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摘要：
扼要介绍了一种新型铝型材挤压模具箱式加热炉.在相同试验条件下，与传统电阻式铝型材模具加热炉进行性能试验比较，分别记录两种加热炉在升温与保温过程中温控曲线的变化，及所需的能耗和两种模具炉在保温过程中的热量散失情况.研究结果表明：模具箱式加热炉相比传统模具加热炉，加热效率提高约50%，耗电量降低约57%.模具箱式加热炉具有传热效率高、隔热性能强、加热均匀性好、安全系数高、模具使用寿命延长以及模具损坏率降低等优点，在铝型材加工行业具有较好的应用及推广价值.
关键词：
铝型材； 挤压模具； 箱式加热炉； 变频加热； 性能试验
中图分类号： TG 156-文献标志码： A
Performance Testing and Application of Box-type Heating Furnace for Extrusion Die
GAO Xiang， LUO Yiming， CHEN Yiwei
（Foshan Jian Mei Aluminum Profile Factory Co. ， Ltd. ， Foshan 528231， China）
Abstract：
A new box-type heating furnace for extrusion die of aluminum profile was briefly introduced in the paper.It was compared with traditional resistance wire heating furnace on energy saving test and application under the same testing condition.The curve graph of temperature changing and the energy consumption during the heating and heating preservation were recorded，so with the heat loss during the heating preservation.The result shows that the heating efficiency of box-type heating furnace is improved about 50%，while the power consumption is reduced by 57% compared with the traditional mold heating furnace.Meanwhile，the box-type heating furnace has a series of advantage，such as high heat transfer efficiency，good thermal insulation properties，good heating uniformity，high safety factory，longer service life of die and lower mold damage rate.The box-type heating furnace has a good application in the aluminum processing industry.
Keywords：
aluminum profile； extrusion die； box-type heating furnace； frequency conversion heating； energy saving test
在鋁型材挤压生产过程中，模具的温度对挤压型材的质量起着重要的影响.目前，市场中使用的模具加热炉绝大部分为电阻式与红外线式.其中前者是以电阻式发热体作为发热元件，通过循环风机使热空气在炉膛内进行循环，从而达到加热的目的；而后者则是在前者的基础上增加了涂有红外线反射涂料的热反射板，将热能向炉膛内辐射产生热量.事实证明，这两种加热炉所采用的电阻式发热体电能转化效率较低，耗能大，且容易损坏，发热体安装在炉膛内还存在漏电危险.而红外线反射涂料实际节能率低，涂料会在短时间内失效，失去节能的意义，并且在高温下容易脱落，需不断涂刷，维修困难.对此，本文介绍一种新型模具箱式变频加热炉，此种模具加热炉相比传统的模具加热炉具有高效、节能以及提高模具使用寿命等优点.
1 变频加热原理
变频电磁加热器是一种利用电磁感应原理将电能转换为热能的装置[1].变频加热的原理是利用变频电磁加热器作为发热元件，通过将220 V或380 V，50 Hz的交流电转换成频率为20～40 kHz的高频高压电.高速变化的高频高压电流，通过线圈会产生高速变化的交变磁场.当磁场内的磁力线通
过导磁性金属材料时，会在金属导体内产生无数的小涡流，使金属材料自行快速发热，从而达到加热工件的目的.同时，配套高效能的保温装置，最大程度地减少热损耗，达到大幅节电的效果.
在对模具进行加热时，其电热功率基本公式为：
（Pe/K）2=QLf（NI）4
（1）
（QLf）=Rs
（2）
（NI）4=I4s
（3）
（Pe/K）2=RsI4s
（4）
式（1）～式（4）中：Pe为模具产生的电功率；Q为模具的电阻率；L为模具的导磁率；f为交变磁场的频率；N为线圈的匝数；Rs为模具的表皮电阻；Is为模具产生的感应电流；K为常数[2].
使用这种发热方式，能量转换效率高达90%～95%. 2 模具箱式加热炉性能试验
2.1 试验条件准备
2.1.1 试验用模具炉
A炉为模具电阻丝加热炉，如图1所示.B炉为模具箱式加热炉，如图2所示.A炉和B炉的具体技术参数对比见表1.
2.1.2 试验材料
4件规格相同的钢质模具，尺寸为448 mm×220 mm.
2.1.3 试验仪器
测温仪器、测温热电偶、三相四线机电式有功电能表等[3].所用测试仪器设备均经国家法定计量部门检定并在有效期内.
2.2 试验依据
（1） GB/T 10066.1—2004《电热设备试验方法 通用部分》.
（2） GB/T 10067.1—2005《电热设备基本技术条件 通用部分》.
（3） GB/T 15318—2010《工业热处理电炉节能
监测方法》.
2.3 试验过程
试验在A、B炉能够正常运行的情况下进行测试，测试过程如下：
（1） 为提高试验的准确性，分别对A、B炉进行空炉升温至250 ℃，并保温1.5 h，记录两炉的电表底数.
（2） 在A炉和B炉加热室中分别放入1件相同质量的448 mm×220 mm钢质模具进行升温加热，用时3 h，记录升温过程及耗电情况.
（3） 分别对A炉和B炉进行保温试验，保温2.5 h，验证A、B炉保温阶段的热量散失情况，并记录温度变化及耗电情况.
为了便于对以上试验进行记录，在A、B炉的配电线路的进线端，安装三相四线机电式有功电能表，分别对A、B炉进行数值测定和数据采集.其接线图如图3所示.
3 试验结果与分析
3.1 试验结果
对A、B两种模具加热炉进行性能测试试验，对
试验所得数据进行统计，其结果见表2～表4，图4～图5.
3.2 结果分析
通过对A、B炉的性能测试，从表2及图4的数据对比分析中发现：在升温阶段测试中，B炉升温到指定温度的用时比A炉缩短约50%，并且在相同时间内B炉的电耗比A炉节约50%.
从表3、表4和图5的结果可见，A炉在保温阶段，炉气温度测试值比设定值高20 ℃，而B炉仅高7 ℃，温度波动较小.通过计算可知，B炉电耗仅为A炉的21%.综合耗电量节约57%.
综上所述，与A炉相比，B炉加热、保温及节能效果提升明顯，显著提高生产效率的同时，还大幅降低了生产成本.
3.3 模具箱式加热炉的优点
3.3.1 性能优异
通过A、B两炉技术参数的对比及上述试验分析结果可知，B炉升温效率相比A炉提升50%，显著地提高了生产效率.B与A炉的区别在于所用加热方式为变频加热.即变频加热器对金属的炉体壁加热，炉体在交变电流的作用下自行快速发热，电能转换效率高，理论值可达到90%以上；而A炉使用电阻发热丝、发热棒作为发热元件，电能转换率仅为35% ～50%.并且B炉整个炉膛内壁即是发热的热源，整个炉膛内壁的面积又是热扩散辐射的面积，通过炉膛内装设的空气循环风机，使得整个炉膛内的温度更加均匀，模具加热效率更高.此外B炉加热体外部采用高密度、高分子纤维材料作为保温措施，有效降低了热量的流失.因此，B炉与A炉相比，在加热速度、保温性能及节能效果方面均具有显著的优势.
3.3.2 安全系数高
由于A炉采用的发热元件为电阻发热丝和发热棒，其安装位置在加热炉的炉膛内，因此在模具加热操作过程中存在漏电的危险.而B炉的加热器缠绕在加热体保温层外，加热器与加热体中间有保温层隔开，加热体与加热变频器没有电气上的连接.因此不存在漏电危险，提高了安全系数.
3.3.3 提高模具使用寿命
挤压模具由于长期处于高温、高压、高摩擦与反复循环应力的作用下，工作条件十分恶劣.根据某公司生产数据显示，一般挤压机的模具损坏率平均为每季度24个，而模具箱式加热炉每季度只有5个.使用传统的模具加热炉时，出现的加热不均匀情况会导致模具的温度波动大，促使模具中产生较大的热应力，使其工作条件更为恶劣.当更换新模具试挤第1支铝棒时，由于模具温度的不均匀性产生极不稳定的挤压压力，导致模具极易产生微裂纹或热疲劳裂纹.而使用模具箱式加热炉对模具进行加热时，模具能够均匀受热，可以加快平衡挤压时的流速差，从而提高模具的使用寿命[4].
4 结 论
综上性能试验及相关技术分析，B炉相比A炉，加热效率提升约50%，耗电量节约57%.同时，B炉具有传热效率高、加热均匀、安全系数高、模具使用寿命延长以及模具损坏减少等一系列优点，在铝型材加工行业具有较好的应用推广价值.
参考文献：
[1] 刘进亮.变频技术在感应加热上的应用[J].一重技术，2010（5）：34-37.
[2] 程嗣，胡保祥.电磁感应[M].武汉：湖北教育出版社，2004.
[3] 秦永烈.表面温度测量[M].北京：中国计量出版社，1989.
[4] 吴锡坤.铝型材加工实用技术手册[M].长沙：中南大学出版社，2006.
扼要介绍了一种新型铝型材挤压模具箱式加热炉.在相同试验条件下，与传统电阻式铝型材模具加热炉进行性能试验比较，分别记录两种加热炉在升温与保温过程中温控曲线的变化，及所需的能耗和两种模具炉在保温过程中的热量散失情况.研究结果表明：模具箱式加热炉相比传统模具加热炉，加热效率提高约50%，耗电量降低约57%.模具箱式加热炉具有传热效率高、隔热性能强、加热均匀性好、安全系数高、模具使用寿命延长以及模具损坏率降低等优点，在铝型材加工行业具有较好的应用及推广价值.
关键词：
铝型材； 挤压模具； 箱式加热炉； 变频加热； 性能试验
中图分类号： TG 156-文献标志码： A
Performance Testing and Application of Box-type Heating Furnace for Extrusion Die
GAO Xiang， LUO Yiming， CHEN Yiwei
（Foshan Jian Mei Aluminum Profile Factory Co. ， Ltd. ， Foshan 528231， China）
Abstract：
A new box-type heating furnace for extrusion die of aluminum profile was briefly introduced in the paper.It was compared with traditional resistance wire heating furnace on energy saving test and application under the same testing condition.The curve graph of temperature changing and the energy consumption during the heating and heating preservation were recorded，so with the heat loss during the heating preservation.The result shows that the heating efficiency of box-type heating furnace is improved about 50%，while the power consumption is reduced by 57% compared with the traditional mold heating furnace.Meanwhile，the box-type heating furnace has a series of advantage，such as high heat transfer efficiency，good thermal insulation properties，good heating uniformity，high safety factory，longer service life of die and lower mold damage rate.The box-type heating furnace has a good application in the aluminum processing industry.
Keywords：
aluminum profile； extrusion die； box-type heating furnace； frequency conversion heating； energy saving test
在鋁型材挤压生产过程中，模具的温度对挤压型材的质量起着重要的影响.目前，市场中使用的模具加热炉绝大部分为电阻式与红外线式.其中前者是以电阻式发热体作为发热元件，通过循环风机使热空气在炉膛内进行循环，从而达到加热的目的；而后者则是在前者的基础上增加了涂有红外线反射涂料的热反射板，将热能向炉膛内辐射产生热量.事实证明，这两种加热炉所采用的电阻式发热体电能转化效率较低，耗能大，且容易损坏，发热体安装在炉膛内还存在漏电危险.而红外线反射涂料实际节能率低，涂料会在短时间内失效，失去节能的意义，并且在高温下容易脱落，需不断涂刷，维修困难.对此，本文介绍一种新型模具箱式变频加热炉，此种模具加热炉相比传统的模具加热炉具有高效、节能以及提高模具使用寿命等优点.
1 变频加热原理
变频电磁加热器是一种利用电磁感应原理将电能转换为热能的装置[1].变频加热的原理是利用变频电磁加热器作为发热元件，通过将220 V或380 V，50 Hz的交流电转换成频率为20～40 kHz的高频高压电.高速变化的高频高压电流，通过线圈会产生高速变化的交变磁场.当磁场内的磁力线通
过导磁性金属材料时，会在金属导体内产生无数的小涡流，使金属材料自行快速发热，从而达到加热工件的目的.同时，配套高效能的保温装置，最大程度地减少热损耗，达到大幅节电的效果.
在对模具进行加热时，其电热功率基本公式为：
（Pe/K）2=QLf（NI）4
（1）
（QLf）=Rs
（2）
（NI）4=I4s
（3）
（Pe/K）2=RsI4s
（4）
式（1）～式（4）中：Pe为模具产生的电功率；Q为模具的电阻率；L为模具的导磁率；f为交变磁场的频率；N为线圈的匝数；Rs为模具的表皮电阻；Is为模具产生的感应电流；K为常数[2].
使用这种发热方式，能量转换效率高达90%～95%. 2 模具箱式加热炉性能试验
2.1 试验条件准备
2.1.1 试验用模具炉
A炉为模具电阻丝加热炉，如图1所示.B炉为模具箱式加热炉，如图2所示.A炉和B炉的具体技术参数对比见表1.
2.1.2 试验材料
4件规格相同的钢质模具，尺寸为448 mm×220 mm.
2.1.3 试验仪器
测温仪器、测温热电偶、三相四线机电式有功电能表等[3].所用测试仪器设备均经国家法定计量部门检定并在有效期内.
2.2 试验依据
（1） GB/T 10066.1—2004《电热设备试验方法 通用部分》.
（2） GB/T 10067.1—2005《电热设备基本技术条件 通用部分》.
（3） GB/T 15318—2010《工业热处理电炉节能
监测方法》.
2.3 试验过程
试验在A、B炉能够正常运行的情况下进行测试，测试过程如下：
（1） 为提高试验的准确性，分别对A、B炉进行空炉升温至250 ℃，并保温1.5 h，记录两炉的电表底数.
（2） 在A炉和B炉加热室中分别放入1件相同质量的448 mm×220 mm钢质模具进行升温加热，用时3 h，记录升温过程及耗电情况.
（3） 分别对A炉和B炉进行保温试验，保温2.5 h，验证A、B炉保温阶段的热量散失情况，并记录温度变化及耗电情况.
为了便于对以上试验进行记录，在A、B炉的配电线路的进线端，安装三相四线机电式有功电能表，分别对A、B炉进行数值测定和数据采集.其接线图如图3所示.
3 试验结果与分析
3.1 试验结果
对A、B两种模具加热炉进行性能测试试验，对
试验所得数据进行统计，其结果见表2～表4，图4～图5.
3.2 结果分析
通过对A、B炉的性能测试，从表2及图4的数据对比分析中发现：在升温阶段测试中，B炉升温到指定温度的用时比A炉缩短约50%，并且在相同时间内B炉的电耗比A炉节约50%.
从表3、表4和图5的结果可见，A炉在保温阶段，炉气温度测试值比设定值高20 ℃，而B炉仅高7 ℃，温度波动较小.通过计算可知，B炉电耗仅为A炉的21%.综合耗电量节约57%.
综上所述，与A炉相比，B炉加热、保温及节能效果提升明顯，显著提高生产效率的同时，还大幅降低了生产成本.
3.3 模具箱式加热炉的优点
3.3.1 性能优异
通过A、B两炉技术参数的对比及上述试验分析结果可知，B炉升温效率相比A炉提升50%，显著地提高了生产效率.B与A炉的区别在于所用加热方式为变频加热.即变频加热器对金属的炉体壁加热，炉体在交变电流的作用下自行快速发热，电能转换效率高，理论值可达到90%以上；而A炉使用电阻发热丝、发热棒作为发热元件，电能转换率仅为35% ～50%.并且B炉整个炉膛内壁即是发热的热源，整个炉膛内壁的面积又是热扩散辐射的面积，通过炉膛内装设的空气循环风机，使得整个炉膛内的温度更加均匀，模具加热效率更高.此外B炉加热体外部采用高密度、高分子纤维材料作为保温措施，有效降低了热量的流失.因此，B炉与A炉相比，在加热速度、保温性能及节能效果方面均具有显著的优势.
3.3.2 安全系数高
由于A炉采用的发热元件为电阻发热丝和发热棒，其安装位置在加热炉的炉膛内，因此在模具加热操作过程中存在漏电的危险.而B炉的加热器缠绕在加热体保温层外，加热器与加热体中间有保温层隔开，加热体与加热变频器没有电气上的连接.因此不存在漏电危险，提高了安全系数.
3.3.3 提高模具使用寿命
挤压模具由于长期处于高温、高压、高摩擦与反复循环应力的作用下，工作条件十分恶劣.根据某公司生产数据显示，一般挤压机的模具损坏率平均为每季度24个，而模具箱式加热炉每季度只有5个.使用传统的模具加热炉时，出现的加热不均匀情况会导致模具的温度波动大，促使模具中产生较大的热应力，使其工作条件更为恶劣.当更换新模具试挤第1支铝棒时，由于模具温度的不均匀性产生极不稳定的挤压压力，导致模具极易产生微裂纹或热疲劳裂纹.而使用模具箱式加热炉对模具进行加热时，模具能够均匀受热，可以加快平衡挤压时的流速差，从而提高模具的使用寿命[4].
4 结 论
综上性能试验及相关技术分析，B炉相比A炉，加热效率提升约50%，耗电量节约57%.同时，B炉具有传热效率高、加热均匀、安全系数高、模具使用寿命延长以及模具损坏减少等一系列优点，在铝型材加工行业具有较好的应用推广价值.
参考文献：
[1] 刘进亮.变频技术在感应加热上的应用[J].一重技术，2010（5）：34-37.
[2] 程嗣，胡保祥.电磁感应[M].武汉：湖北教育出版社，2004.
[3] 秦永烈.表面温度测量[M].北京：中国计量出版社，1989.
[4] 吴锡坤.铝型材加工实用技术手册[M].长沙：中南大学出版社，2006.