高端中頻爐在鍛造智能化生產(chǎn)中的科學(xué)選型和應(yīng)用

文/張永紅·山東榮泰感應(yīng)科技有限公司

雷蕾·中國鍛壓協(xié)會

高端中頻爐在鍛造智能化生產(chǎn)中的科學(xué)選型和應(yīng)用

文/張永紅·山東榮泰感應(yīng)科技有限公司

雷蕾·中國鍛壓協(xié)會

隨著國家以及社會對環(huán)保的關(guān)注度日益提升，輕污染、輕排放、輕浪費的“綠色鍛造”已經(jīng)成為鍛造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。與此同時，“智能工廠”逐漸成為熱詞，在政府的倡導(dǎo)下，在市場的反作用推動中，自動化、智能化的應(yīng)用必然掀起鍛造行業(yè)新的革新模式。

在此背景下，中頻感應(yīng)加熱設(shè)備（以下簡稱中頻爐）因為其綠色環(huán)保、易于實現(xiàn)自動化的特點成為溫、熱鍛領(lǐng)域所必需的鍛前加熱設(shè)備。與煤爐和天然氣爐相比，中頻爐具有加熱速度快、生產(chǎn)效率高、氧化脫碳少、節(jié)省材料與鍛模成本等優(yōu)點，但目前多數(shù)鍛造企業(yè)中頻爐使用還處于摸索階段，設(shè)備的性能表現(xiàn)也良莠不齊。鑒于此，本文將就如何正確選購高性價比的高端中頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)展開討論。

性能穩(wěn)定高效

中頻爐在鍛造生產(chǎn)線中處于排頭兵的位置，關(guān)系整條線的配合運營，性能穩(wěn)定至關(guān)重要，高端中頻爐的首要要素即為“穩(wěn)定高效”。那么在選擇中頻爐時如何能夠確定設(shè)備具有穩(wěn)定的性能表現(xiàn)呢？

筆者認(rèn)為，主要取決于5點：⑴供貨商的技術(shù)能力和市場經(jīng)驗；⑵設(shè)備本身線路特點；⑶設(shè)備的制造工藝；⑷所配置元器件性能；⑸供貨商質(zhì)量管控體系。

鍛造企業(yè)在選擇中頻爐時，應(yīng)當(dāng)首先選擇知名度較高、已經(jīng)有較好市場業(yè)績的供貨商。這些供貨商已經(jīng)擁有成熟的技術(shù)和豐富的市場經(jīng)驗，設(shè)備設(shè)計和制造能力趨于成熟，設(shè)備穩(wěn)定性有著更為有力的保障。

從線路原理來講，串聯(lián)諧振線路比并聯(lián)諧振線路更加穩(wěn)定。串聯(lián)諧振線路因其電容采用諧振形式，諧波含量降低，功率因數(shù)也是遠超國家電力0.9的標(biāo)準(zhǔn)，具有主回路控制簡單，綠色節(jié)能、穩(wěn)定高效等優(yōu)點。

在制造工藝上的差距會造成中頻爐在運行中的表現(xiàn)差異和使用壽命差異，如高端中頻爐感應(yīng)線圈的絕緣處理會采取價格相對高昂的烤瓷工藝，以保證感應(yīng)器使用壽命內(nèi)線圈絕緣不出問題；普通中頻爐往往會采用絕緣漆處理，在使用中容易在高溫下脫落。另外，高端中頻爐的感應(yīng)器打結(jié)方式一般采用整體打結(jié)方式，所使用打結(jié)料是普通打結(jié)方式的2倍，首尾銜接處和擋板為一體，爐襯使用壽命延長數(shù)倍。

中頻爐的電氣以及負載部分涉及較多的電子電氣元件，而這些配套元件的性能也會直接影響到設(shè)備的整體運行性能。在選擇中頻爐時，不妨關(guān)注一下設(shè)備整體配置中的元器件配套品牌。目前，國內(nèi)市場上高端中頻爐的關(guān)鍵元器件一般選用的是進口品牌，穩(wěn)定性更有保障。但是在部分元器件選擇上，如可控硅，現(xiàn)在國產(chǎn)的性能不輸于歐美日，所以不是僅僅局限于看是否是配套進口品牌，主要看配套元件的性能是否優(yōu)異。

供貨商的質(zhì)量管控能力也是設(shè)備是否能夠穩(wěn)定運行的關(guān)鍵保障。高端中頻爐的供貨商往往建立有成熟的質(zhì)量管控體系，在設(shè)備的原材料采購、產(chǎn)品設(shè)計、制造工藝、過程質(zhì)檢、出廠負載試驗階段建立有明確的管控點和處理方案，所出廠的設(shè)備都是經(jīng)過層層質(zhì)量把控的，設(shè)備往往能夠長期穩(wěn)定運行。

低能耗優(yōu)勢

高端中頻爐的核心特點為低能耗。按照工件溫度加熱至1150℃計算，普通中頻設(shè)備的平均能耗約為500kW·h/t，而高端中頻爐的能耗可以控制在400kW·h/t以內(nèi)；根據(jù)工件長度、直徑等不同參數(shù)，中頻感應(yīng)加熱設(shè)備能耗性能表現(xiàn)不一。因為感應(yīng)加熱集膚效應(yīng)特點，中頻感應(yīng)加熱的最佳加熱直徑為45～110mm。其中，以直徑55～80mm的工件加熱效果最佳，在此區(qū)間內(nèi)，普通中頻爐的能耗約為450kW·h/t，而高端中頻爐的能耗可以控制在350kW·h/t以內(nèi)。圖1為普通品牌和高端品牌的中頻爐的能耗曲線對比。

圖1 中頻感應(yīng)加熱爐的能耗曲線

當(dāng)加熱工件的長度為直徑的1～3倍時，所匹配的感應(yīng)器功率密度更大，能耗相對會更低；工件直徑低于40mm或者大于120mm時，能耗值會相應(yīng)上升，需要科學(xué)合理的中頻爐設(shè)計才能夠保證能耗值不會差距太大；當(dāng)工件直徑低于15mm時，中頻感應(yīng)加熱的優(yōu)勢基本消失，能耗顯著上升，需要匹配頻率更高的超音頻設(shè)備；當(dāng)工件直徑大于180mm時，芯表溫差問題將會比較突出，為了降低芯表溫差，勢必要增加加熱時間，能耗相對上升，因此，超小直徑或者超大直徑的工件在中頻感應(yīng)加熱領(lǐng)域?qū)儆谙鄬Ω吣芎牡漠a(chǎn)品。

加熱均勻性

高端中頻爐的顯著特性是加熱性能的穩(wěn)定性，主要包含表面溫差、軸向溫差、芯表溫差。加熱均勻性是否能夠保證與中頻爐的功率和頻率設(shè)計、感應(yīng)器負載設(shè)計、工件加熱過程的傳動方式密切相關(guān)。

一般來講，中頻爐的供貨商會根據(jù)用戶提供的工件尺寸（包含直徑和長度）、加熱節(jié)拍、加熱溫度來確定成套設(shè)備的功率和頻率，設(shè)計合理的感應(yīng)器負載，并匹配合適的機械傳動方式。工件直徑?jīng)Q定了頻率設(shè)計，加熱節(jié)拍決定了設(shè)備功率，而上述兩項共同影響感應(yīng)器負載設(shè)計和機械傳動方式。

對圓棒料加熱均勻性的控制較為容易，一般表面溫差可以控制在35℃以內(nèi)，軸向溫差控制在10℃以內(nèi)，心表溫差與加熱工件直徑密切相關(guān)，加熱直徑越大，心表溫差越大；薄板材、不規(guī)則件和帶孔工件的加熱均勻性控制較難，因為中頻感應(yīng)加熱的特點，這些工件在加熱過程中會有較高的溫度偏差，因此需要設(shè)備供貨商擁有更強的設(shè)計和制造水平，高端中頻爐制造企業(yè)會根據(jù)用戶需求結(jié)合市場經(jīng)驗和良好的技術(shù)能力妥善解決這些問題。

智能生產(chǎn)

目前，國內(nèi)高端中頻爐已配置智能工控系統(tǒng)，根據(jù)用戶需求實現(xiàn)ERP軟件對接管理、配方菜單工藝模板化管理、手機APP遠程監(jiān)管和電腦上遠程控制等簡單友好的操作。中頻爐的操作管理對于用戶端來講已經(jīng)越來越簡單易學(xué)，鍛造工人不需要繁瑣的培訓(xùn)即可掌握中頻爐操作技巧。在實際操作中，鍛造企業(yè)可以根據(jù)自己對中頻爐的智能化操作界面和智能工控系統(tǒng)提出需求，由中頻爐制造方對智能化功能進行改進。

隨著人工成本的急劇上升和技能型工人的短缺，已經(jīng)有越來越多的鍛造企業(yè)在逐步實現(xiàn)鍛造自動化。對鍛造環(huán)節(jié)來講，中頻爐的自動化主要包括自動上料、自動送料、自動傳輸和自動出料，作為鍛造自動化的配套機械，穩(wěn)定性要求很高，國內(nèi)部分供貨商已經(jīng)具備了供應(yīng)高度自動化的中頻爐的能力。

結(jié)束語

綜上所述，中頻爐作為關(guān)鍵的鍛造裝備，已經(jīng)為越來越多的鍛造企業(yè)所熟知、所認(rèn)可，并已經(jīng)成為很多鍛造企業(yè)的鍛前加熱設(shè)備首選。中頻爐的性能直接影響到鍛造企業(yè)的生產(chǎn)成本，穩(wěn)定高效的高端中頻爐會幫助鍛造企業(yè)提升成本競爭力和產(chǎn)品競爭力。目前，國內(nèi)少數(shù)供貨商已經(jīng)掌握了高端中頻爐設(shè)計和制造能力，其供應(yīng)的中頻爐的使用性能真正的達到了國際水平。