提高感應(yīng)加熱系統(tǒng)能效的最新進(jìn)展

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

鑒于鍛造行業(yè)不斷增加的成本壓力，鍛造生產(chǎn)線的制造商也被要求發(fā)展創(chuàng)新，以節(jié)約現(xiàn)有資源。這些概念必須提供機(jī)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(yīng)加熱系統(tǒng)的能效至關(guān)重要，是感應(yīng)加熱系統(tǒng)持續(xù)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

德國每年生產(chǎn)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(fèi)也要達(dá)到1 億歐元?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)表明，感應(yīng)加熱裝置的制造商尤其被要求進(jìn)行智能概念的節(jié)能型感應(yīng)加熱系統(tǒng)開發(fā)。

帶有LLC 諧振電路的變頻電源(圖1)的開發(fā)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(fù)載范圍內(nèi)，其效率為97%，cosφ恒定為0.95。實現(xiàn)既定目標(biāo)的關(guān)鍵還在于采用了特低損耗銅繞組的最佳耦合感應(yīng)器、使用了數(shù)據(jù)庫支持的軟件，以及開發(fā)了減少輻射損耗的感應(yīng)器概念。

圖1 六模塊LLC 變頻電源

用于分區(qū)技術(shù)(iZone)的LLC 變頻電源

以長棒料加熱機(jī)為例，每個感應(yīng)器都有自己的變頻電源，因此可以單獨控制。

生產(chǎn)開始

大規(guī)格棒材(直徑300毫米)從室溫到1250℃的加熱時間長達(dá)50 分鐘，這是從系統(tǒng)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(yīng)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(dāng)棒材進(jìn)入時，相應(yīng)的感應(yīng)器才會被激活。在這種系統(tǒng)運(yùn)行模式下，感應(yīng)器的系統(tǒng)連接防止了由于感應(yīng)器的“空轉(zhuǎn)”而造成的不必要的能量損失。

生產(chǎn)結(jié)束

在生產(chǎn)結(jié)束時，按相反的順序切斷感應(yīng)器。在最后的棒材離開各個感應(yīng)器后，感應(yīng)器被關(guān)閉。了解棒材在加熱系統(tǒng)中的位置也是在出料過程中切斷各個感應(yīng)器的基礎(chǔ)。

部分產(chǎn)能模式

近年來，由于批量較小，對柔性生產(chǎn)的要求越來越高，這意味著現(xiàn)代加熱系統(tǒng)也必須能夠提供節(jié)能的部分產(chǎn)能的生產(chǎn)。根據(jù)操作員輸入的數(shù)據(jù)，iZone 控制立即計算出最佳加熱策略，并自動調(diào)整感應(yīng)器距離，只有實現(xiàn)指定的部分產(chǎn)能所需的感應(yīng)器被連接。

裂紋敏感鋼的加熱(軟加熱)

由于連接的感應(yīng)器的獨特性能規(guī)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(tǒng)型變頻電源技術(shù)中必須使用特殊纏繞的感應(yīng)器，以便在居里點以下的范圍內(nèi)實現(xiàn)所謂的“軟加熱”。

隨著智能iZone 控制與LLC 變頻電源的結(jié)合，以前所需要的感應(yīng)器的改變已成為過去。待加熱材料(如100Cr6)在控制中被相應(yīng)的預(yù)選后，加熱系統(tǒng)總是結(jié)合所需的產(chǎn)能進(jìn)行最佳調(diào)整。

使用ELO-FORGE 和ELO-BAR 的故障策略

⑴ELO-BAR(長棒料感應(yīng)加熱)。

在常規(guī)鍛造過程中，棒材加熱系統(tǒng)通常需要被清空。例如，在下游熱剪切出現(xiàn)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(tǒng)重新啟動而導(dǎo)致的生產(chǎn)停機(jī)對于能源使用(重新加熱已經(jīng)加熱的棒材)和材料來說是不合理的。

通過單獨控制感應(yīng)器的選項，現(xiàn)在可以在沒有任何問題的情況下將加熱站內(nèi)的整個棒料段的溫度保持在一個確定的、精準(zhǔn)的水平。智能的iZone 控制提前計算在各個感應(yīng)器中的棒料段的焓(熱量含量)。這使得單個感應(yīng)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(yīng)器間隙的棒料段的冷卻而產(chǎn)生的“斑馬效應(yīng)”)，立即恢復(fù)生產(chǎn)。

⑵ELO-FORGE L(短坯料感應(yīng)加熱)。

短坯料加熱系統(tǒng)通常在感應(yīng)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(diào)整各個感應(yīng)器的輸出來保持溫度。由于采用了專門開發(fā)的數(shù)據(jù)庫支持軟件和操作模式，與傳統(tǒng)操作系統(tǒng)相比，循環(huán)物料可減少80%，這個數(shù)值經(jīng)過了幾個已經(jīng)交付的生產(chǎn)系統(tǒng)驗證。

新感應(yīng)器概念(ELO-ICE)

感應(yīng)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(yīng)線圈通常澆筑耐火混凝土，以提供線圈的機(jī)械和熱保護(hù)。直接安裝在耐火混凝土中的水冷銅繞組可以為襯里創(chuàng)造非常有效的冷卻效果，但是，這會導(dǎo)致相對較低的襯里溫度，從而產(chǎn)生較高的熱損失，而且老化、滲透以及結(jié)垢也會降低機(jī)械防護(hù)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(jīng)冷卻的線圈之間存在較大的溫度差，這意味著感應(yīng)線圈在較高溫度范圍內(nèi)的熱效率并不理想。

西馬克艾洛特姆公司的新型ELO-ICE(感應(yīng)器概念效率)系統(tǒng)，由于全新的、優(yōu)化的隔熱措施，可以節(jié)省能源和成本，通過減少高達(dá)50%的熱損失，大量節(jié)約了費(fèi)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(fèi)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(zhuǎn)轉(zhuǎn)，我被餓怕了，現(xiàn)在能吃飽了，我卻不適應(yīng)了，我還要保持當(dāng)年挨餓的那種感覺。

在ELO-ICE 系統(tǒng)的新開發(fā)過程中，面臨的挑戰(zhàn)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(yīng)線圈的熱損耗。

所有這些都是通過混合耐火復(fù)合系統(tǒng)實現(xiàn)的。該系統(tǒng)由具有細(xì)絲形狀、并有極高強(qiáng)度的新材料組成。不同的材料也可以結(jié)合在一起，以創(chuàng)建一個具有精確協(xié)調(diào)的尺寸和性能的多層同軸結(jié)構(gòu)。因此，可以實現(xiàn)具有耐磨性能的面向工件的內(nèi)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(fā)了一種感應(yīng)器襯里：作為預(yù)制模鑄件，其強(qiáng)度與傳統(tǒng)鑄造襯里相似，但壁厚減少，熱性能優(yōu)化。

新開發(fā)的ELO-ICE 系統(tǒng)與傳統(tǒng)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(jù)西馬克艾洛特姆進(jìn)行的各種測試，驗證了節(jié)能效果為4%～6%，具體取決于工廠的運(yùn)行情況。

ELO-ICE 的節(jié)能效果

這里以短坯料加熱系統(tǒng)的節(jié)約情況為例：此系統(tǒng)包含12 個感應(yīng)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(shè)計的感應(yīng)器中加熱。節(jié)約值是基于6000 小時/年、三班制運(yùn)行和僅為0.10 歐元/千瓦時的保守假設(shè)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(xiàn)實中會有很大的不同?？梢钥闯?，優(yōu)化后的襯里表面溫度明顯高于常規(guī)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(yù)期的那樣，最大的節(jié)能潛力是在高溫階段，對應(yīng)后部的感應(yīng)器。

表1 使用ELO-ICE 系統(tǒng)的潛在節(jié)約評估

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

ELO-FORGE L (短坯料感應(yīng)加熱)

西馬克艾洛特姆已經(jīng)考慮到鍛造行業(yè)在短坯料和長棒料感應(yīng)加熱領(lǐng)域?qū)κ褂萌略O(shè)計的低維護(hù)感應(yīng)加熱系統(tǒng)不斷增加的要求。除了在工藝可用性、可靠性、減少循環(huán)材料和備件方面的全新概念外，加熱系統(tǒng)的設(shè)計也接受了測試。這樣做的結(jié)果已經(jīng)被許多客戶所信任。圖3 所示的加熱系統(tǒng)顯示了這一努力的結(jié)果。

圖3 最新一代ELO-FORGE 感應(yīng)加熱系統(tǒng)

新開發(fā)的使用導(dǎo)向管的感應(yīng)器技術(shù)經(jīng)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(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。和在生產(chǎn)條件下清空感應(yīng)加熱系統(tǒng)直至最后一截坯料一樣，在2 分鐘的轉(zhuǎn)換時間內(nèi)完成從一個產(chǎn)品到另一個新產(chǎn)品的切換功能也是西馬克艾洛特姆新系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。如之前所述，在發(fā)生外部故障時的保溫功能也是標(biāo)準(zhǔn)的，可用性經(jīng)驗證高達(dá)99%，并可以通過相應(yīng)的維護(hù)周期來保證。通過相容的標(biāo)準(zhǔn)化減少備件庫存是新一代ELO-FORGE 系列的另一個特點；分區(qū)技術(shù)和新的面向數(shù)據(jù)庫的軟件完善了兼容工業(yè)4.0 的加熱系統(tǒng)。

ELO-BAR(長棒料感應(yīng)加熱系統(tǒng))

西馬克艾洛特姆在感應(yīng)加熱領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展的重點是ELO-FORGE 和ELO-BAR 感應(yīng)加熱系統(tǒng)。在這里，能效和標(biāo)準(zhǔn)化與吸引人的設(shè)計一樣重要，這體現(xiàn)在加熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上。

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

圖4 用于Hatebur HM75 型壓機(jī)的長棒料感應(yīng)加熱系統(tǒng)

基于這些數(shù)據(jù)，西馬克艾洛特姆面臨的挑戰(zhàn)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(chǎn)。由于感應(yīng)加熱系統(tǒng)的長度，還必須提供一個系統(tǒng)完全自動的將已經(jīng)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(cè)是已加熱棒料，儲存庫確保了在壓力機(jī)出現(xiàn)故障后，在相應(yīng)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(jié)與展望

新技術(shù)通過使用模塊化組件和創(chuàng)新的iZone 分區(qū)技術(shù)，使作業(yè)者能夠進(jìn)行靈活的生產(chǎn)。

在每個產(chǎn)能中的智能能量分配和基于逐步啟動、系統(tǒng)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(jié)合ELO-ICE 概念，系統(tǒng)從各方面滿足了大規(guī)模成形中資源和能效可持續(xù)增長的需求。

鍛造行業(yè)對感應(yīng)加熱系統(tǒng)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(hù)的要求，是感應(yīng)加熱系統(tǒng)生產(chǎn)商面臨的主要挑戰(zhàn)，目前西馬克艾洛特姆提出的概念滿足了這些要求。