1955年,美国首先将感应加热技术引入钢挤压坯料的加热工艺中并获得成功,接着浙江不锈钢管厂家也于1957年开始采用感应加热来实现钢挤压坯料的无氧化加热工艺。此后,钢挤压坯料的感应加热工艺得到快速推广和迅速发展。至1964年,应用于钢挤压坯料加热的感应加热炉已经达到128台。感应加热炉的最大小时产量达到了28t/h,坯料的加热时间为150s,均热时间为30s,可加热坯料直径为220~345mm、长度为200~700mm,感应炉的功率为605kW,频率为50Hz.近年来在应用低频感应电炉来加热挤压坯料方面又取得了巨大进展。由于感应加热时,热量是在钢坯内部一定的深度产生的,可以很快地改变加热的条件,适应各种产品生产的需要,因此,对于经常变换产品规格的生产来说,感应加热似乎是一种最好的方法。
各种金属材料具有的比较高的电阻系数,决定了能够应用低频率感应加热装置时,经济合理地加热到挤压温度的坯料直径的下限。然而实际生产表明,这种限制并不重要,因为当采用更大的挤压机时,将会使用直径更大的坯料。在用50r/s的电流加热不锈钢坯料时,线圈效率和电能消耗同钢坯直径的关系如图8-3所示,可以看出,直径大于150mm的坯料,采用低频感应加热是经济的。
不过,根据生产的需要还可以把低频感应加热进一步扩大应用到100mm直径的坯料上。因为在许多情况下,所拥有的效益要比所增加的加热费用大得多。实际生产中有一系列的低频感应加热炉就是在这种条件下进行生产的。
近年来,确实有一些重要的因素促进了感应加热技术的发展,这些因素是:
1. 感应加热的每一支坯料都能准确地控制加热温度,所有的坯料都能被加热到相同的工艺温度,从而控制了挤压产品的质量。
2. 低频感应加热炉具有最好的条件来实现坯料的自动运送和挤压机的半自动化或全盘自动化操作。
3. 使用感应加热炉时,钢坯可以在几分钟内加热完毕,并且当车间停工或者检查、更换工具时,不需开炉或保温,大大降低了能量和劳动力的消耗,电能消耗的多少仅取决于加热坯料的数量。
4. 比一般形式加热炉的维护费用少,更换线圈、耐火衬套和耐热钢衬套的时间少。
5. 操作人员少,占地面积小。
6. 工作强度低,劳动条件好。
7. 安排生产时具有最大的灵活性,既适合于大批量生产,也适合于小批量生产,更换品种仅需几秒钟时间,一个班更换10多个品种没有困难。
8. 特殊材料加热时,可以通保护气体,进行无氧化加热。
低频率感应加热炉也可以带保护气体工作,不过由于炉内空间间隙很小,并且按照在感应线圈内的加热条件可以肯定在如此短的加热时间内,实际上不锈钢等坯料并不会产生氧化铁皮;准确的温度测量可以减少废次品;可以说复杂断面型材的生产,也首先是采用了感应加热之后才能够进行连续生产的。
一、 坯料感应加热的基础
坯料进入感应加热炉进行加热时,首先向感应线圈通入交变电流,线圈即产生交变磁场,处于交变磁场中的坯料则产生感应电流(涡电流),根据感应加热时的电热转换定律(焦耳一楞茨定律),坯料中的电能按下列公式转变为热能,从而加热坯料。
Q=12R(J) (8-1)
采用感应加热炉加热坯料时的电热转换效率一般有以下情况:
1. 随着坯料直径的增大,电热转换效率提高,每一度电加热的坯料产量增加。相反,随着坯料直径的减小,电热转换效率降低,每一度电加热的坯料产量降低。
2. 当坯料的直径不变时,频率增加,热效率提高。
3. 从坯料感应加热的热效率考量,有资料推荐不同直径的坯料的最佳频率可按表8-12选择。
在权衡了热效率和变频设备两个因素之后认为,坯料直径中>150mm时,采用工频较为有利。但有的不锈钢管厂家,如英国的劳·莫尔公司,甚至对于直径为100mm的坯料也采用工频加热。根据尼科波尔南方不锈钢管厂的经验认为,如果产品大纲中有70%~100%的坯料直径Φ>125mm,则必须采用工频感应加热炉。
二、坯料感应加热炉的结构
坯料感应加热炉的结构包括:
1. 线圈组由特殊断面的紫铜管线(矩形、椭圆形、偏心)绕成,并固定在磁性硅钢片共轭结构的基础上,线圈通电后形成闭路磁场,可避免在钢基础上形成大的涡流。
2. 为了使沿坯料长度方向上磁场具有均一性,在线圈的端部设有附加绕组,作为线圈两端部的补偿线圈。
3. 感应线圈是带有高温绝缘的单层多匝线圈,在线圈内层有一个用耐热合金制成的带有防止冷热变形的耐热钢制衬套;而在耐热钢衬套和感应线圈之间还有一个耐火高温陶瓷衬套,以防止热量散失、线圈吸热以及感应线圈的绝缘被损坏。
4. 感应线圈的顶部是密封的,以减少氧气的进入,或便于输送惰性气体,进行特殊材料的无氧化加热。
5. 感应线圈通电工作时,必须通水冷却,水压为304~507kPa(约3~5个大气压)。进口水温度不应高于25℃,出口水温度应在60℃以下,应是清洁无杂质的水或软化水,以防线圈冷却孔堵塞。
6. 在感应线圈的线匝间留有坯料的测量孔和观察孔,并设有辐射高温计(或光电高温计、红外线测温仪)和时间调整器,以便测量坯料温度和调整坯料的加热制度。为了测量温度的准确性,坯料上的测温点处通氮气保护,且在坯料进炉前,测温点不应有氧化铁皮及黏附物。
7. 感应线圈沿长度方向上设有抽头,以便按照坯料的长短调节感应线圈的有效长度。
8. 感应加热炉内还设有滑块装置,用于炉内坯料放置中心线的调整。
9. 每一个感应加热线圈由降压变压器和按钮选择开关提供所需的功率。
10. 为了提高功率因数和调节频率,还设有电容器组。
11. 也可以用感应线圈端部的补偿电容,或线圈组电压的分段控制来进行端部补偿,减小坯料的轴向温差。
图8-4所示为带有端部补偿电容的立式工频感应加热炉的电气原理图。
近年来,由于电气技术装备的进步和电子控制技术的发展,感应加热技术也有了很大的提高。工频感应加热炉上也引进了许多新的技术和装备,使挤压不锈钢坯料的感应加热炉和再加热炉具有更高的现代化技术水平和装备水平。