徐言東1，白金龍1，王曉晨1，張國良2，朱長江2，劉洋1
內容導讀：本文重點分析了感應加熱技術在提升熱軋帶鋼質量與成材率中的核心作用。邊部加熱技術通過精準補償邊部溫降，可顯著改善帶鋼溫度均勻性，細化邊部晶粒，降低邊裂缺陷率，從而提升成材率。本文系統闡述了邊部加熱器的系統組成、應用效果分析、仿真研究及配套系統，特別是磁-熱-結構全耦合模型等仿真技術的應用，可有效縮短工藝設計周期并降低設備調試能耗。此外，控制參數的智能化升級，結合數字孿生與強化學習算法，重塑工藝調控范式。最后，本文展望了邊部加熱技術的未來發展趨勢，包括多物理耦合場求解、控制參數優化、設備選型邏輯等方向。
我國熱軋板帶鋼產品年產量已超 3 億 t，支撐國民經濟各個領域的發展，具有重要戰略地位。熱軋過程中的溫度控制是成品帶鋼性能的關鍵工藝要素之一，優化其寬度方向的溫度分布不僅能夠防止板坯邊部因溫度過低而導致塑性下降及引發的邊部裂紋，改善板坯邊部的機械性能，而且可以防止板坯橫斷面上晶粒組織不均勻，進而減少后道工序的切邊量、提高成材率，并抑制軋輥的不均勻磨損[1−2]。
感應加熱技術通過線圈產生的交變磁場，在軋制材料上誘導產生焦耳熱，以補償軋件邊緣的溫度下降，從而有效改善因邊緣快速降溫導致的寬度方向 上溫度分布不均的問題[3−4]。
在當前階段，感應加熱技術具有以下優點：
（1）對于實際坯料加熱，感應爐的熱效率可達到65%~75%，而火焰爐和各種室式爐的熱效率只有30% 左右，因此能耗更低；（2）感應爐無需煤爐、燃氣爐等需要的預熱過程，可長時間連續工作，也可根據需要在生產過程中靈活啟停，使用便利、操作簡單，自動化與智能化前景良好；（3）采用非整體式加熱模式，支持針對性區域加熱，應用靈活性顯著。該技術適用范圍廣，不僅涵蓋傳統鋼鐵材料（如鐵、鎢、鉬等）加工，也可擴展至高化學活性的鋁、鈦、鋯、鈮等金屬的熱處理領域。憑借高效的升溫速率，該工藝能在短時間內使工件達到目標溫度，從而大幅減少表面氧化和脫碳等工藝缺陷的發生。這種特性使其在金屬加工領域具有顯著的技術優勢和行業推廣價值；感應加熱設備綜合以上優點，可在不大幅改動產線的情況下采用產線集成式部署方案，支持自動化協同運作，通過生產管控效率的顯著提升，有效降低人工干預需求。此外，其能源轉換效率高，符合綠色制造標準，在實現產能利用率最大化的同時，顯著改善作業環境環境[5]。
在當今時代，隨著新能源汽車等戰略性新興產業的快速發展，市場對高牌號無取向硅鋼等高端產品的需求日趨旺盛。該類鋼種具有硬且脆的特性，其薄規格產品在軋制過程中更容易出現邊部溫降，從而引發邊裂問題，亟須通過產線升級以解決此類問題，對邊部加熱技術的產業化應用提出了新的要求。然而，早期國內的硅鋼熱軋產線（寶鋼、鞍鋼、首鋼、太鋼、武鋼等）均依賴從日本 TMEIC 公司等進口邊部加熱器，單臺價格達數千萬元。國產邊部加熱器研究剛剛起步，國內新增熱軋帶鋼產線的數量逐年增長，見圖 1，隨著行業對高端產品需求不斷提升，市場將持續擴大。
典型的帶鋼邊部加熱器根據加熱頭形式可分為U 形和 C 形，見圖 2。其中，U 形加熱器出現較早，但由于其加熱效率低、對板形適應力較弱，在20 世紀末逐漸被在大間隙時仍具有高的熱效率的C 形加熱器所取代。相比于 U 形加熱器，C 形加熱器的優勢在于能夠通過調節上下感應器的間隙使加熱能量集中，在提高加熱效率的同時，有效減小使用過程中產生的電弧，因此使用更為可靠[6]。
邊部加熱器系統主要由感應加熱器本體、電氣及控制系統、冷卻水系統和翹扣頭檢測裝置組成[7]，其典型結構見圖 3。其中，供電和傳動系統的高壓開關柜和整流變壓器負責向邊部加熱器提供電流，而該系統的低壓負荷中心則主要對搭載加熱器的小車進行驅動，并為加熱器間隙調整和冷卻水系統提供電源；自動控制系統主要包括基礎自動化系統和過程自動化系統；冷卻水系統由純水冷系統和凈環水冷系統組成，純水冷系統直接冷卻邊部加熱器及其配套裝置，凈環水冷系統則用于冷卻純水，以保證純水在安全的溫度范圍內；翹扣頭檢測裝置用于保證邊部加熱器的安全。
對于翹扣頭檢測裝置，常見的機械式翹扣頭檢測裝置如圖 4 所示，在邊部加熱器入口處設有雙高度檢測機構（即圖中 1 號、2 號翹頭檢測器），其觸桿末端集成了角位移監測模塊。當帶材頭部接觸檢測桿時，絕對值編碼器將機械位移轉化為電信號，控制系統據此執行加熱單元的啟停及開口度動態調節。光學檢測裝置則利用位于傳動側和操作側的2 臺紅外攝像機，在板坯抵達邊部加熱工位前的測量 點位測定其實際位置并產生一個模擬信號，該信號被轉換為板坯的上下邊緣與軋制線的距離[8]。
邊部加熱器的應用實效分析
在帶鋼邊部加熱技術方面，國內邊部加熱器生產廠家的應用業績較少，尚處于起步階段。當前，行業內生產硅鋼質量排名靠前的企業（如鞍鋼等）均使用日本 TMEIC 公司生產的邊部加熱器技術，但由于該設備在實際投用中應用效果差異很大，且成材率有波動，促使應用廠家與高校等研究機構開展合作，對其進行針對性的分析、研究與改進。
低碳軟鋼產品邊部加熱效果分析
白麗楊等[9] 通過開展低碳軟鋼邊部加熱器啟停狀態的對比實驗，系統探究了邊部加熱器介入對低碳軟鋼組織性能的影響機理。該研究通過工藝參數與材料性能的關聯分析，為邊部加熱技術的優化提供了實驗依據。
對兩個鋼種低碳軟鋼板帶進行取樣，分別命名為 A01 和 A02，取樣硬度測試結果見圖 5，曲線左側對應的是傳動側，右側對應的是操作側，D1~D13 為沿寬度方向進行取樣的不同取樣位置，其中 D1~D5 分別對應距離傳動側 10、20、30、40、50 mm 的取樣點，D6、D7、D8 為 1/4、1/2、3/4 板寬處，D9~D13 分別對應距離操作側 50、40、30、20、10 mm的取樣點。從結果來看，邊部加熱器的投用對硬度分布影響顯著。未投用邊部加熱器時，2 種鋼種的硬度曲線兩側呈下降趨勢；而投用邊部加熱器后，硬度曲線兩側則呈平穩趨勢。該對比直觀展示了邊部加熱技術對改善帶鋼整體硬度均勻性的顯著效果。
由圖 6 中鋼卷對比可見，帶鋼中部與邊部晶粒大小存在明顯差異。其中，1、2 號卷為 A01 鋼種，3、4 號卷為 A02 鋼種，其中 2、4 號卷投入邊部加熱器進行生產。未投入邊部加熱器生產的 1、3 號卷，邊部出現粗晶及混晶現象；而投入邊部加熱器生產的 2、4 號卷，其帶鋼中部與邊部的晶粒尺寸差異較小，邊部晶粒較 1、3 號卷顯著細化。在未啟用邊部加熱器的工況下，3 號卷邊部出現混晶現象，而 4 號卷的混晶現象則得到顯著改善。這表明邊部加熱器的啟用能夠有效細化邊部晶粒，抑制粗晶或混晶現象，促進晶粒尺寸的均勻化。
以上研究雖針對低碳軟鋼產品，但其結論對于邊部加熱器效果的分析仍具有推廣價值。
邊部加熱器的參數優化
已知邊部加熱器對帶鋼產品的質量有所提升，其參數優化自然成為研究重點。邊部加熱器的核心部件為感應加熱裝置，通過調整該裝置的工藝參數實現加熱工藝優化?？烧{的工藝參數主要包括功率設定值、邊部重疊量及開口度。其中，功率設定值是二級模型下發的參數，通過在操作畫面中輸入目標邊部溫升值，模型將自動計算并設定感應加熱器的功率；邊部重疊量和開口度的定義見圖 7，即軋制線至上線圈中心點的垂直距離定義為邊部重疊量，感應加熱器鐵芯的中心線與板坯邊部的距離為開口度[10]。
劉洋等[11] 針對翹頭檢測信號與感應加熱裝置的連鎖條件，結合實際生產邏輯對邊部重疊量、開口度與功率設定值進行優化。研究遵循保證邊部質量、控制邊部加熱溫度和加熱范圍的原則，通過多次單變量生產試驗進行探索，以獲取最優參數組合。通過對功率設定值、邊部重疊量及開口度的優化，在保證邊部質量的同時，有效降低了硅鋼的邊降（即帶鋼邊緣區域的厚度減薄現象），顯著提高了成材率，達到了節能降耗、降低成本的目的。
邊部加熱器參數調整前后對邊部加熱器投用產線后產品溫差的優化效果見圖 8?？梢姡瑤т擃^部的斷面溫差均值顯著降低；而帶鋼中部由于控制邏輯上無變化，其斷面溫差基本不變；同板溫差也出現相同幅度的顯著下降。因此，邊部加熱器的參數優化能夠顯著提升帶鋼全長方向的溫度均勻性。
經由以上例證可以看出，邊部加熱器的參數優化對于產品質量的提升具有較為顯著的效果。目前，該類參數優化研究一般采用現場實驗與仿真分析相結合的手段進行。
邊部加熱器關鍵技術研究
邊部加熱仿真研究
感應加熱技術研究往往依賴于一系列繁瑣的實驗，且成本較高。因此，仿真技術在該領域具有重要研究價值。當前，研究人員通過有限元方法在感應加熱領域開展了系統性研究，例如，張雪彪等[13]持續開展感應加熱技術在船舶曲面外板成型中的應用探索，基于 COMSOL 和 ANSYS 平臺構建了鋼板高頻感應加熱的多物理場耦合模型，重點模擬了電磁–熱–力學場的交互作用機制；張浩[14] 利用 ANSYS軟件，在考慮鋼板與邊部加熱器相對運動的條件下對 C 形邊部加熱器進行三維磁熱耦合數值模擬，并據此研究了不同參數對邊部加熱效果的影響。
溫度場作為連接電磁激勵與材料響應的中間變量，其精確建模直接影響仿真結果的工程可信度。在感應加熱過程中，材料電導率、磁導率等物性參數隨溫度呈現顯著的非線性變化。張浩[14] 針對 C 形邊部加熱器的研究表明，通過引入溫度相關的材料本構關系，可有效修正傳統模型在高溫區的預測偏差。此外，考慮工件與加熱器的相對運動后，動態熱源加載策略可有效降低溫度梯度分布的預測誤差。
電磁場分析的核心挑戰在于準確捕捉高頻交變磁場在導電材料中的趨膚效應。通過矢量磁位法與邊緣元法的結合，現代有限元模型可實現薄層內的電磁參數解析。在鋼板高頻感應加熱模擬中，此類精細化模型能夠清晰呈現集膚深度隨頻率的變化規律，為加熱器參數設計提供理論支撐。為平衡計算精度與效率，常需采用自適應時間步長算法。
電磁場與溫度場的強耦合特性決定了單場分析的局限性。當鋼板溫度超過居里點（約 768 ℃）時，其相對磁導率發生 3 個數量級的突變，這種物性躍遷將導致電磁功率密度驟降。若僅進行電磁場分析而忽略溫度反饋，將嚴重高估加熱效率；反之，若孤立分析溫度場，則無法解釋非對稱加熱模式下的熱源分布特征。
因此，在當前階段，邊部加熱仿真研究的關鍵在于：（1）物理模型的有效建立，其三維物理模型與網格劃分應有效反映真實邊部加熱設備與物料的結構與熱效應；（2）物性參數的設定，模型的材料屬性中有大量參數與溫度相關，在仿真過程中需重點考慮溫度對材料屬性的影響；（3）多物理場的耦合設定，鑒于電磁場與溫度場的強耦合特性，在仿真模型建立中必須考慮多物理場耦合分析。在滿足以上關鍵條件的前提下，仿真分析可作為邊部加熱參數優化的重要支撐，對降低參數優化分析的成本提供有力幫助。
邊部加熱器的配套系統研究
為了實現邊部加熱器與熱軋產線的有機結合與高效運行，針對其控制需求設計對應的配套控制系統勢在必行。張世厚[15] 提出了包含自動控制、人工介入調整與輥道絕緣檢查功能的控制系統，并進行了人機界面（HMI）初步設計，初步實現了邊部加熱器的實際投用范例；閆豐梅[16] 則進一步將輥道傳動控制根據邊部加熱需求進行調整，并通過集成傳感器實現了熱軋控制系統與邊部加熱控制系統的同步跟蹤，基于邊部加熱需求以控制軟件的改進，實現了粗軋減速邏輯控制和軋線保護功能，有效保障了邊部加熱器與熱軋產線的協同運行。邊部加熱器控制系統設計的關鍵在于滿足邊部加熱器與原本產線的協同性，并確保人工介入的可靠性需求。目前投用的控制系統設計已相對成熟，后續改進趨勢是與生產管理系統、數字孿生系統等系統協同的信息化、智能化方向發展。
邊部加熱與絕緣輥道設計之間存在精密的工程耦合關系。電磁感應邊部加熱器通過感應器在板坯邊緣產生交變磁場，從而激發渦流實現定向加熱。
該過程對輥道絕緣性能提出嚴苛要求，否則易引發電弧放電現象。在連續加熱過程中，輥道作為熱傳導介質對板坯溫度場產生雙重影響：一方面，輥道與板坯接觸面的熱傳導造成邊緣溫度梯度變化；另一方面，輥道材料的電磁參數在高頻感應加熱中對磁場分布有顯著影響。孫長飛等[17] 采用了中空輥結構的輥道系統，輥體內部設置冷卻通道，端部通過旋轉接頭、軟管及絕緣套管連接外部管路；在軸承座與輥道架的接合面以及輥道與電機聯軸器的連接部位，配置絕緣塊、絕緣套及絕緣墊圈，形成多級絕緣防護，有效抑制了電弧放電，滿足了邊部加熱設備的兼容性與耦合性要求。
邊部加熱器關鍵技術研究展望
帶鋼邊部–整體智能加熱仿真模型的多物理耦合場求解
盡管耦合分析技術已取得顯著進展，但多物理 場全耦合求解仍面臨計算資源消耗大、收斂性難以保證等挑戰。當前研究趨勢集中于：（1）開發快速求解算法；（2）構建材料物性參數的智能預測數據庫；（3）融合機器學習實現自適應網格劃分。隨著計算硬件與數值方法的協同進步，有限元分析將在感應加熱工藝的數字孿生體系中發揮更為核心的作用，推動該技術向更高效、更智能的方向演進。
控制參數優化研究
智能控制算法的應用可能重塑邊部加熱工藝調
控范式。基于數字孿生的控制系統將實現三大突破：（1）采用模型預測控制（MPC）算法，通過集成帶鋼厚度、速度、溫度 3 個維度的數據，提升邊部溫差控制精度；（2）開發自適應功率分配策略，通過實時監測集膚效應深度，動態調整 C 形邊部加熱器各相位的電流相位差，提高加熱均勻性；（3）引入深度強化學習框架，建立軋輥狀態–邊部溫降–加熱功率的多變量映射模型。
整體工藝設備選型邏輯
設備選型正從“經驗驅動”向“數據驅動”轉型。典型選型決策樹包含以下 4 大層級：（1）工藝需求層，根據鋼種特性確定頻率范圍；（2）設備性能層，通過電磁–熱–結構耦合仿真評估設備性能；（3）生產適配層，結合軋線速度規劃加熱器動態響應時間，并結合軋線環境進行配套設計；（4）全生命周期成本層，建立包含能效比、維護周期、備件國產化率等指標的多目標優化模型。
測控智能化改進
配套設備的檢測關鍵——翹扣頭檢測系統正從傳統機械檢測手段向光學檢測演進。通過工業相機結合結構光、形狀檢測模型等新技術，系統實現了非接觸、視覺化的智能檢測甚至翹曲曲線預測，從而從被動檢測轉向智能化預測，為工藝優化提供了數據基石[18−24]?？梢灶A見，加熱器本身結構與輔助設備可借助物聯網技術，結合多傳感器的跟蹤系統，實現邊部加熱系統乃至軋制全周期的智能化檢測與控制。信息層面的優化將為全線設備維護與整體工藝、質量優化提供支撐平臺[25−27]。
結束語
通過回顧帶鋼邊部加熱技術的發展歷程，揭示了感應加熱在提升熱軋帶鋼質量中的核心作用。邊部加熱技術通過精準補償邊部溫降，可有效提高成材率。多物理場耦合仿真技術的突破，特別是磁–熱–結構全耦合模型的應用，可有效縮短設計周期并降低設備調試能耗?？刂茀档闹悄芑墸Y合數字孿生與強化學習算法，正重塑工藝調控范式，實現從“事后調優”到“事前預測”的跨越；與此同時，多元化檢測設備的投入，也推動工藝調控從“人工程序化”向“無人智能化”轉變。展望未來，隨著數字孿生等工業前沿技術的融合，邊部加熱技術將持續發展，為高端制造提供更精準、更綠色、更智能的熱處理解決方案。
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