浅析感应透热国际标准的意义与影响

余维江，李 琨，杨 佳，吴 超

(西安电炉研究所有限公司， 陕西 西安 710061)

冶金行业是我国国民经济的“支柱型”基础产业之一，其中仅黑色金属冶炼和压延加工部分在2020年的营业收入就高达7.28万亿元，占全国规模以上工业企业总收入的6.86%[1]。感应透热技术是利用法拉第电磁感应定律与焦耳-楞次定律，以磁能为中介实现电能向热能转换的热处理工艺，其非接触、无污染、易控制的优点[2]在工件表面热处理[3]，连铸坯的热装热送[4]，中间包感应加热[5]62及电磁出钢技术[6]等技术领域具有广阔的应用前景。

我国的感应透热技术起步于20世纪50年代，经过相关学者与技术人员的不懈努力，相关技术已在汽车、工程机械、冶金、石油机械、建筑等行业发挥了重要作用[7]14。但由于缺乏相应标准的引导与规范，我国感应加热企业的产品质量良莠不齐、通用化程度低且非标现象严重，如日本电气兴业公司所生产的曲轴旋转加热感应器的使用寿命超过3万次，而国内企业所生产的同类设备的使用寿命仅为1万次以上[8]17。因此，感应加热国际标准的颁布不仅可以倒逼生产企业进行技术升级，还可为相关基础理论的研究与新设备的推广奠定坚实的基础。本文首先简述了感应透热国际标准所涵盖的内容；再结合国内感应透热技术的发展现状，分析了国际标准的颁布对产业的影响；最后以现存的国内、外技术差距为依据，讨论了国际标准对推动我国感应透热产业发展的意义。

1 感应透热标准简介

针对感应透热装置加热方式多，规格、结构复杂,性能试验与能效测量难度高，且国内外尚未出台有关感应透热装置测量方法标准的现状，由西安电炉研究所有限公司、国家电炉质量监督检验中心等6家国内校、企共同合作，针对感应透热装置的主要性能参数和运行特性，规范了相关设备的试验程序、条件与方法，并采用国标在先、同步推进、互相促进的方式，拟定了《电热和电磁处理装置——感应透热装置的试验方法》的国家标准与国际标准(IEC 63078)，其中国际标准已于2019年11月22日正式发布。上述标准[9]适用于工作频率为低频、工频、中频(高至100 kHz)的连续式、间歇式和分级式的感应透热装置，针对装置性能与被透热坯料质量，提出了包括装置主电路功率、功率因数、保温功率、坯料温度均匀度、生产率、单位电耗和加热效率等10项装置性能的测定方法，其中单位电耗与加热效率能全面反映装置的能效水平，是判断装置技术水平的重要指标。同时，为解决集肤效应与坯料表面降温现象对胚料温度均匀度测量的影响，标准创造性地提出表面测量法、热电偶埋入测量法和数值模拟法三种胚料温度测定方法，以保证测量数据的便利性与可靠性。

2 标准出台的意义与影响

我国的各类感应透热装置生产企业多达五百余家，相关产品涉及多个国民经济关键领域，但由于设备检测程序、方法及评价指标的缺失，导致各企业的产品质量、技术水平难以公平比较，最终导致市场的无序竞争，并严重阻碍了感应透热技术在我国的发展。沈庆通教授多次发文提出[7]6[8]14：尽早发布并积极落实感应透热标准对规范感应透热行业的发展具有重要意义。

综上所述，《电热和电磁处理装置——感应透热装置的试验方法》标准的发布意义在于：①健全感应透热行业的优胜略汰机制，促使产品质量与技术水平的提高；②为后续热成形(如锻造、挤压和轧制等)、热处理工艺的设计提供依据，助推企业自动化生产率的提高；③为超导直流感应透热装置、连铸坯热装热送等新技术[10]的研发与推广奠定基础，降低创新技术推广的难度。

2.1 提高产品性能

感应透热装置一般由交流电源，交流感应铜线圈、相配套的水冷、电气控制系统组成[10]。我国虽已成为全球感应透热产品的重要制造基地，但由于研发投入、技术水平积累、产品标准缺失等因素的限制，相关设备在工作性能、优化设计与技术创新方面明显不足，且与国外先进水平差距明显。

我国现有的大中型交流感应加热装置的有效电热转换效率在加热钢、铁等铁磁性材料方面为50%～60%，而在铜、铝等非铁磁性材料方面仅为35% ～45%[11]。上述现象的产生，一方面是由于我国在感应透热领域起步较晚，现有的产品仍以仿制为主，相关技术远远落后于国外先进水平[12]，如我国生产的轧辊双频工频感应器的使用寿命仅约为100次[8]14；另一方面，标准的缺失严重阻碍了行业的良性发展，由于市场缺乏认可度高、科学公正的产品质量、能效水平检验方法，导致价格成为决定产品竞争力的主要指标。这种市场氛围迫使企业将注意力聚焦于降低成本，却忽略产品质量与技术水平的提高，最终导致国内核心技术落后，设备耐用性差，无故障使用期仅略长于保修期的现状。与之相比，国外先进企业在产品生产过程中拥有完备的技术标准，在电气设计、机械设计、设备冷却等方面具有严格、精细的测量方法与质量要求[13]。因此，感应透热标准的发布有利于规范市场秩序，引导高技术、高质量产品获得市场竞争优势，并敦促企业加大技术研发与产品质量方面的投入。表1描述了符合国际标准的感应透热装置检测数据。如表1所示，采用标准的检测方法可全面反映感应透热设备的性能指标。

表1 符合国际标准的感应透热装置检测数据

2.2 助推产业的“数字化”“绿色化”“智能化”升级

随着“碳达峰，碳中和”成为我国未来发展的基本国策，政府部门先后发布了一系列引导工业企业清洁、高效发展的政策，如《工业互联网创新发展行动计划(2021—2023年)》[14]《关于推动工业互联网加快发展的通知》等[15]，以助推工业企业的“数字化”“绿色化”“智能化”转型，并提高劳资源利用率，减少能源消耗，降低污染物排放。感应加热技术具有产品质量好[16]、操控性强[17]、加热速度快、效率高、无污染[3]3且易与自动化生产线相衔接[18]等优点，且与现阶段国民经济发展方向相契合，因而为感应透热产业的发展提供了难得的机遇。

注：数据来源于国家电炉质量监督检验中心。

随着感应透热国际标准的贯彻实施，相关设备技术水平的提高必然会扩大感应透热技术在更多产业内的应用，并促进相关产业的发展。在钢铁行业，感应加热技术可对工件局部区域进行温度的精准控制与高度自动化的加工处理[19]。如图1所示[20]：在齿轮加工方面，感应透热设备可通过调整导磁体形状、线圈几何结构、加热设备频率等手段，在齿轮不同位置实现不同的加工工艺，以达到齿轮性能的最优。

2.3 推动技术进步

感应透热标准的实施可促进新研究手段的融入，助推技术的高速发展。近些年，随着计算机与数值模拟技术的发展，计算机模拟仿真技术开始逐步应用于感应透热设备的研发与设计。计算机模拟仿真技术仅需通过构建合理的计算模型，设置恰当的算法与边界条件就可依靠计算机的迭代运算得到工件内温度、磁通量等数据的分布，并以此为基础对设备的结构与运行参数进行优化。图2描述了磁通方向变化对板坯温度场的影响[20-21]，该温度场由数值模拟方法得到，可定量分析磁通方向对板坯感应透热热处理后的效果，并以计算结果为依据对相关加工工艺进行有针对性的优化。

图2 数值仿真技术计算磁通方向对板坯温度场的影响

数值模拟仿真技术的应用可改变传统设计方法对于人员经验、相关设计规范以及现场试验的依赖，大幅减少人员、资金与时间的投入，提高设计的质量。但数值模拟仿真技术的准确性非常依赖完善的计算模型构建与边界条件设定。感应透热国际标准的发布，规范了相关设备的性能的评价标准，提高了设备各部件的标准化程度，消除了部分影响计算模型质量与边界条件合理性的因素。同时，标准还提出了评定坯料温度均匀度的数值模拟方法，引导更多技术人员进行数值模拟方法的学习与应用；因此，在感应透热领域，国际标准的提出提高了数值模拟方法计算结果的准确性，降低了该技术的使用门槛，为数值模拟技术的推广与普及奠定了基础。

2.4 工艺结构的改善

感应透热技术以其非接触、高效率、升温快、高可控性、无污染等优点非常适合应用于自动化生产系统[3]。同时，我国“碳达峰”“碳中和”政策目标的颁布与实施，也对工业企业生产效率与能源利用率提出了更高要求，并迫使工业企业进行工艺的提升与新技术的引进，其中感应透热技术的应用是相关企业发展的重点方向之一。

我国钢铁行业的连铸比接近100%，连铸与任意轧钢工艺间的衔接都需对连铸坯进行补热，感应透热工艺以其技术优势，非常适合取代传统的加热方式并与连铸技术融合：如依托感应透热技术研发的热装热送技术，将其与连铸直轧技术相结合能明显降低连铸坯在加工过程中的能源消耗、减少氧化皮损耗，缩短生产周期，并有助于提升产品质量[23-24]，该技术在国外钢铁企业已得到广泛应用[4]3。在中间包加热技术方面，感应透热技术可实现中间包内钢水的非接触加热，以保证后续加工工艺的连续性，并通过包内钢水的热对流运动，促进杂质上浮并提高钢水的纯净度[5]63。此外，在传统加工工艺方面，感应透热技术也在逐步取代以火焰为热源的传统加工工艺，以此提高产品质量、减少环境污染[25]。随着感应透热国际标准的发布，感应透热技术的优势将更加明显，并通过与其他加工工艺的积极融合，可使其在更多应用场景发挥更大的作用。

3 现存挑战与未来发展

随着计算机与5G通信技术的快速发展，我国的工业企业正逐步由机械化制造时代迈入智能制造时代，并通过与互联网技术、人工智能技术的积极融合，实现生产工艺的数字化、自动化，以此提高企业的生产效率与资源利用率。此外，国家在节能环保方面政策的陆续出台及社会公众环保意识的提高正迫使工业企业必须采用高效、环保、易控制且适宜自动化生产的技术与设备。在上述行业发展背景下，感应透热技术以其自身的技术优势将在更多领域得到更多的应用，相关技术的研发、普及也将迅速进行。

3.1 存在的问题

我国的感应透热技术虽已迈入了自主创新阶段，但在众多因素的影响下，相关设备的综合性能仍与国外先进水平存在较大差距：

(1)部分技术领域的研发水平仍落后，如感应加热电源是感应加热设备的关键组成设备之一，其主要由半导体功率器件组成，但由于我国在半导体领域的研究起步较晚，半导体技术的落后严重制约了感应加热电源设备的性能；

(2)技术标准的缺失，导致市场上感应加热设备的性能与质量良莠不齐[13]，企业依靠产品性能优势难以在市场上获得相匹配的竞争优势，因而大幅降低了企业在技术研发方面的积极性，甚至导致劣币驱逐良币，影响了行业的良性、健康发展。

(3)计算机模拟仿真技术在传统制造业的普及应用，有助于制造技术水平的提升，并减少研发活动在经济、人力、时间等方面的投入。在感应透热领域，计算机仿真技术可在设备结构设计、工艺参数优化、热加工工艺辅助设计等方面发挥重要作用[26]。但受制于专业技术人才的缺乏、国产软件的缺失以及企业接纳意愿不强等因素，计算机模拟仿真技术仍未在行业内得到大规模的普及应用，并限制了感应透热技术在我国的发展速度。

3.2 未来的发展方向

随着我国经济与技术的快速发展，国内制造业正逐步向自动化、高端化发展，并通过与互联网技术相融合，结合国家“碳达峰，碳中和”的发展战略，实现制造业的数字化转型升级，促成高端、绿色、高效制造业体系的建立。感应透热技术以其非接触、高效、易控制、无污染等特点，契合现阶段我国制造业的发展方向，具有广阔的发展潜力与应用前景。感应加热国际标准的颁布一方面可规范产品评价标准，提高产品的标准化程度，减小新技术推广的阻力；另一方面，有利于净化市场环境，促使良性市场竞争关系的形成，增大新技术产品的市场优势，提高新技术研发的积极性。

3.2.1 新技术的研发

现阶段我国大中型感应加热设备的有效电热转换率普遍低于60%，其中感应加热线圈自身的焦耳热损失是最大的影响因素：对于线圈匝数较多的感应熔炼炉，线圈自身的热损失占其额定功率的20%以上；而对于焊管之类的线圈匝数较少的感应加热设备，线圈的热损失占其额定功率的比例会更高。此外，由于线圈电阻率与温度呈正相关关系，线圈热损失会导致有效电热转换率的进一步降低，因此感应加热设备需为线圈配建相应的冷却系统，导致设备复杂性的增加。超导材料的低电阻率特性可有效抑制线圈的热损失，将其与感应加热技术相融合，可大幅提高感应加热设备的有效电热效率至80%～85%[27]。葛华山[28]将超导技术应用于感应加热线圈，研发出超导直流感应加热技术。该技术使设备的有效电热转换率大幅升至90%以上，并具有质量高、性能稳定、系统简单、维护方便等优点。图3描述了我国研发的兆瓦级国产高温超导感应加热设备的实物图。

图3 兆瓦级国产高温超导感应加热设备

在感应加热设备中，导磁体与线圈的配合使用可以有效提高线圈的效率与功率因数，并可精确控制磁场形态，防止磁力线的逸散，控制热量在工件表面的分布，最终实现设备能耗的降低与加工质量的提升[29]。随着锰锌铁氧等软磁复合材料这类可加工型导磁体材料的迅猛发展，导磁体的频率适应性、磁导率、磁通密度、力学等性能逐渐提升，且可通过对导磁体形状的特殊设计，进一步提高设备的加工精度与加工工艺的复杂性，充分利用工件的性能潜力。

而在感应加热电源方面，标准的实施与相关技术的发展也对电源的性能提出了更高要求，并驱动电源技术逐渐向高频率、大容量、智能控制、高功率因数与低谐波感应等方面快速发展：一方面随着IGCT技术的发展，高频电源技术将逐渐发展完善；另一方面PWM控制技术与软开关技术的更新，将使感应加热电源逐步向小型化、轻量化方向发展，并明显提升电源性能；此外，在电子元器件方面，碳化硅等新材料的逐步应用也将推动感应电源技术的快速发展[30]。

3.2.2 应用范围增大

随着感应加热技术的发展，相关设备性能的提升使其应用范围不断增大：在传统应用领域，技术的更新增强了相关设备的适用性，如方坯感应加热炉的研制成功解决了传统感应加热设备仅适用于圆形截面工件的弊端；而在非传统领域方面，感应加热技术的非接触、高精度加热能力使其应用领域不断扩大，如医学无创治疗领域中的磁感应热疗技术，半导体领域中的微电机系统的封装技术及道路工程领域中的沥青道路自动修复技术等[31]。感应加热技术应用范围的增大，一方面形成了更多的研发需求，推动了技术的进步；另一方面，为保证相关产业的良性健康发展，标准的作用显得愈发重要。

4 结 论

针对我国感应加热技术的发展现状，结合国际标准的具体内容，分析了标准实施对设备性能提升、市场秩序规范及技术研发推动的巨大影响与作用，揭示了标准对推动感应透热技术快速发展，促进我国制造业转型升级的重要意义，具体研究结果如下：

(1)国际标准解决了感应加热设备各类性能指标准确、定量测量的问题，标准内的性能指标能全面反映感应加热设备的技术水平，有利于推动公平、有序市场的建立。

(2)国际标准的颁布有利于推动感应加热技术的快速发展，并通过能耗的降低、工艺的优化、自动控制系统的普及与计算机辅助技术的应用，助推相关制造业在“绿色”“高效”“智能控制”方面的转型升级，并实现与互联网技术的融合共进。

(3)标准的缺失是制约我国感应透热行业健康发展的重要因素，也是导致我国现有技术仍落后于国外先进水平的重要原因。国际标准的实施有利于促进相关技术的快速发展与应用领域的扩展，加速感应加热技术与其他新技术的融合。