节能工艺的节能途径 有限公司 （河南【摘要】感应淬火是众所周知的节能工艺，但 在工艺、设备及备件方面存在着许多耗能问题，未 被管理者发现或重视，增加了生产费用。本文以实 例及技术数据指出节能的渠道，并提出制订感应淬 火工艺的电耗定额，以推动感应淬火工艺与管理的 进步。 ４７１０００）沈庆通张宗杰黄志 领域内异军突起，取代了许多原为火焰淬火、调质 或渗碳的工艺，由于感应淬火装备与机加工设备一 样，可建立在生产线上，使得零件冷热加工流程前 后紧密相接。 然而感应淬火的电耗定额却一直是工艺制订中 的难题，渗碳、普通热处理件的电耗定额均以零件 质量（ｋｇ）为单位计算，而感应淬火件只是表面或 感应淬火用于表面淬火或局部淬火是公认的 节能工艺，符合３ｓ（Ｓｕｒｅ、Ｓａｆｅ、Ｓａｖｉｎｇ）与３Ｃ （Ｃｏｏｌ、Ｃｌｅａｎ、Ｃａｌｍ）要求，７０多年来在热处理 局部淬火，其淬火部分的质量占整体质量的比值差 异较大，如表１所示。 ＧＢ／Ｔ１７３５８—１９９８ 热处理生产电耗定额及 表１ 不同感应淬火件的整体质量与加热层质量对比 零件名称 加热层／ｋｇ 整体，ｋｇ 推土机刀片 ４．５ ８．５ 气缸套 ２．８ ７．０ 履带板销 ０．６３７ １．２８ 托带轮 ３．Ｏ １８ 飞轮齿圈 ４－３ ７．６４ ４１２５曲轴 ５．７５ ６２ ６１０２曲轴 ４．３ ４３ 比值（加热层／整体） ０．５２ Ｏ．４ Ｏ．５０ ０．１６ ０．５６ ０．０９ Ｏ．１ 其计算和测定方法 中曾规定电耗定额：气体渗 碳（＜０．１ ５ｍｍ渗层）为０．７５ｋＷ・ｈ／ｋｇ，碳氮共渗为 ０．５１ｋＷ‘ｈ／ｋｇ，而感应淬火为０．１５ｋＷ・ｈ／ｋｇ。 ＧＢ／Ｔ１７３５８—２００９新标准中，对不同热处理 （３）优化生产批量的组织与安排。从管理角 度首先应考虑的是保证加热设备的满负荷（即达到 额定装炉量）连续运转。为此，热处理的生产就必 须有足够的批量，并根据批量合理选用加热设备的 能降耗需要工艺、材料、设备、技术、管理和操作 的不断进步，需要全体热处理工作者的共同努力。 我公司从员工培训到工艺、设备、管理等途径采 取一系列节能措施后，目前的热处理工序，处理 １００万条曲轴，节能降低成本２００～３００万元。 热处理消耗能源巨大，仅用电量约占钢铁制造 业的２５％～３０％，因此，节能挖潜是机械行业发展 过程中必须关注的课题，也是开发热处理技术的目 类型和规格，使之能实现均衡生产。例如，批量足 够大时尽可能的选用连续式加热设备，如悬挂式曲 轴正火流水线，而不用周期式炉。批量不足、设备 选用不当会使设备负荷极低或经常临时性开炉，使 大批的时间及热能浪费在炉子的升温过程。 ５．结语 热处理节能体现在热处理生产的各个环节。节 标，更是企业实现可持续发展的要求。ＭＷ （２０１１０９２５） ２２ ２‘‘０ １ ｌ筹２’ 粤倦厨带建 参曷 ． 热加工 ｗｗ￣．ｍｅｔｏ／ｗｏｒ／ｄｎＥ／ｇＳＯ．ｃｏｍ ’’。 ……一 工艺有个折算系数，如一般淬火为１，感应淬火为 ０．５，其基数 ＝０．２８ｋＷ・ｈ／ｋｇ。 对感应淬火件仍以零件整体质量为计算基数， 未解决淬火局部与整体质量比值大小这个难题。实 际上感应淬火电耗会随加工件不同而变化的，笼统 地作一标准定额，产生的弊病是电耗定额不能准确 地监控工艺的合理性，难以体现设备的先进性与管 理的进步。 １．感应加热件的效率 Ｗ ＝０．２％～０．６％的碳钢在不同温度下的比焓 值见图１。从图１可见，钢的比焓值与温度基本呈 线性关系，钢的温度越高，它的比焓值也越大。生 产实践中，钢用感应加热达到不同温度时，由于变 频效率、负载系统（变压器、电容器与感应器与母 排等）效率，以及工件在加热过程中的热传导、对 流与辐射等损失，所需的电耗远比理论上的比焓值 高。 Ｏ２４ ０ ２２ ｌ／ ｌ／ ０．２０ ０，１８ ，Ｏ １６ ，／ 一０＿ｌ４ ／／ ， ● 至ｏ １２ ，／ ０．１０ ，夕 ＯＯ８ ．夕。 ＯＯ６ ‘ ． ＯＯ４ ＯＯ２ ／ ．／。 Ｏ ２００ ４００ ６００ ８００ １０００ １２００ 温度／＊Ｃ 图１钢比焓与温度的关系（埃森电热研究所资料） 表２是钢在感应加热过程中不同电源设备各环 节的大致损耗。 说明： （１）机式中频发电机未使用淬火变压器，因 此，虽然变频器电耗大，但工件有效热仍然高。如 加上淬火变压器，有效热将低于５０％。 （２）电子管高频项目中，整流器是旧式闸流 管，效率低，电耗大，其最终结果是有效输出功率 低（未包括感应器损耗）。 （３）晶闸管、晶体管电源是最节能的产品。 表２钢在感应加热过程中各环节的损耗 （％） 电耗项目 机式中频 电子管 晶闸管／晶 发电机 高频电源 体管电源 变频器 １５～２５ ７～１１ 电容和母排 ２～５ ４～５ 淬火变压器 １１～１５ 感应器与有效圈）（连接板 １２～２２ ２０～２ｌ 调节元件 １ 电子管灯丝加热 ３．５ 整流器 ８．０ 振荡管 ２３．６ 反馈回路 １－４ 振荡回路 １．５ 母排导线 ４．Ｏ 高频变压器 ６．Ｏ 有效输出 ５７ 工件有效热 ５５～６５ ５０～５５ 由于电源设备的进步，以及变频效率、输电效 率、感应器效率等不断提高，钢坯透热（１１５０￣Ｃ） 的电耗指标已降到３００ｋＷ・ｈ／ｔ，炼铁电耗已降到 ５１０ｋＷ・ｈ／ｔ以下，碳钢管淬火（９５０￣Ｃ）电耗已降到 ２００ｋＷ・ｈ／ｔ，碳钢管回火（６７５℃）为１２５ｋＷ‘ｈ／ｔ。 感应淬火件是表面或局部表面淬火，其合理的电耗 定额应低于碳钢管淬火的电耗，因为碳钢管是透热 淬火的，用此电耗限值来对照本单位感应淬火件的 电耗，将有助于发现电耗漏洞。 ２．ＰＣ钢筋生产线电耗对比 （１）国内早期的Ｐ ｃ钢筋生产线对 ７～ １３．５ｍｍ的钢筋采用２．５ｋＨｚ中频预热、８ｋＨｚ中频 最终加热、２．５ｋＨｚ中频回火，其运行参数及电耗见 表３。 （２）２１世纪初，浙江某感应加热公司通过最 佳电流频率选择，采用变频效率高的晶闸管及晶 体管电源闭环控制运行，大大减少了电耗，如表４ 所示。 此ＰＣ钢筋淬火＋回火的电耗比表３同样钢筋的电 耗减少了２７１ｋＷ・ｈ／ｔ，与美国ＡｊａｘＴｏｃｃｏ磁热公司碳钢 管淬火＋回火电耗相近（２００＋１２５＝３２５ｋＷ・ｈ／ｔ）。 试想每吨钢筋节电２７１ｋＷ・ｈ，其意义何等重大。 ３．前苏联的节能实例 在２０世．￣Ｂ５ｏ年代，苏联高尔基汽车厂曾对汽车 参磊 … 霉 ２３ 表３ ４９ｍｍ钢筋早期生产用电源及运行参数和电耗 工序 配套电源型号 预热 １ｏ０ ｋＷ，２．５ｋＨＺ ４０ ２５ ．最终加热 ２０ｏ ｋⅥｒ，８ｋＨＺ １１０ ８ 回火 １６０ｋＷ／２．５ｋＨＺ １５ ２．５ 运 行 参 数 实际功率／ｋＷ 电流频￣／ｋ［－Ｘｚ 扫描速度／（ｍ／ｍｉｎ） 加热温度／￣Ｃ 总计电耗／（ｋＷ・ｈ／ｔ） ９ ９ ９００（淬火） ６ｌ１ ９ ４２０ 表４ ４９ｍｍ钢筋采用现代电源闭环控制的运行参数及电耗 工序 配套电源型号 预热 ＫＧＰＳ３５０—６ 加热 ｌＰＳ２５０—２Ｏ 稳定加热 １ＰＳ１６０—５Ｏ 回火 ＫＧＰＳ１６０—４ 实际功率／ｋＷ ，—Ｊ ３４０ ４＿２ ７０ １２０ ２１．２ ７０ ５０ ４６．５ ７０ ７２ ４ ７０ 行 参 电流频率／ｋ［－Ｉ－ｚ 扫描速度／（ｍ／ｍｉｎ） 数 加热温度，℃ ９２０（淬火） ４２０ 总计电耗／（ｋＷ・ｈ／ｔ） ３４０ 凸轮轴感应淬火进行不同电流频率试验，目的是解 ８ｋＨｚ电流频率得到的加热效果比３．６ｋＨｚ的略差一 点，但节能与高效效果优异。因此，最后选定了８ｋＨｚ 电源，本例说明电流频率选择与节能密切相关。 决凸轮桃尖与圆弧部分温度均匀的问题，通过试验 同时获得节能数据。如表５所示。 表５汽车凸轮轴用不同频率电源时的生产率与电耗 电源频率／ｋＨｚ 功率／ｋＷ 加热时间，ｓ 预冷时间，ｓ 冷却时间／ｓ 生产率／（件ｍ） ２．０ ３．６ 电耗／（ｋＷ・ｈ／件） ３．２５ １．９ 特点 桃尖温度低 整个温度均匀 ２００ ２００ ５．Ｏ～５．５ ３．Ｏ ４．５～５．Ｏ ２．５ ５．Ｏ ２．５ ３６ ６０ ８．０ １７５ ３．０ １．０ ２．０ ８０ １．６ 桃尖温度偏高 ４．加热方法的节能实例 扫描淬火与一次加热是感应加热最基本的两种 方法，前者一次投资小，设备占地面积大，已为大 家所熟知，在节能方面的弱点，却常被人们所忽 略。一汽、东风汽车公司在半轴感应淬火技术改进 的例子，足以说明淬火方法对节能的重要性，表６ 率翻两番，还减少了回火设备与生产用地，综合效 益显著。当然，这个例子只适用于大批量生产。 ５．自回火或感应回火取代普通炉回火 感应淬火件必须回火，虽然是低温回火，但由 于是将工件整体回火，因此其电耗可按工件质量 （ｋｇ）计算，有标准的电耗定额可查。在２０世纪 ５０年代，前苏联对感应淬火件已部分采用自回火工 艺。以吉斯１５０汽车曲轴为例，采用了自回火，节 省了流水线一台１００ｋＷ的回火炉与３０ｍ 的生产面 积。还有，我国一汽底盘感应淬火件大量采用自回 是汽车半轴扫描淬火改为一次淬火的技术数据。 表６汽车半轴一次加热和扫描加热淬火的电耗比较 淬火参数 感应器 回火电耗 总电耗 生产率 结构 功率 加热 电耗 ・ｈ ／ｋＷ・ｈ （件ｍ） ，ｓ 瓜Ｗ・ｈ 火工艺，节能效果明显。旋转曲轴感应淬火，采用 自回火工艺具有技术难度，但近年来德国ＡＬＦＩＮＧ Ｏ．５６ ５．４１ １２ 圆环扫 ９０ １９５ ４描式 ８５ ．曲轴公司在轿车旋转淬火曲轴上，已开始在生产线 矩形一 ３００ ５０ 次式 ４０ １７ （自回火） ４．１７ ．上使用自回火工艺，节省了塔式回火炉生产面积及 ３６ 电耗。 注：表中为单件电耗数据。 感应回火的回火时间是普通炉子回火时间的 上述例子，节能效果明显，不但节能而且生产 １／１０左右。另外，由于其大部分是局部加热或表面 ２４ 麟参露 … 层加热，因此与普通回火相比，节能效果仅次于自 回火。目前，感应淬火与回火结合在一起的淬火机 床正在得到发展，如减震器连杆淬火机床等。 ６．感应器节能的实例 感应器节能，换言之是感应器的效率提高，其 中学问甚多。分述如下： （１）多匝感应器比单匝感应器效率高不管 是高频感应器或中频感应器，一般情况下，多匝比 单匝效率高，简而言之，是感应器电压高、电流 小，以及有效部分与导电部分阻抗比值大等原因， 实例如表７所示。 表７一汽四缸汽油机凸轮感应器不同匝数时电耗对比 淬火参数 淬火用时 电耗／ｋｗ・ｈ 感应器 结构 功率 加热 工时 １根轴 １０ ｌ ，ｓ ／ｓ ／ｓ 轴／根 ｌ１ １根轴 １０ 轴 根 单孔单匝 ５０ ５ １０ ８０ ２２２２．２ ０．５５５５５ ５５５５５ 双孔双匝 ８０ ５ １０ ４０ ｌ１１１．１ ０．４４４４４ ４４４４４ ８匝 ２３０ ５ １４ ｔ４ ３８８．９ ０．３１９４４ ３１９４４ 注：采用的电流电流频率８００Ｈｚ。 从表７中可看出，双匝感应器电耗比单匝节省 ０．１ｌｋＷ・ｈ／根，８匝感应器比单匝节省０．２３ｋＷ・ｈ／根。 此外，生产率相应为单孔的１倍及５倍以上，由此可 见其节能意义极大。 （２）强力感应器亦即感应器上镶装导磁 体感应器上镶装导磁体能提高感应器效率已为业 内人士所共知，然而外圆感应器镶装导磁体与感应 器镶装导磁体能提高加热系统的效率这两点，却常 为科技人员所忽略。笔者曾用硅钢片束镶装轧辊外 圆加热感应器解决了中频电源功率不足、轧辊无法 淬火的难题，因为其消除了磁力线散逸，并使加热 区更精确在一定区段；飞轮齿圈超音频加热感应器 也得到了相似结果；此外，曾在大齿圈感应器上， 局部镶装导磁体进行加热试验，针对镶装导磁体区 段的轮齿比无导磁体区段先烧红（工件不转动）， 温差达１００￣Ｃ以上。以上三例证明了外圆加热感应 器镶装导磁体并不是锦上添花，而是高效、节能的 一种有力措施。 图２是强力感应器与裸感应器（未装导磁体） 的电耗对比数据。从图中可见，强力感应器因导磁 体产生损耗比裸感应器增耗２％，但却使振荡回路 图２强力感应器与裸感应器耗电比较 系统（电容器、淬火变压器、导电板）节省电耗 ７％，工件上电耗增加５％，有用功率较裸感应器提 高了６５％（有用功率提高加热速度）。 （３）导电板（母排）的损耗感应器与振荡 回路的导电板载流常达几千甚至上万安培，因为通 水冷却，外观未见明显发热，对此部分，导线宜 宽、短，宜立面平行紧贴，以减少阻抗电耗，决不 能为节省铜材，做成又窄又长、相距间隔大，且不 是立面平行的设计，使电耗暗中损耗掉。图３是两 种母排电耗的实例，该母排宽７６ｍｍ、厚９．５ｍｍ、 长１５２ｍｍ，通以１０ｋＨｚ、１０ ０００Ａ电流时，立向 布置与卧向布置的电耗前者为１０．５ｋＷ，后者为 ２８ｋＷ。当电流通过更长长度时，其电耗可想而 知，因此决不能忽视。 （ａ）立向布置 （ｂ）ＩＭ＇￣Ｊ布置 （电阻损耗１０．５ｋＷ） （电阻损耗２８ｋＷ） 图３导电板的合理布置与电耗对比 ７．淬火机床的节能 淬火机床的节能有以下几个方面： 参磊 … ２５ （１）淬火机床要提高时间利用系数与负载系 数，前者亦即负载时间（加热）与整个工艺周期 （含装、卸料、喷液及返回行程等）的比值，后 者则看是否满功率运行（亦即实用功率与装机功率 比，此值越大，变频电源空载损耗越小，效率越 高）。对机式中频与真空管式高频，此点尤为突 出。 空载时间的缩短，有以下几个措施：①通用淬 火机床应提高返回行程速度（现在较快的返回速 度达１５０ｍｍ／ｓ以上）。②采用多个淬火站（负载系 统），通过功率切换器交替工作。③采用多工位回 转台，将喷液、装卸料时间安排在不占感应器的工 位上。 负荷率的提高是采用多轴加热，如一次由多个 感应器加热多个零件，有许多实例，如多轴淬火机 床，四孔感应器一次加热４个隔套等。 （２）缩短辅助时间 更换感应器常占用较多 辅助时间，采用快换感应器夹头与快换管接头，减 短变频器空载运行等。 （３）计算机编程使工艺调整在短时间内完 成，甚至换工件后能自动识别，调出程序等。 总之，淬火机床的节能与管理上的因素更为密 切。 ８．重要配件的电耗不容忽视 提高淬火变压器的效率对国内产品来说是一个 突出的现实问题。举例来说，同样工件、感应器在 同电源下试验，一台变压器使用功率１２０ｋＷ，另一 台则为９０ｋＷ。这提醒我们：重要配件的电耗存在 差别，必须认真选用，必须重视淬火变压器的效率 与标准，必须严格要求变压器的铁损、铜损等技术 指标，与先进的国际品牌接轨。法国ＣＥＬＥＭ公司 的ＭＴ系列淬火变压器，已采用层状铜片代替传统 的铜管，频率为５～３５０ｋＨｚ，由于消除了杂散电磁 场，采用了高磁性饱和的铁氧体芯，其效率达到 ９０％～９５％。淬火变压器的电耗在感应装置系统中 占有重要位置，必须改进提高。 ９．节水也即是节电 变频电源、淬火机床均需要冷却水，过去水路 有采用将工业水补充降温后直接排出的设计，浪费 了水资源，现已被节能的换热器及蒸发冷却所代 ２６ ｌＺＯ ｊ２０ ＇ 。 ． ！ ．箜竺粤 聋 Ｉ｜‘霭 ｊ堋≯ ’。． 热Ｉ蕊加工邪Ｊ。 替，然而耗水指标还是有很大差别，以淬火变压器 一个部件为例，美国一种变压器的耗水量为２ｔ／ｈ， 而国产的同容量变压器耗水量为１０ｔ／ｈ。虽然使用的 是循环水，但水泵的耗电量也是一个大数字，应进 行节能考核。变频电源的耗水量也有差异，应进行 比较，节水型的变频电源应优先发展。 以上节能的各方面，归根结底均回归到感应淬 火件的电耗定额上。ＧＢ／Ｔ１０２０１—２００８ 热处理合 理用电导则 已对感应加热淬火制订了新的电耗定 额，见表８。它是依加热层深和加热表面积来计算 的，与以工件整体质量为基准截然不同。 表８感应加热淬火电耗定额 透热深度 ／≤１ １～２ ２～４ ４～８ ８～１６ ＞１６ ｍｍ 电耗定额 ≤３ ≤５ ≤１Ｏ ≤２２ ≤５０ ≤６０ （ｋＷ・ｈ／ｍ２） 新标准执行过程中会不断修订与完善，笔者迄 今还未发现国外这方面的电耗定额标准，应该说新 标准的执行将推动节能设备与工艺的发展。美国 ＡｊａｘＴｏｃｃｏ磁热公司的Ｎ．Ｖ．ＲＯＳＳ先生从实际生产中 总结了许多金属感应加热的电耗定额，值得我们借 鉴，更上一层楼将是我们节能工艺的下一个目标。 １０．结语 （１）随着感应加热装备的现代化，感应淬火 件的电耗在逐步降低。 （２）感应加热电源频率的选取与现代化程 度，是感应淬火件节能的关键。 （３）提高电源与淬火装置的时间利用系数与 负载率有助于节能。 （４）强力感应器除提高了感应器效率外，还 改善了回路系统效率。 （５）感应淬火件的自回火与感应回火，对降 低电耗具有广阔前景。 （６）感应加热淬火变压器对节能效果至关重 要，必须重视。 （７）执行新的感应淬火电耗定额，将推动节 能感应淬火装备与工艺的发展。ＭＷ （２０１１０９２５）
