鍛造生產(chǎn)中的感應(yīng)加熱介紹

一鍛造加熱概述
         人類的一個(gè)重要特征，就是有利用自然、改造自然的能力。自石器時(shí)代后期，人類已經(jīng)發(fā)明了冶煉技術(shù)，學(xué)會(huì)了用金屬制造工具、武器，甚至裝飾品的能力。鑄造、鍛造技術(shù)方法也就開始了漫長的發(fā)展過程，歷史超過了兩千年。至今，該技術(shù)已深入人類生存的各個(gè)領(lǐng)域。
        今日所稱的鍛造概念，包含自由鍛、模鍛、擠壓、軋制、冷鐓、冷沖和輾擴(kuò)等諸多工藝方法，除冷鐓、冷沖在常溫下進(jìn)行外，不論采用何種鍛造方法，都要將欲進(jìn)行鍛造的金屬坯料進(jìn)行預(yù)先加熱，以使金屬具有良好的塑性，較低的變形抗力。經(jīng)過鍛造的金屬，組織更為致密，具有更高的力學(xué)性能。
        一般金屬鍛造坯料的加熱溫度，取決于金屬的再結(jié)晶溫度。鍛造的溫度與金屬的性質(zhì)密切相關(guān)。鋼的再結(jié)晶溫度約在460~C左右。300～800~C一般稱為溫鍛；鋼的熱鍛依據(jù)合金的差異一般界于800～1200~C。而對(duì)于鋁及鋁合金，一般的鍛造溫度在400~C左右；銅與銅合金的鍛造溫度在750～900℃ ；鈦及鈦合金的鍛造溫度，通常都要高于IO00~C。
       不言而喻，金屬坯料鍛造前的加熱必須配備加熱設(shè)備。而加熱設(shè)備的配置主要取決于金屬本身對(duì)加熱溫度的工藝要求，滿足這些工藝要求的熱源有多種。原則上，凡是能使金屬溫度升高至鍛造工藝要求的熱源都可以利用，但選擇加熱設(shè)備仍然要考慮能源的經(jīng)濟(jì)性，加
熱設(shè)備建造的投入成本，加熱溫度控制的可能性、穩(wěn)定性，以及滿足環(huán)保所提出的要求。
        鍛造加熱設(shè)備以其熱能源不同，分類如附圖所示。所要采用的加熱能源，要因地制宜，同時(shí)綜合考慮加熱金屬坯料自身的固有特性，以及加熱坯錠的尺寸、重量和批量等各種因素。
=、感應(yīng)加熱的基本原理
         1 820年，H．C．奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)；相反，磁場(chǎng)也會(huì)使切割磁力線的導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及感生電流，法拉第首先定量地確定了感生電動(dòng)勢(shì)與磁場(chǎng)的關(guān)系，建立了電磁感應(yīng)定律，也即法拉第定律；另一個(gè)重要的定律是電流使導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量的關(guān)系，就是所謂的焦耳定律(定量的公式關(guān)系，限于篇幅不贅述)。電流通過線圈而產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，使處于線圈中的金屬坯料產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，故而金屬內(nèi)部產(chǎn)生電流，該電流的流動(dòng)過程要克服金屬坯料的自身電阻，產(chǎn)生焦耳熱。這個(gè)熱直接產(chǎn)生在加熱金屬坯料的內(nèi)部，因而這種加熱方法具有比其他方法加熱有更高的熱效率。值得注意的是，這種感應(yīng)加熱的方法，在金屬坯料的內(nèi)部電流分布是不均勻的，最大的電流密度出現(xiàn)在坯料的表層，即所謂的集膚效應(yīng)。不難看出這種加熱方法更適合加熱熱傳導(dǎo)良好的金屬，如鋁及鋁合金、銅及銅合金。使用感應(yīng)加熱的方法鋁及鋁合金的坯料直徑可以達(dá)到600ram以上。如我國山東叢林集團(tuán)的100MN擠壓機(jī)感應(yīng)加熱爐可加熱的鋁錠尺寸為4,560 mm x 1750mm；銅及銅合金坯料的直徑可達(dá)400mm，甚至更大些。鋼的熱傳導(dǎo)較差，所以大直徑的鋼坯料，不采用感應(yīng)加熱的方法。
三、感應(yīng)加熱的基本特點(diǎn)
        感應(yīng)加熱爐的感應(yīng)線圈的內(nèi)徑大約為被加熱坯料直徑的1．2～1．3倍，矩形感應(yīng)加熱器的內(nèi)空間也是比坯料只大少許，以便于坯料通過為宜。因此，加熱的空間甚小，不需要火焰爐所必須的厚厚的絕熱層。因加熱快，也不需要一爐裝很多坯料，因此，感應(yīng)加熱爐具有如下的明顯特點(diǎn)：
(1)熱效率高，加熱快。不需要一般火焰爐開爐前緩慢的逐級(jí)升溫的預(yù)熱過程。一般只要短時(shí)間加熱3～5個(gè)坯料后(返回爐前)即可正常運(yùn)行。
(2)與火焰爐相比金屬氧化層薄，金屬損耗少。
(3)不需要很厚的絕熱層，爐體小，爐體自身的熱容量低，加熱效率高。
(4)爐體體積小，占地面積小。
(5)不產(chǎn)生燃燒廢氣，有利于環(huán)保。
(6)易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行，與其他加熱爐相比操作人員最少。
當(dāng)然，還可以在設(shè)備的成本、維修方便等方面比較，這要涉及具體情況，但感應(yīng)加熱在大多數(shù)情況下占有明顯的優(yōu)勢(shì)。其不足之處是不適用于金屬坯料加熱的所有情況，要依據(jù)具體情況分析、論證才能選用。
四、感應(yīng)加熱的適用范圍
        在鋼鐵廠中，焦?fàn)t、高爐煤氣充足，加熱大型鍛坯，應(yīng)以焦?fàn)t、高爐煤氣的火焰爐為首選；在天然氣充足的地方，選用以天然氣為燃料的加熱爐無疑是最為經(jīng)濟(jì)的。對(duì)于大型、超大型鍛件，幾乎毫無例外的選用燃?xì)饧訜釥t。因此，在較大的機(jī)械制造企業(yè)，往往要建設(shè)自用的煤氣站，以便作為熱源。目前焦炭加熱爐一般只用于小工廠的手工鍛造在用，在大型企業(yè)已完全被淘汰。目前，大型感應(yīng)加熱爐多用于有色金屬擠壓坯料的加熱，而且是采用的工頻，使電源設(shè)備大為簡化。具體講，用于鋁及鋁合金、銅及銅合金的擠壓坯料加熱。主要原因是感應(yīng)加熱時(shí)，由于感應(yīng)電流的集膚效應(yīng)，使加熱錠坯表層先熱。坯料的中心的溫度升高，是靠熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的。鋁、銅及其合金具有良好的熱傳導(dǎo)性能，因此熱透性好，外部表層和中心的溫度短時(shí)即可趨于均衡。反之，鋼的導(dǎo)熱性較差，外表和中心的溫度必須經(jīng)過較長的時(shí)間傳遞，采用感應(yīng)加熱的方法就無法發(fā)揮感應(yīng)加熱快速的特點(diǎn)。而且鋼坯料中心達(dá)到工藝要求的溫度時(shí)，坯料的表面可能已經(jīng)過燒。鋼的加熱必須有一個(gè)緩慢的均化過程。
       對(duì)于大批量的小型鍛件，包括黑色和有色金屬的坯料，則考慮小型的感應(yīng)加熱爐或幾臺(tái)加熱爐組成的加熱爐組更為適宜。選擇加熱方法及設(shè)備，任何時(shí)候都要多方面進(jìn)行分析、比較，但最基本的是使用性能，技術(shù)的可靠性，是否先進(jìn)，在此前提下，考慮經(jīng)濟(jì)性、熱能來源，以及維護(hù)是否方便等因素。當(dāng)然要經(jīng)得起環(huán)保方面的嚴(yán)格審查。
五、感應(yīng)加熱的現(xiàn)狀及其發(fā)展的趨勢(shì)
(1)感應(yīng)加熱爐的設(shè)計(jì)、制造，從技術(shù)方面講，可以說已經(jīng)完全成熟。用于小規(guī)格鋼坯鍛壓坯料加熱，因其便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、連續(xù)化已經(jīng)被普遍采用；用于有色金屬擠壓坯料的加熱，即使是大規(guī)格的錠坯，也有趨于采用工頻感應(yīng)加熱的明顯趨勢(shì)。
(2)在國內(nèi)，有色金屬擠壓坯料工頻感應(yīng)加熱爐的最大加熱坯料規(guī)格為~b560mm×1750mm的鋁錠，加熱功率約在3000kW左右，基本上是當(dāng)前世界上同類設(shè)備的“老大”。該設(shè)備用于100MN鋁及鋁合金擠壓機(jī)配套。200MN擠壓機(jī)目前只在俄羅斯有一臺(tái)，是前蘇聯(lián)烏拉爾重機(jī)廠1951年建造的，當(dāng)時(shí)由于感應(yīng)加熱技術(shù)尚不十分成熟，肯定不是采用感應(yīng)加熱爐與擠壓機(jī)配套。從理論上講，加熱q~800mm X 2000mm的鋁錠感應(yīng)加熱爐在技術(shù)上是可能的，其功率約達(dá)5000kW，但未見有明確的向更大功率發(fā)展的可能。
(3)低(工頻)、中、高頻的感應(yīng)加熱爐的適用范圍不會(huì)發(fā)生重大的改變。中、高頻的感應(yīng)加熱設(shè)備主要用于金屬的熱處理(如表面淬火)領(lǐng)域，以及金屬的熔煉、合金生產(chǎn)過程。未見中、高頻用于鋼及有色金屬鍛造坯料的加熱領(lǐng)域的報(bào)導(dǎo)。主要是中、高頻加熱瞬時(shí)能量釋放過快，而向坯料中心熱量傳導(dǎo)緩慢。將依靠變頻元件的進(jìn)步，進(jìn)一步降低中、高頻變頻電源設(shè)備成本，提高運(yùn)行的可靠性。
(4)感應(yīng)加熱設(shè)備電源部分的發(fā)展，中、高頻感應(yīng)爐，主要涉及變流環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)和固體化元件的進(jìn)步；工頻感應(yīng)爐的設(shè)計(jì)將更注意三相的平衡技術(shù)(尤其是單相的感應(yīng)加熱爐)，并要致力于將功率因數(shù)控制在電網(wǎng)允許范圍之內(nèi)(0．85～0．9)，以達(dá)到減少電網(wǎng)損失，節(jié)約能源的目的。
(5)在鍛壓領(lǐng)域，不論任何感應(yīng)加熱設(shè)備，加熱設(shè)備與主設(shè)備計(jì)算機(jī)集中控制、集中顯示、故障警報(bào)、協(xié)調(diào)運(yùn)行的能力將會(huì)有進(jìn)一步提高。通過計(jì)算機(jī)將主機(jī)(如模鍛、擠壓設(shè)備)和加熱設(shè)備，當(dāng)然也包括機(jī)組的其他輔助設(shè)備，將運(yùn)行控制在最佳狀態(tài)，無疑是工業(yè)技術(shù)發(fā)展的重要目標(biāo)。

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