锻造生产中的感应加热介绍

一 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，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；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，将运行控制在状态，无疑是工业技术发展的重要目标。
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