王艷風(fēng),張玉開,張 戩,楊建強(qiáng),王振琪

(金川集團(tuán)精密銅材有限公司,甘肅金昌 737104)

大規(guī)格銅合金鑄錠感應(yīng)加熱控制技術(shù)的應(yīng)用*

王艷風(fēng),張玉開,張 戩,楊建強(qiáng),王振琪

(金川集團(tuán)精密銅材有限公司,甘肅金昌 737104)

闡述了在大規(guī)格T2紫銅、BFe10-1-1白銅等銅及銅合金鑄錠加熱過程中,采用多層加熱線圈、多段線圈串行梯度加熱、工頻電源功率調(diào)節(jié)、鑄錠加熱溫度在線檢測與控制、可靠的系統(tǒng)保護(hù)等先進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用原理及方法。關(guān)鍵詞：銅及銅合金;大規(guī)格鑄錠;感應(yīng)加熱;控制技術(shù);應(yīng)用

0 引 言[2]

感應(yīng)加熱是采用電磁感應(yīng)定律和電流的熱效應(yīng)基本原理,實現(xiàn)金屬加熱。感應(yīng)加熱相比燃?xì)夂兔河图訜?具有加熱速度快、生產(chǎn)效率高、可快速啟動與停止,節(jié)能效果好、干凈、清潔、安全等優(yōu)點。同時,隨著國外先進(jìn)感應(yīng)加熱控制技術(shù)的引進(jìn),其控制技術(shù)不斷發(fā)展與提高,在銅合金、鋁、不銹鋼等有色金屬加工中被廣泛應(yīng)用于熔煉、鑄造、鑄錠加熱、制品退火等領(lǐng)域。鑄錠加熱是采用傳統(tǒng)熔鑄-擠壓-拉伸生產(chǎn)工藝中,一個關(guān)鍵的工藝環(huán)節(jié),是將不同規(guī)格、不同合金鑄錠加熱到擠壓所需溫度,通過擠壓擠制成為不同規(guī)格、形狀的制品。鑄錠溫度達(dá)不到合適的擠壓溫度,就無法實現(xiàn)正常擠壓。

筆者主要對國內(nèi)擠壓機(jī)配套銅錠加熱爐,在φ310 mm、φ440 mm大規(guī)格銅及銅合金鑄錠感應(yīng)加熱中,先進(jìn)控制技術(shù)進(jìn)行分析與闡述。

1 多層感應(yīng)加熱線圈技術(shù)

感應(yīng)加熱的核心部件是感應(yīng)加熱器,即感應(yīng)加熱線圈,它本身是一個空心線圈。當(dāng)這個空心線圈兩端接通交流電源時,便產(chǎn)生交變磁場,使處于這個線圈內(nèi)的錠坯(導(dǎo)體)產(chǎn)生感應(yīng)電流。被加熱的錠坯相當(dāng)于一個單匝短路線圈(閉合回路),感應(yīng)電流流動過程要克服其自身電阻,因而產(chǎn)生焦耳熱,實現(xiàn)了錠坯加熱,其工作原理如圖1所示,熱量直接產(chǎn)生在錠坯內(nèi)部,有很高的熱效率。

圖1 感應(yīng)加熱原理圖

感應(yīng)加熱線圈一般是采用純銅管(異型或矩型)螺旋狀單層繞制而成。多層加熱線圈是近幾年國外進(jìn)口感應(yīng)加熱爐引進(jìn)行新技術(shù),它是將線圈在同一截面上繞制4～7層,層數(shù)需要根據(jù)合金材料、直徑、穿透深度進(jìn)行計算確定,以達(dá)到最高加熱效率目的。

依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律E=-dφ/dt,導(dǎo)體中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小和穿過回路的磁通量的變化率成正比,如果感應(yīng)回路是串聯(lián)N匝時,并且通過每匝的磁通量是相同的,則有φ=NΦ。多層線圈較單層線圈穿過回路的磁通量不是與層數(shù)成正比增加,但較單層線圈有明顯提高。感應(yīng)加熱爐的效率包括熱效率、感應(yīng)器的電效率及其它元件的電效率。

通過理論計算,采用多層感應(yīng)加熱線圈的感應(yīng)加熱爐綜合效率可達(dá)到0.48～0.50,最高可達(dá)到0.6。以加熱BFe10-1-1,Φ310×750 mm白銅鑄錠為例,每小時加熱通過量為25根,所需要配置加熱爐加熱功率約為3 200 kW。國內(nèi)單層感應(yīng)加熱線圈的加熱爐綜合效率最高僅達(dá)到0.37～0.40,每小時加熱通過量為15根,所需要配置加熱爐加熱功率達(dá)到5 536 kW。

采用多層感應(yīng)線圈加熱爐的綜合加熱效率比單層感應(yīng)加熱線圈加熱爐提高10%,單位電耗降低15%～25%。同時,在同樣通過量的情況下,所需要配置加熱功率大約可減少1000～2000 kW,大大減小了設(shè)備容量。

2 多段線圈串行實現(xiàn)梯度加熱[1]

感應(yīng)加熱時,感應(yīng)電流大部分集中在導(dǎo)體表面,電流密度分布在導(dǎo)體表面到芯部是按指數(shù)曲線衰減,即所謂集膚效應(yīng)。穿透深度是表征感應(yīng)電流降低到表面電流36.8%的那一點到導(dǎo)體表面的距離。穿透深度與導(dǎo)體的電阻率成正比,與感應(yīng)加熱的加熱頻率成反比,穿透深度基本公式計算如下式所示。

式中：f,μ,σ分別表示頻率,穿透率和被加熱工件的電阻。

因此感應(yīng)加熱爐的熱效率與加熱頻率成正比,同時也與D(爐料直徑)/δ(穿透深度)的比值成正比。

由于受截然不同的表面效應(yīng)的影響,在加熱周期中,加熱鑄錠中心(r=0)和表面(R=ro)會產(chǎn)生不可避免的溫度差異。尤其在φ310 mm、φ440 mm大規(guī)格銅及銅合金鑄錠中,其導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能不好,此溫度差異可達(dá)到幾百甚至上千攝氏度。較大的溫度差異很容易造成鑄錠表面過燒熔化,中心產(chǎn)生裂紋。

如何保證鑄錠溫度由低到高梯度加熱,關(guān)鍵在加熱過程。將加熱線圈分為多段,多段串聯(lián)布置,各段功率自行調(diào)節(jié),鑄錠串行通過線圈。當(dāng)鑄錠在每段線圈內(nèi)以不同的加熱功率加熱到設(shè)定溫度,自動或手動逐根向前推進(jìn),進(jìn)入另一段線圈。加熱功率和加熱溫度由低到高,逐步加熱,最終實現(xiàn)大直徑鑄錠中心溫度到表面溫度之差≤30℃,滿足擠壓工藝的要求。

3 采用各段線圈的功率調(diào)節(jié)

在感應(yīng)加熱過程中,如果采用變頻電源,實現(xiàn)感應(yīng)加熱功率調(diào)節(jié)較為容易,但存在投資大,對電網(wǎng)污染大的劣勢。同時頻率選擇與爐料直徑尺寸和材料性能有關(guān),表1是幾種典型銅及銅合金材料不同加熱頻率時與穿透深度關(guān)系。

從表中可以看出,對鑄錠直徑范圍φ310 mm、φ440 mm,在50 Hz工頻范圍內(nèi),如何實現(xiàn)各段線圈的功率調(diào)節(jié),即在每兩段線圈為一組,六組線圈分為三組,三組以三角形接法平衡接入電網(wǎng),保證電網(wǎng)基本平衡;每組選用一個可調(diào)式變壓器,將電壓分為六～九檔,通過調(diào)節(jié)二次側(cè)加熱線圈的工作電壓,實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。

表1 幾種典型銅及銅合金不同加熱頻率時與穿透深度關(guān)系

4 精確的溫度在線測量與控制

鑄錠在線圈內(nèi)加熱過程中,由于整體線圈的密閉,無法檢測鑄錠加熱過程中溫度的。一般都采用熱電偶接觸式測量或爐門測溫方式。但當(dāng)多段線圈串聯(lián)式,如果對中間加熱線圈內(nèi)的鑄錠溫度無法測量,則無法控制加熱時間的溫度。

在近幾年引進(jìn)國外加熱爐中,采取在線圈繞制時,預(yù)留中間測溫孔,在測溫孔處安裝高精度紅外線測溫儀;同時,將測量溫度通過PLC實時顯示在人機(jī)操作界面上,使操作人員隨時掌握鑄錠加熱溫度,作為調(diào)整加熱功率和加熱時間的依據(jù),很好實現(xiàn)了鑄錠加熱過程中溫度測量與控制。

5 可靠的系統(tǒng)保護(hù)

一臺大容量的電力設(shè)備,其安全可靠的保護(hù)系統(tǒng)是設(shè)備能否安全運(yùn)行的關(guān)鍵。感應(yīng)加熱爐的系統(tǒng)保護(hù)通常包括電源保護(hù)、絕緣隔熱防護(hù)以及線圈過熱保護(hù)等。

5.1 電源保護(hù)

(1)線圈電源側(cè)安裝接地檢測,接地電阻阻值可由0.10 kΩ、0.28 kΩ、0.52 kΩ、1.1 kΩ、1.5 kΩ、3.2 kΩ調(diào)整。當(dāng)系統(tǒng)接地阻接低于設(shè)定值時,系統(tǒng)總電源自鎖保護(hù),禁止電源任何操作。尤其是線圈絕緣破損,系統(tǒng)接地時;線圈絕緣受潮,絕緣阻值較低時;線圈內(nèi)冷卻水電導(dǎo)率達(dá)不到要求,阻值較低時,系統(tǒng)均會可靠報警與防護(hù)。

(2)在總電源開關(guān)選用西門子斷路器,實現(xiàn)可靠接地、過流保護(hù)。

(3)每段線圈配置安全防護(hù)外殼,外殼開閉門開關(guān)與電源開關(guān)互鎖,在保護(hù)外殼開關(guān)門未完全關(guān)閉,操作人員未撤離時,系統(tǒng)電源無法閉合。

5.2 過熱保護(hù)

(1)加熱系統(tǒng)的過熱保護(hù)包括線圈溫度檢測報警與線圈冷卻保護(hù)兩部分,只有線圈冷卻系統(tǒng)可靠運(yùn)行,才能保證線圈絕緣保護(hù)完好,線圈不至于過熱受損。為可靠保證良好的冷卻效果,線圈采用獨立的冷卻裝置。

冷卻裝置內(nèi)注入去離子水,使電導(dǎo)率達(dá)到要求。正常兩臺水泵一用一備。水泵運(yùn)行設(shè)置時間運(yùn)行或壓力檢測,如果一臺泵故障,另一臺泵無法正常啟動時,系統(tǒng)立即報警并啟動應(yīng)急供水回路。系統(tǒng)保護(hù)在一次側(cè)供水回路設(shè)置流量檢測、二次側(cè)設(shè)置水壓檢測和流量檢測,將檢測點分別接入系統(tǒng)報警指示,報警指示給操作人員實時掌握系統(tǒng)運(yùn)行情況提供了可靠的依據(jù)。使操作人員能夠及時掌握出現(xiàn)問題,快速進(jìn)行處理。

(2)在線圈安裝溫度檢測裝置,檢測線圈經(jīng)過冷卻后的溫度。當(dāng)某匝線圈出現(xiàn)冷卻水流量不暢通,線圈溫度過高時,系統(tǒng)會自動進(jìn)行報警,并停止加熱,待故障排除后才可通電加熱。

5.3 絕緣與隔熱保護(hù)

(1)線圈絕緣采用了多層防護(hù),線圈絕緣包括了匝間絕緣和層間絕緣。將每一匝線圈繞制后均采用防護(hù)等級達(dá)150℃的絕緣帶、絕緣帶粘和劑、綁帶進(jìn)行綁匝,每組間采用云母墊進(jìn)行絕緣防護(hù)。

(2)對線圈內(nèi)襯的防護(hù)通常采用兩種方法：一種方法是采用不銹鋼內(nèi)襯。制作一個C型半閉合不銹鋼內(nèi)套,對內(nèi)套進(jìn)行絕緣處理。另一種方法是采用耐火澆鑄材料澆鑄厚度約50～80 mm厚的耐火材料內(nèi)襯,耐火材料的電導(dǎo)率和耐高溫強(qiáng)度必須達(dá)到要求。在每次澆鑄后,對耐火材料內(nèi)襯進(jìn)行烘烤,待完全烘烤后,其絕緣阻值可達(dá)到工藝要求。對加熱溫度達(dá)到1 000℃時,通常采作第二種方法,實現(xiàn)線圈較好的隔熱防護(hù)。

6 結(jié) 論

在310 mm、440 mm大規(guī)格銅及銅合金鑄錠感應(yīng)加熱中,采用多層感應(yīng)加熱線圈、多段線圈梯度加熱、加熱過程中精確的溫度在線測量與控制、可調(diào)變壓器功率調(diào)節(jié)及可靠的系統(tǒng)保護(hù)等先進(jìn)的控制技術(shù),實現(xiàn)了高效率、低能耗,在感應(yīng)加熱領(lǐng)域具有較強(qiáng)的實用性和推廣性。

[1] 唱鶴鳴,楊曉平,張德惠.感應(yīng)爐熔煉與特種鑄造技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2003.

[2] 魏 軍.金屬擠壓機(jī)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2006.

Application of Induction Heating Control Technology for Large Size Copper Alloy Ingot

WANG Yan-feng,ZHANG Yu-kai,ZHANG Jian,YANG Jian-qiang,WANG Zhen-qi
(Jinchuan Precision Copper Co.,Ltd,Jinchang Gansu 737100,China)

In this paper,the application principle and method of advanced control technology such as the multilayer heating coil,multi section serial gradient heating coil,operating frequency power regulation,online detection and control of heating temperature of ingot,and the reliable system protection are introduced in the heating process of the large size copper T2,the BFe10-1-1 cupronickel and the other copper and copper alloy ingot.

copper and copper alloy;large size ingot casting;induction heating;control technology;application

TM154

A

1007-4414(2015)04-0206-03

2015-06-07

王艷風(fēng)(1975-),女,甘肅金昌人,工程師,主要從事壓力加工生產(chǎn)工藝技術(shù)管理、電氣設(shè)備檢修、維護(hù)及管理工作。