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锻造生产中的感应加热介绍

2012年03月31日

锻造加热概述
         人类的一个重要特征,就是有利用自然、改造自然的能力。自石器时代后期,人类已经发明了冶炼技术,学会了用金属制造工具、武器,甚至装饰品的能力。铸造、锻造技术方法也就开始了漫长的发展过程,历史超过了两千年。至今,该技术已深入人类生存的各个领域。
        今日所称的锻造概念,包含自由锻、模锻、挤压、轧制、冷镦、冷冲和辗扩等诸多工艺方法,除冷镦、冷冲在常温下进行外,不论采用何种锻造方法,都要将欲进行锻造的金属坯料进行预先加热,以使金属具有良好的塑性,较低的变形抗力。经过锻造的金属,组织更为致密,具有更高的力学性能。
        一般金属锻造坯料的加热温度,取决于金属的再结晶温度。锻造的温度与金属的性质密切相关。钢的再结晶温度约在460~C左右。300~800~C一般称为温锻;钢的热锻依据合金的差异一般界于800~1200~C。而对于铝及铝合金,一般的锻造温度在400~C左右;铜与铜合金的锻造温度在750~900℃ ;钛及钛合金的锻造温度,通常都要高于IO00~C。
       不言而喻,金属坯料锻造前的加热必须配备加热设备。而加热设备的配置主要取决于金属本身对加热温度的工艺要求,满足这些工艺要求的热源有多种。原则上,凡是能使金属温度升高至锻造工艺要求的热源都可以利用,但选择加热设备仍然要考虑能源的经济性,加
热设备建造的投入成本,加热温度控制的可能性、稳定性,以及满足环保所提出的要求。
        锻造加热设备以其热能源不同,分类如附图所示。所要采用的加热能源,要因地制宜,同时综合考虑加热金属坯料自身的固有特性,以及加热坯锭的尺寸、重量和批量等各种因素。
=、感应加热的基本原理
         1 820年,H.C.奥斯特发现了电流的磁效应;相反,磁场也会使切割磁力线的导体产生感应电动势及感生电流,法拉第首先定量地确定了感生电动势与磁场的关系,建立了电磁感应定律,也即法拉第定律;另一个重要的定律是电流使导体产生的热量的关系,就是所谓的焦耳定律(定量的公式关系,限于篇幅不赘述)。电流通过线圈而产生交变磁场,使处于线圈中的金属坯料产生感应电动势,故而金属内部产生电流,该电流的流动过程要克服金属坯料的自身电阻,产生焦耳热。这个热直接产生在加热金属坯料的内部,因而这种加热方法具有比其他方法加热有更高的热效率。值得注意的是,这种感应加热的方法,在金属坯料的内部电流分布是不均匀的,最大的电流密度出现在坯料的表层,即所谓的集肤效应。不难看出这种加热方法更适合加热热传导良好的金属,如铝及铝合金、铜及铜合金。使用感应加热的方法铝及铝合金的坯料直径可以达到600ram以上。如我国山东丛林集团的100MN挤压机感应加热炉可加热的铝锭尺寸为4,560 mm x 1750mm;铜及铜合金坯料的直径可达400mm,甚至更大些。钢的热传导较差,所以大直径的钢坯料,不采用感应加热的方法。
三、感应加热的基本特点
        感应加热炉的感应线圈的内径大约为被加热坯料直径的1.2~1.3倍,矩形感应加热器的内空间也是比坯料只大少许,以便于坯料通过为宜。因此,加热的空间甚小,不需要火焰炉所必须的厚厚的绝热层。因加热快,也不需要一炉装很多坯料,因此,感应加热炉具有如下的明显特点:
(1)热效率高,加热快。不需要一般火焰炉开炉前缓慢的逐级升温的预热过程。一般只要短时间加热3~5个坯料后(返回炉前)即可正常运行。
(2)与火焰炉相比金属氧化层薄,金属损耗少。
(3)不需要很厚的绝热层,炉体小,炉体自身的热容量低,加热效率高。
(4)炉体体积小,占地面积小。
(5)不产生燃烧废气,有利于环保。
(6)易实现自动化运行,与其他加热炉相比操作人员最少。
当然,还可以在设备的成本、维修方便等方面比较,这要涉及具体情况,但感应加热在大多数情况下占有明显的优势。其不足之处是不适用于金属坯料加热的所有情况,要依据具体情况分析、论证才能选用。
四、感应加热的适用范围
        在钢铁厂中,焦炉、高炉煤气充足,加热大型锻坯,应以焦炉、高炉煤气的火焰炉为首选;在天然气充足的地方,选用以天然气为燃料的加热炉无疑是最为经济的。对于大型、超大型锻件,几乎毫无例外的选用燃气加热炉。因此,在较大的机械制造企业,往往要建设自用的煤气站,以便作为热源。目前焦炭加热炉一般只用于小工厂的手工锻造在用,在大型企业已完全被淘汰。目前,大型感应加热炉多用于有色金属挤压坯料的加热,而且是采用的工频,使电源设备大为简化。具体讲,用于铝及铝合金、铜及铜合金的挤压坯料加热。主要原因是感应加热时,由于感应电流的集肤效应,使加热锭坯表层先热。坯料的中心的温度升高,是靠热传导实现的。铝、铜及其合金具有良好的热传导性能,因此热透性好,外部表层和中心的温度短时即可趋于均衡。反之,钢的导热性较差,外表和中心的温度必须经过较长的时间传递,采用感应加热的方法就无法发挥感应加热快速的特点。而且钢坯料中心达到工艺要求的温度时,坯料的表面可能已经过烧。钢的加热必须有一个缓慢的均化过程。
       对于大批量的小型锻件,包括黑色和有色金属的坯料,则考虑小型的感应加热炉或几台加热炉组成的加热炉组更为适宜。选择加热方法及设备,任何时候都要多方面进行分析、比较,但最基本的是使用性能,技术的可靠性,是否先进,在此前提下,考虑经济性、热能来源,以及维护是否方便等因素。当然要经得起环保方面的严格审查。
五、感应加热的现状及其发展的趋势
(1)
感应加热炉的设计、制造,从技术方面讲,可以说已经完全成熟。用于小规格钢坯锻压坯料加热,因其便于实现自动化、连续化已经被普遍采用;用于有色金属挤压坯料的加热,即使是大规格的锭坯,也有趋于采用工频感应加热的明显趋势。
(2)在国内,有色金属挤压坯料工频感应加热炉的最大加热坯料规格为~b560mm×1750mm的铝锭,加热功率约在3000kW左右,基本上是当前世界上同类设备的“老大”。该设备用于100MN铝及铝合金挤压机配套。200MN挤压机目前只在俄罗斯有一台,是前苏联乌拉尔重机厂1951年建造的,当时由于感应加热技术尚不十分成熟,肯定不是采用感应加热炉与挤压机配套。从理论上讲,加热q~800mm X 2000mm的铝锭感应加热炉在技术上是可能的,其功率约达5000kW,但未见有明确的向更大功率发展的可能。
(3)低(工频)、中、高频的感应加热炉的适用范围不会发生重大的改变。中、高频的感应加热设备主要用于金属的热处理(如表面淬火)领域,以及金属的熔炼、合金生产过程。未见中、高频用于钢及有色金属锻造坯料的加热领域的报导。主要是中、高频加热瞬时能量释放过快,而向坯料中心热量传导缓慢。将依靠变频元件的进步,进一步降低中、高频变频电源设备成本,提高运行的可靠性。
(4)感应加热设备电源部分的发展,中、高频感应炉,主要涉及变流环节的结构和固体化元件的进步;工频感应炉的设计将更注意三相的平衡技术(尤其是单相的感应加热炉),并要致力于将功率因数控制在电网允许范围之内(0.85~0.9),以达到减少电网损失,节约能源的目的。
(5)在锻压领域,不论任何感应加热设备,加热设备与主设备计算机集中控制、集中显示、故障警报、协调运行的能力将会有进一步提高。通过计算机将主机(如模锻、挤压设备)和加热设备,当然也包括机组的其他辅助设备,将运行控制在最佳状态,无疑是工业技术发展的重要目标。
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