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。
不過,根據生產的需要還可以把低頻感應加熱進一步擴大應用到100mm直徑的坯料上。因為在許多情況下,所擁有的效益要比所增加的加熱費用大得多。實際生產中有一系列的低頻感應加熱爐就是在這種條件下進行生產的。
近年來,確實有一些重要的因素促進了感應加熱技術的發展,這些因素是:
1. 感應加熱的每一支坯料都能準確地控制加熱溫度,所有的坯料都能被加熱到相同的工藝溫度,從而控制了擠壓產品的質量。
2. 低頻感應加熱爐具有最好的條件來實現坯料的自動運送和擠壓機的半自動化或全盤自動化操作。
3. 使用感應加熱爐時,鋼坯可以在幾分鐘內加熱完畢,并且當車間停工或者檢查、更換工具時,不需開爐或保溫,大大降低了能量和勞動力的消耗,電能消耗的多少僅取決于加熱坯料的數量。
4. 比一般形式加熱爐的維護費用少,更換線圈、耐火襯套和耐熱鋼襯套的時間少。
5. 操作人員少,占地面積小。
6. 工作強度低,勞動條件好。
7. 安排生產時具有最大的靈活性,既適合于大批量生產,也適合于小批量生產,更換品種僅需幾秒鐘時間,一個班更換10多個品種沒有困難。
8. 特殊材料加熱時,可以通保護氣體,進行無氧化加熱。
低頻率感應加熱爐也可以帶保護氣體工作,不過由于爐內空間間隙很小,并且按照在感應線圈內的加熱條件可以肯定在如此短的加熱時間內,實際上不銹鋼等坯料并不會產生氧化鐵皮;準確的溫度測量可以減少廢次品;可以說復雜斷面型材的生產,也首先是采用了感應加熱之后才能夠進行連續生產的。
一、 坯料感應加熱的基礎
坯料進入感應加熱爐進行加熱時,首先向感應線圈通入交變電流,線圈即產生交變磁場,處于交變磁場中的坯料則產生感應電流(渦電流),根據感應加熱時的電熱轉換定律(焦耳一楞茨定律),坯料中的電能按下列公式轉變為熱能,從而加熱坯料。
Q=12R(J) (8-1)
采用感應加熱爐加熱坯料時的電熱轉換效率一般有以下情況:
1. 隨著坯料直徑的增大,電熱轉換效率提高,每一度電加熱的坯料產量增加。相反,隨著坯料直徑的減小,電熱轉換效率降低,每一度電加熱的坯料產量降低。
2. 當坯料的直徑不變時,頻率增加,熱效率提高。
3. 從坯料感應加熱的熱效率考量,有資料推薦不同直徑的坯料的最佳頻率可按表8-12選擇。
在權衡了熱效率和變頻設備兩個因素之后認為,坯料直徑中>150mm時,采用工頻較為有利。但有的不銹鋼管廠家,如英國的勞·莫爾公司,甚至對于直徑為100mm的坯料也采用工頻加熱。根據尼科波爾南方不銹鋼管廠的經驗認為,如果產品大綱中有70%~100%的坯料直徑Φ>125mm,則必須采用工頻感應加熱爐。
二、坯料感應加熱爐的結構
坯料感應加熱爐的結構包括:
1. 線圈組由特殊斷面的紫銅管線(矩形、橢圓形、偏心)繞成,并固定在磁性硅鋼片共軛結構的基礎上,線圈通電后形成閉路磁場,可避免在鋼基礎上形成大的渦流。
2. 為了使沿坯料長度方向上磁場具有均一性,在線圈的端部設有附加繞組,作為線圈兩端部的補償線圈。
3. 感應線圈是帶有高溫絕緣的單層多匝線圈,在線圈內層有一個用耐熱合金制成的帶有防止冷熱變形的耐熱鋼制襯套;而在耐熱鋼襯套和感應線圈之間還有一個耐火高溫陶瓷襯套,以防止熱量散失、線圈吸熱以及感應線圈的絕緣被損壞。
4. 感應線圈的頂部是密封的,以減少氧氣的進入,或便于輸送惰性氣體,進行特殊材料的無氧化加熱。
5. 感應線圈通電工作時,必須通水冷卻,水壓為304~507kPa(約3~5個大氣壓)。進口水溫度不應高于25℃,出口水溫度應在60℃以下,應是清潔無雜質的水或軟化水,以防線圈冷卻孔堵塞。
6. 在感應線圈的線匝間留有坯料的測量孔和觀察孔,并設有輻射高溫計(或光電高溫計、紅外線測溫儀)和時間調整器,以便測量坯料溫度和調整坯料的加熱制度。為了測量溫度的準確性,坯料上的測溫點處通氮氣保護,且在坯料進爐前,測溫點不應有氧化鐵皮及黏附物。
7. 感應線圈沿長度方向上設有抽頭,以便按照坯料的長短調節感應線圈的有效長度。
8. 感應加熱爐內還設有滑塊裝置,用于爐內坯料放置中心線的調整。
9. 每一個感應加熱線圈由降壓變壓器和按鈕選擇開關提供所需的功率。
10. 為了提高功率因數和調節頻率,還設有電容器組。
11. 也可以用感應線圈端部的補償電容,或線圈組電壓的分段控制來進行端部補償,減小坯料的軸向溫差。
圖8-4所示為帶有端部補償電容的立式工頻感應加熱爐的電氣原理圖。
近年來,由于電氣技術裝備的進步和電子控制技術的發展,感應加熱技術也有了很大的提高。工頻感應加熱爐上也引進了許多新的技術和裝備,使擠壓不銹鋼坯料的感應加熱爐和再加熱爐具有更高的現代化技術水平和裝備水平。