘，這是從系統首次啟動直到可以剪切第一部分所需的時間。在此之前，棒材通過整套感應器。由于iZone 控制單元始終知道棒材在加熱站中的位置，因此只有當棒材進入時，相應的感應器才會被激活。在這種系統運行模式下，感應器的系統連接防止了由于感應器的“空轉”而造成的不必要的能量損失。

生產結束

在生產結束時，按相反的順序切斷感應器。在最后的棒材離開各個感應器后，感應器被關閉。了解棒材在加熱系統中的位置也是在出料過程中切斷各個感應器的基礎。

部分產能模式

近年來，由于批量較小，對柔性生產的要求越來越高，這意味著現代加熱系統也必須能夠提供節能的部分產能的生產。根據操作員輸入的數據，iZone 控制立即計算出最佳加熱策略，并自動調整感應器距離，只有實現指定的部分產能所需的感應器被連接。

裂紋敏感鋼的加熱(軟加熱)

由于連接的感應器的獨特性能規格，iZone 還提供加熱裂紋敏感鋼的選擇。這包括100Cr6 等滾動軸承鋼。為了使這成為可能，傳統型變頻電源技術中必須使用特殊纏繞的感應器，以便在居里點以下的范圍內實現所謂的“軟加熱”。

隨著智能iZone 控制與LLC 變頻電源的結合，以前所需要的感應器的改變已成為過去。待加熱材料(如100Cr6)在控制中被相應的預選后，加熱系統總是結合所需的產能進行最佳調整。

使用ELO-FORGE 和ELO-BAR 的故障策略

⑴ELO-BAR(長棒料感應加熱)。

在常規鍛造過程中，棒材加熱系統通常需要被清空。例如，在下游熱剪切出現故障時，重新啟動意味著加熱時間變長，特別是對直徑較大的棒材加熱。由于系統重新啟動而導致的生產停機對于能源使用(重新加熱已經加熱的棒材)和材料來說是不合理的。

通過單獨控制感應器的選項，現在可以在沒有任何問題的情況下將加熱站內的整個棒料段的溫度保持在一個確定的、精準的水平。智能的iZone 控制提前計算在各個感應器中的棒料段的焓(熱量含量)。這使得單個感應器的輸出降低，而棒料的各自能量含量幾乎保持不變。故障消除后，可以通過棒料的回退(避免了由位于感應器間隙的棒料段的冷卻而產生的“斑馬效應”)，立即恢復生產。

⑵ELO-FORGE L(短坯料感應加熱)。

短坯料加熱系統通常在感應器之間沒有間隙，這里使用了如上所述的類似的策略。由于沒有間隙，這里不需要回退坯料段。坯料段停止，并通過單獨調整各個感應器的輸出來保持溫度。由于采用了專門開發的數據庫支持軟件和操作模式，與傳統操作系統相比，循環物料可減少80%，這個數值經過了幾個已經交付的生產系統驗證。

新感應器概念(ELO-ICE)

感應加熱使用的帶有水冷的銅線圈只有在距離工件很小時工作才具有很高的電效率。在短坯料和長棒料加熱時，感應線圈通常澆筑耐火混凝土，以提供線圈的機械和熱保護。直接安裝在耐火混凝土中的水冷銅繞組可以為襯里創造非常有效的冷卻效果，但是，這會導致相對較低的襯里溫度，從而產生較高的熱損失，而且老化、滲透以及結垢也會降低機械防護效果。此外，耐火混凝土并不是保溫隔熱的最佳材料。熱的工件與經冷卻的線圈之間存在較大的溫度差，這意味著感應線圈在較高溫度范圍內的熱效率并不理想。

西馬克艾洛特姆公司的新型ELO-ICE(感應器概念效率)系統，由于全新的、優化的隔熱措施，可以節省能源和成本，通過減少高達50%的熱損失，大量節約了費用。

幾個老家伙對老冬瓜的話起了興趣，在食堂里吃了晚飯，拉了老冬瓜，來找老鱖魚。老鱖魚生活有個特點，從不吃晚飯。吃啥晚飯，晚上又不干活，不是浪費嗎？老鱖魚從年輕的時候，就持這種觀點。他還說，我那時候每天都吃不飽，一年四季圍著肚子打轉轉，我被餓怕了，現在能吃飽了，我卻不適應了，我還要保持當年挨餓的那種感覺。

在ELO-ICE 系統的新開發過程中，面臨的挑戰是保持工件和襯里之間的溫差盡可能低以減少熱對流，從而減少水冷感應線圈的熱損耗。

所有這些都是通過混合耐火復合系統實現的。該系統由具有細絲形狀、并有極高強度的新材料組成。不同的材料也可以結合在一起，以創建一個具有精確協調的尺寸和性能的多層同軸結構。因此，可以實現具有耐磨性能的面向工件的內表面，以及對冷銅線圈的良好保溫隔熱性能。

西馬克艾洛特姆與合作伙伴合作，成功開發了一種感應器襯里：作為預制模鑄件，其強度與傳統鑄造襯里相似，但壁厚減少，熱性能優化。

新開發的ELO-ICE 系統與傳統的模制襯里相比，減少了一半的熱損失。因此，對于直徑或邊長在80毫米左右的大截面來說，根據西馬克艾洛特姆進行的各種測試，驗證了節能效果為4%～6%，具體取決于工廠的運行情況。

ELO-ICE 的節能效果

這里以短坯料加熱系統的節約情況為例：此系統包含12 個感應器，每個長度為1200 毫米?？紤]了不同的工件直徑，每個工件都在以此為目的設計的感應器中加熱。節約值是基于6000 小時/年、三班制運行和僅為0.10 歐元/千瓦時的保守假設電價來計算的。

圖2 顯示了一個典型的長度方向上的溫度曲線。由于直徑范圍大，這些曲線在現實中會有很大的不同?？梢钥闯?，優化后的襯里表面溫度明顯高于常規耐火材料襯里的表面溫度，這就是熱量損失減少的原因。

圖2 沿著加熱線的溫度曲線

正如預期的那樣，最大的節能潛力是在高溫階段，對應后部的感應器。

表1 使用ELO-ICE 系統的潛在節約評估

節能的ELO-ICE 系統對感應器的維護更加友好、快速，這使其更具吸引力：因為它消除了傳統耐火混凝土上耗時費力的拆除工作，并排除了對感應器線圈可能造成的損害。這最終減少了生產停機時間和高昂的維修成本。

ELO-FORGE L (短坯料感應加熱)

西馬克艾洛特姆已經考慮到鍛造行業在短坯料和長棒料感應加熱領域對使用全新設計的低維護感應加熱系統不斷增加的要求。除了在工藝可用性、可靠性、減少循環材料和備件方面的全新概念外，加熱系統的設計也接受了測試。這樣做的結果已經被許多客戶所信任。圖3 所示的加熱系統顯示了這一努力的結果。

圖3 最新一代ELO-FORGE 感應加熱系統

新開發的使用導向管的感應器技術經證明使用壽命(磨損部分)超過一年，此項已成為西馬克艾洛特姆的產品標準。和在生產條件下清空感應加熱系統直至最后一截坯料一樣，在2 分鐘的轉換時間內完成從一個產品到另一個新產品的切換功能也是西馬克艾洛特姆新系統的標準。如之前所述，在發生外部故障時的保溫功能也是標準的，可用性經驗證高達99%，并可以通過相應的維護周期來保證。通過相容的標準化減少備件庫存是新一代ELO-FORGE 系列的另一個特點；分區技術和新的面向數據庫的軟件完善了兼容工業4.0 的加熱系統。

ELO-BAR(長棒料感應加熱系統)

西馬克艾洛特姆在感應加熱領域進一步發展的重點是ELO-FORGE 和ELO-BAR 感應加熱系統。在這里，能效和標準化與吸引人的設計一樣重要，這體現在加熱系統的結構上。

這一發展的結果如圖4 所示，在Hatebur HM75臥式壓力機前安裝了一個最近交付的長棒材加熱系統，產能20 噸/小時，加熱最大棒料直徑90 毫米。感應器的概念與ELO-FORGE L(短坯料感應加熱)相對應，這里的重點也是最大限度的標準化和可用性，以及易于維護。此外，外圍設備也尤為重要，尤其是給料(棒料倉)，在這樣的大型系統中起著重要的作用。

圖4 用于Hatebur HM75 型壓機的長棒料感應加熱系統

基于這些數據，西馬克艾洛特姆面臨的挑戰是，在不填充上游棒材庫的情況下，必須保證一個小時的生產。由于感應加熱系統的長度，還必須提供一個系統完全自動的將已經加熱的棒材再次加載。棒材庫的容量為30 噸，如圖5 所示。圖左側是已加熱棒料，儲存庫確保了在壓力機出現故障后，在相應的冷卻時間后，回退的棒材可以自動返回到加工中。

圖5 容量為30 噸的棒料庫，包含已加熱料存儲

總結與展望

新技術通過使用模塊化組件和創新的iZone 分區技術，使作業者能夠進行靈活的生產。

在每個產能中的智能能量分配和基于逐步啟動、系統下料以及在故障的情況下保持坯料段溫度的最小能耗方式，再結合ELO-ICE 概念，系統從各方面滿足了大規模成形中資源和能效可持續增長的需求。

鍛造行業對感應加熱系統日益增長的減少二氧化碳排放、高可用性以及減少備件維護的要求，是感應加熱系統生產商面臨的主要挑戰，目前西馬克艾洛特姆提出的概念滿足了這些要求。