1955年,美國首先將感應加熱技術引入鋼擠壓坯料的加熱工藝中并獲得成功,接著浙江不銹鋼管(guan)廠家也于1957年開始采用感應加熱來實現鋼擠壓坯料的無氧化加熱工藝。此后,鋼擠壓坯料的感應加熱工藝得到快速推廣和迅速發展。至1964年,應用于鋼擠壓坯料加熱的感應加熱爐已經達到128臺。感應加熱爐的最大小時產量達到了28t/h,坯料的加熱時間為150s,均熱時間為30s,可加熱坯料直徑為220~345mm、長度為200~700mm,感應爐的功率為605kW,頻率為50Hz.近年來在應用低頻感應電爐來加熱擠壓坯料方面又取得了巨大進展。由于感應加熱時,熱量是在鋼坯內部一定的深度產生的,可以很快地改變加熱的條件,適應各種產品生產的需要,因此,對于經常變換產品規格的生產來說,感應加熱似乎是一種最好的方法。
各種金屬材料具有的比較高的電阻系數,決定了能夠應用低頻率感應加熱裝置時,經濟合理地加熱到擠壓溫度的坯料直徑的下限。然而實際生產表明,這種限制并不重要,因為當采用更大的擠壓機時,將會使用直徑更大的坯料。在用50r/s的電流加熱不銹鋼坯料時,線圈效率和電能消耗同鋼坯直徑的關系如圖8-3所示,可以看出,直徑大于150mm的坯料,采用低頻感應加熱是經濟的。
不(bu)過,根(gen)據生(sheng)產的需要還可以把(ba)低頻感應加(jia)(jia)熱進(jin)一步擴大應用到(dao)100mm直徑(jing)的坯料上。因為在(zai)許多情況下,所擁有的效益要比所增加(jia)(jia)的加(jia)(jia)熱費用大得多。實際(ji)生(sheng)產中有一系(xi)列的低頻感應加(jia)(jia)熱爐(lu)就是在(zai)這種條件下進(jin)行生(sheng)產的。
近年來,確(que)實有一些重要的(de)因(yin)素促進了感(gan)應加熱技術的(de)發展,這些因(yin)素是:
1. 感應(ying)加(jia)熱的(de)每一支坯(pi)(pi)料都能(neng)準(zhun)確地控制加(jia)熱溫度,所(suo)有的(de)坯(pi)(pi)料都能(neng)被加(jia)熱到相同的(de)工(gong)藝(yi)溫度,從而控制了擠壓產品(pin)的(de)質量。
2. 低頻感應加熱(re)爐具有(you)最好的(de)(de)條件(jian)來實現坯料的(de)(de)自(zi)(zi)動(dong)運送和(he)擠壓機的(de)(de)半(ban)自(zi)(zi)動(dong)化或全盤自(zi)(zi)動(dong)化操作(zuo)。
3. 使用感(gan)應加(jia)熱(re)(re)爐時,鋼(gang)坯可以在幾分(fen)鐘內加(jia)熱(re)(re)完畢,并且當車間停工或者檢查、更換(huan)工具時,不需開爐或保溫,大(da)大(da)降低了能量和勞動力的(de)消耗(hao)(hao),電能消耗(hao)(hao)的(de)多少僅取決(jue)于加(jia)熱(re)(re)坯料(liao)的(de)數量。
4. 比一(yi)般形(xing)式加熱爐的維護費用少(shao)(shao),更換線圈(quan)、耐火(huo)襯套和耐熱鋼襯套的時間少(shao)(shao)。
5. 操作人員少,占地面積小。
6. 工(gong)作強(qiang)度低,勞動條件好(hao)。
7. 安(an)排(pai)生(sheng)產時(shi)具有最(zui)大(da)的靈活(huo)性,既適合(he)于(yu)大(da)批量(liang)(liang)生(sheng)產,也適合(he)于(yu)小批量(liang)(liang)生(sheng)產,更換品(pin)種(zhong)僅需(xu)幾秒鐘時(shi)間,一個班(ban)更換10多個品(pin)種(zhong)沒有困難。
8. 特(te)殊材(cai)料(liao)加(jia)熱(re)時,可(ke)以通(tong)保(bao)護氣體,進行無氧化加(jia)熱(re)。
低頻(pin)率(lv)感應加熱(re)爐也(ye)可以帶保護氣體(ti)工作,不過由于爐內(nei)(nei)空(kong)間(jian)(jian)間(jian)(jian)隙很小,并且(qie)按照在感應線圈內(nei)(nei)的(de)(de)加熱(re)條件可以肯定在如此短(duan)的(de)(de)加熱(re)時間(jian)(jian)內(nei)(nei),實際上不銹鋼等坯料并不會(hui)產(chan)生(sheng)氧化鐵(tie)皮(pi);準確的(de)(de)溫度測量可以減少廢次品;可以說(shuo)復雜斷面(mian)型材的(de)(de)生(sheng)產(chan),也(ye)首先是采用了感應加熱(re)之后(hou)才能夠進行連續生(sheng)產(chan)的(de)(de)。
一、 坯(pi)料感應加(jia)熱的基(ji)礎
坯(pi)(pi)料進(jin)入(ru)感(gan)應加熱(re)(re)(re)爐進(jin)行(xing)加熱(re)(re)(re)時,首(shou)先向感(gan)應線(xian)圈(quan)通入(ru)交變(bian)電(dian)(dian)流(liu)(liu),線(xian)圈(quan)即產生交變(bian)磁場,處于交變(bian)磁場中(zhong)的坯(pi)(pi)料則產生感(gan)應電(dian)(dian)流(liu)(liu)(渦電(dian)(dian)流(liu)(liu)),根據感(gan)應加熱(re)(re)(re)時的電(dian)(dian)熱(re)(re)(re)轉(zhuan)換(huan)定律(焦(jiao)耳(er)一(yi)楞茨定律),坯(pi)(pi)料中(zhong)的電(dian)(dian)能按下列(lie)公式轉(zhuan)變(bian)為熱(re)(re)(re)能,從而加熱(re)(re)(re)坯(pi)(pi)料。
Q=12R(J) (8-1)
采用感應(ying)加(jia)(jia)熱爐加(jia)(jia)熱坯料時的電熱轉換效率(lv)一(yi)般有以下(xia)情(qing)況:
1. 隨(sui)(sui)著坯料(liao)直(zhi)徑的增大,電(dian)熱(re)轉換(huan)效率(lv)提高,每一度電(dian)加熱(re)的坯料(liao)產量(liang)增加。相(xiang)反,隨(sui)(sui)著坯料(liao)直(zhi)徑的減小,電(dian)熱(re)轉換(huan)效率(lv)降低(di),每一度電(dian)加熱(re)的坯料(liao)產量(liang)降低(di)。
2. 當(dang)坯料的直徑不變時(shi),頻(pin)率增加,熱效率提(ti)高(gao)。
3. 從坯料感應加熱(re)的(de)熱(re)效(xiao)率考量(liang),有(you)資料推(tui)薦不同直徑的(de)坯料的(de)最(zui)佳(jia)頻率可按(an)表8-12選(xuan)擇(ze)。
在權衡了(le)熱(re)效率(lv)和(he)變頻(pin)設備(bei)兩個(ge)因素之(zhi)后認為,坯料直(zhi)徑(jing)中>150mm時,采用(yong)(yong)工頻(pin)較為有利。但(dan)有的不銹(xiu)鋼管廠(chang)家(jia),如(ru)英國(guo)的勞·莫(mo)爾公司(si),甚至對于直(zhi)徑(jing)為100mm的坯料也采用(yong)(yong)工頻(pin)加熱(re)。根據尼科波爾南方不銹(xiu)鋼管廠(chang)的經驗認為,如(ru)果產品大綱中有70%~100%的坯料直(zhi)徑(jing)Φ>125mm,則必須采用(yong)(yong)工頻(pin)感應(ying)加熱(re)爐。
二、坯(pi)料感應(ying)加熱爐(lu)的結(jie)構
坯料感應(ying)加熱爐的(de)結(jie)構包括:
1. 線(xian)圈(quan)組由特殊斷面(mian)的(de)紫銅管線(xian)(矩形(xing)、橢圓(yuan)形(xing)、偏(pian)心)繞成,并固定在磁(ci)性硅(gui)鋼片共(gong)軛結構的(de)基礎(chu)上(shang),線(xian)圈(quan)通電后形(xing)成閉路磁(ci)場,可避免在鋼基礎(chu)上(shang)形(xing)成大的(de)渦流。
2. 為了使沿(yan)坯料長度方向上磁(ci)場具有(you)均一性,在(zai)線(xian)圈(quan)(quan)的端(duan)部(bu)設(she)有(you)附加繞組(zu),作為線(xian)圈(quan)(quan)兩端(duan)部(bu)的補償線(xian)圈(quan)(quan)。
3. 感應(ying)線(xian)(xian)圈是(shi)帶有(you)高溫絕緣的(de)(de)單層多匝線(xian)(xian)圈,在線(xian)(xian)圈內層有(you)一(yi)個用耐熱合金制成的(de)(de)帶有(you)防(fang)止冷(leng)熱變形的(de)(de)耐熱鋼制襯(chen)套(tao);而在耐熱鋼襯(chen)套(tao)和感應(ying)線(xian)(xian)圈之(zhi)間還有(you)一(yi)個耐火高溫陶瓷(ci)襯(chen)套(tao),以(yi)(yi)防(fang)止熱量散(san)失、線(xian)(xian)圈吸熱以(yi)(yi)及感應(ying)線(xian)(xian)圈的(de)(de)絕緣被損壞。
4. 感應線圈的(de)頂部(bu)是密封(feng)的(de),以減少(shao)氧氣(qi)的(de)進入,或(huo)便于(yu)輸送(song)惰性氣(qi)體,進行特殊材料的(de)無氧化(hua)加熱。
5. 感應線(xian)圈(quan)通電工作(zuo)時,必須通水(shui)冷卻,水(shui)壓為304~507kPa(約3~5個大氣(qi)壓)。進口水(shui)溫(wen)度不應高于25℃,出口水(shui)溫(wen)度應在60℃以(yi)下(xia),應是清潔無雜質的水(shui)或軟化水(shui),以(yi)防(fang)線(xian)圈(quan)冷卻孔堵塞。
6. 在(zai)感應線圈的(de)(de)線匝間(jian)(jian)留有坯(pi)料(liao)的(de)(de)測量孔(kong)和(he)觀察孔(kong),并設有輻射高溫(wen)(wen)(wen)計(ji)(或光電高溫(wen)(wen)(wen)計(ji)、紅外線測溫(wen)(wen)(wen)儀)和(he)時間(jian)(jian)調(diao)(diao)整(zheng)器,以(yi)便測量坯(pi)料(liao)溫(wen)(wen)(wen)度和(he)調(diao)(diao)整(zheng)坯(pi)料(liao)的(de)(de)加熱制度。為了測量溫(wen)(wen)(wen)度的(de)(de)準確性,坯(pi)料(liao)上的(de)(de)測溫(wen)(wen)(wen)點處(chu)通氮氣保(bao)護,且(qie)在(zai)坯(pi)料(liao)進爐前,測溫(wen)(wen)(wen)點不應有氧化鐵皮及黏附物。
7. 感應(ying)線圈(quan)(quan)沿長度(du)方向上設有抽頭,以便按照坯(pi)料的長短調節感應(ying)線圈(quan)(quan)的有效長度(du)。
8. 感應(ying)加熱(re)爐內還設有滑塊裝置(zhi),用于爐內坯料放置(zhi)中(zhong)心(xin)線的(de)調整。
9. 每一(yi)個感應加熱線圈由降壓變壓器和按鈕選(xuan)擇開(kai)關(guan)提供所需的功率。
10. 為(wei)了提(ti)高功率因數和(he)調節頻率,還設(she)有電容器(qi)組。
11. 也可以用感應線(xian)圈(quan)端(duan)部的(de)(de)補(bu)償(chang)電(dian)容,或線(xian)圈(quan)組電(dian)壓(ya)的(de)(de)分段控(kong)制來進行端(duan)部補(bu)償(chang),減小(xiao)坯料的(de)(de)軸向溫差。
圖8-4所示為帶有端(duan)部補(bu)償電容(rong)的(de)立式工頻感應加熱(re)爐的(de)電氣原理圖。
近(jin)年來,由于電(dian)氣技(ji)術(shu)(shu)裝(zhuang)備的進步和(he)電(dian)子控制技(ji)術(shu)(shu)的發(fa)展,感應加熱技(ji)術(shu)(shu)也有(you)了很大的提高。工頻感應加熱爐上(shang)也引進了許(xu)多新的技(ji)術(shu)(shu)和(he)裝(zhuang)備,使擠壓不銹鋼坯料(liao)的感應加熱爐和(he)再加熱爐具有(you)更高的現(xian)代(dai)化技(ji)術(shu)(shu)水(shui)平和(he)裝(zhuang)備水(shui)平。