浙江至德钢业有限公司在实际挤压不锈钢管生产过程中,采用电能来加热钢管坯料的方法有以下四种:


 1. 电阻炉加热   电流通过加热元件发出热量,靠炉膛的辐射和对流来加热金属。


 2. 电接触加热  电流由电源通过触头直接流过金属,金属坯料内的电阻使其得到加热。


 3. 盐浴炉加热  将直流电源的一极通入电解液,另一极接入加热的金属,通电后,电解出来的气体附在金属表面形成一层气膜,把金属和电解液隔开,于是在金属和电解液间产生电弧,发出热量,使金属加热。


 4. 电感应加热  利用电磁感应,在金属内激励出电流,使金属得到加热。


  在电阻炉内加热时,热量的传递基本上与在火焰炉内一样,因此,金属的加热时间很长电接触加热是较为先进而又经济的方法,但是由于其要求加热的坯料的断面和长度的尺寸有一定的比例,而限制了其应用范围;此外,不能加热变断面的坯料、很难使触头下的金属加热均匀、平稳调节加热速度有困难等,迫使其要与其他加热方式配合使用。盐浴炉加热时,由于热量是在金属表面附近的一薄层电解液中生成,而坯料本体是按热传导加热的,因此,加热速度较慢,且电能消耗较大。感应加热的形式有两种:工频(50Hz)感应加热和增高频率的感应加热。工频感应加热一般坯料的直径大于150mm。同时,需解决一些技术问题,诸如如何使坯料在三相感应加热中温度均匀,如何平稳地改变感应器的输入功率,如何调整金属的加热速度等。用增高频率进行坯料的感应加热时,其规格范围广泛得多。


 坯料感应加热的工艺特点与感应加热时,电流通过感应线圈的特性有着密切的关系,主要有以下几点:


a. 集肤效应


 当直流电流通过等截面的导体时,导体截面中的电流密度(单位为A/mm2)是相等的。但当交变电流通过导体时,导体截面上的电流密度不是均匀分布的,最大电流密度出现在导体的表面层,这样导体的截面就没有得到完全的利用,这种电流集聚的现象叫做集肤效应。集肤效应使电流密度从导体中心向其表面逐渐增大,也即电流密度从表面向中心衰减,而且电流密度与深度的关系服从指数定律(图2-90)。



 由集肤效应可以看出,采用交变电流时,电流只流过导体的表面层。电流频率越高,电流通过的表面层越薄。为了简化整个感应加热的计算,引入电流穿透深度的概念,即导体某一深度处的电流密度为其表面电流密度的 1/e = 1/2.718 = 0.368 时,这一深度 △ 即为电流穿透深度(图 2-9),可用下式确定:


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图 2-10 所示为电流频率与电流穿透深度的关系。


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  由此可知,感应加热时的电流穿透深度与采用的电流频率有关,频率越高,穿透越浅;而频率越低,则穿透深度越深(图2-10).在坯料表面穿透深度外的中心部位的加热主要还是依靠来自被加热的穿透深度层的热传导进行加热。


表2-9为在不同的电流频率和温度下,部分材料的电流穿透深度。



 由上可知,由于电流传导时的表面集肤效应引起被加热坯料表里温差,导致坯料径向加热温度不均。这对于高合金钢坯料的加热是很不利的。不过在坯料的感应加热过程中随着温度的升高,电阻系数增加,使电流穿透深度提高。同时采用感应加热时,坯料中的电流穿透深度值毕竟还有相当的宽度,而且坯料中部仍有涡电流产生,其加热速度还是很快的。不会像在火焰炉内靠辐射和传导加热时那么慢。并且坯料在环形炉中经过预热到800~900℃的高温,这些因素都为坯料在感应加热时的表里温差提供了补偿。此时,坯料可以采用大功率进行快速加热。


b. 边缘效应


 感应加热时,在感应器内磁场的分布是不均匀的,感应器中部磁场强度最大,而两端部磁场强度则降低,此称为感应器的边缘效应。也正由于此,坯料的轴向加热不均匀。为了消除此现象,可将感应器制作得比坯料略长;或在感应器的两端各加上一个钢垫,将坯料两端温度偏低的部分移到两端的钢垫上。这两种方法都使感应加热的经济性和可操作性降低到无法接受。目前,普遍采用的方法是在感应器两端加设补偿线圈,以产生补偿磁场,来降低感应加热后坯料的轴向温差。另外,对于坯料的加热有冷和热两种规定,其定义为:从室温到磁性转变温度,称为冷加热规范。从磁性转变温度到加工温度,称为热加热规范。并且电流穿透深度也有冷和热之分。


c. 邻近效应


  在坯料进行感应加热时,往往必须将导体(感应线圈)和空心坯料置于同心,由于邻近效应,负载电流都分布在内管(空心坯料)的外表面和外管(感应线圈)的内表面,任何内管位置的偏移都会使电流分布更不均匀,如图2-11所示。


图 2-11.jpg