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          鍛造感應爐(透熱爐)選用指南及國內外發展狀況

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          鍛造感應爐(透熱爐)選用指南及國內外發展狀況

          發布日期:2021-03-01 作者: 點擊:

          幾乎在所有的機器制造領域,鍛造特別是模鍛、精鍛,都是一種重要的熱加工工藝。多年來被鍛毛坯都是在各種火焰爐中進行加熱。從20世紀50~60年代,感應加熱技術由熔煉、熱處理擴展到鍛造領域,給鍛造業帶來革命性變化。鍛造感應加熱為感應透熱爐主要應用之一。感應透熱裝置主要用于金屬熱塑加工(鍛造、擠壓及軋制等)前的加熱和各種型材的整體熱處理。他們的設計和生產基本相同,僅僅由于材料和各自的物理參數不同,加熱工藝要求的差異,有其各自的特點。


          由于工藝要求的不同,鍛造用感應爐(透熱爐)也有多種多樣的形式,且多為非標產品。其中實心圓柱形爐料,特別是鋼材的加熱所占比重Z大,故舉例作為討論的重點。


          鍛造用感應加熱爐大致分類

          (1)從加熱方式上分  分為周期式,順序式和連續式三類:

          ①周期式。爐中每次放置一根爐料,加熱完成出爐后再放下一個冷料。

          ②順序式。爐中同時存在多根爐料,進口端送進一根新料時,出口端給出一個達到溫度要求的熱料,按一定節拍順序進行加熱。

          ③連續式。爐料按一定速度恒速通過爐子,達到加熱要求。


          (2)從爐料材質上分  分為非磁性材料加熱和磁性材料加熱:


          ①非磁性材料加熱,如鋁的擠壓前加熱,銅的鍛前加熱及鋼材經燃料爐加熱至居里點以上后的感應加熱等。

          ②磁性材料加熱,主要為鐵、鎳、鈷為主的合金材料,以鋼的溫度在居里點以下的加熱為常見,如鋼的蘭脆下料,表面防氧化處理,材料及機器零件的感應退火(低溫)和回火等。


          由磁性到非磁性的整個加熱過程,主要指鋼材從常溫到鍛造溫度或淬火溫度的加熱時,大功率爐分段加熱的低溫段及鋼在采用雙頻加熱時的低溫加熱段(在居里點以下的相對低頻段)等。


          (3)從爐料形狀上分  分為圓柱形、矩形截面、空心、板、帶材、型材等各種結構和形狀。


          (4)從爐體結構上分  分為立式爐和臥式爐,立式爐多用于大重型爐料的加熱,一般多為周期式。


          (5)從電源上分  分為高頻、中頻和工頻加熱,目前以中頻居多。由于電源開發,頻段增多,為提高加熱的合理性,現在采用雙頻和三頻電源加熱開始得到推廣。


          (6)從加熱方式可分為常規加熱(等匝距線圈)和快速加熱(變匝距線圈)。


          感應透熱爐與火焰爐相比的主要優勢

          (1)節省能源。一般感應加熱爐的總效率(鋼)多在60%以上,局部加熱時,與其他各爐種加熱相比效果會更加明顯。如20個世紀80年代,某廠較大型曲軸鍛造成形,原用油爐,反復送入爐中整體加熱,后改用感應透熱爐進行各鍛部局部加熱,能耗下降20~30倍。


          (2)生產的產品質量好,且均勻一致。感應加熱由于升溫速度快,晶粒細化,氧化脫碳輕,故質量好。又因易于實現機械化、自動化生產,故產品性能保持一致,重復性好。有一個明顯的例子,在20世紀我國某兵工廠從歐洲某先進國家進口一臺高速精鍛設備,對方建議同時配一臺感應透熱爐,可以一次鍛出成品。我方人員由于技術生疏,認為加熱到千多度的爐子很簡單,為節省有限的外匯就拒絕了,回國后自已配了一臺火焰爐。結果由于加熱時間太長,氧化燒損嚴重,鍛后不但要經過磨削等機加工,還須進行酸洗。增加了材料的預留量、加工工時和生產成本。先進鍛機的能力發揮不到20%。直到后來認識到問題的關鍵,研發了相應的感應加熱爐才得以很好的解決。


          (3)材料予留加工量小,節省原材料;加熱性能好,可提高模具使用壽命。


          (4)設備的機械化、自動化水平高,體積小,占地少,故易于上流水線和自動線。


          (5)為清潔能源,勞動條件好,基本無高溫和少環境污染。


          (6)起動,停止快,使用和維護方便。


          據一些企業初步統計,采用感應加熱可以在生產總時間上節省約70%,氧化皮為火焰爐1/2~1/4,模鍛時模具壽命提高20%,節省金屬為10%~15%。


          正確選用和設計、生產優質的感應鍛造爐

          這當然首先要滿足用戶的生產和工藝要求。主要是生產率,其主要決定于變頻電源的功率,然后是節能,這取決于電源的頻率和感應器設計的合理性,工藝要求上主要是加熱溫度、溫度分布等,要靠感應器設計阻抗與電源的匹配及機械化、自動化水平等,則要根據用戶要求進行協商;其次是產品質量要好;設備的技術經濟指標先進,如能耗低、材料省、運行費用低、勞動條件好等;設備可靠性要高;使用、維護方便,操作安全可靠。


          感應透熱爐的主要缺點是通用性差,如果爐料的規格、尺寸相差懸殊,則需分組設計多臺感應器。為此,對多規格加熱的爐子往往需要提出代表品種,作為設計和產品驗收的主要依據。


          (1)選擇電源的頻率  加熱用頻率合理與否,直接關系到加熱器的電效率和加工工藝質量,電源頻率的選用,主要考慮兩個因素。

          第一、從保證電效率考慮,第二、從提高截面溫度均勻性考慮。


          由此可看出,進一步降低頻率已不能加深加熱層,反而會影響電效率。進一步均溫只有靠爐料自身的熱傳導。所以0.4R2是在該頻率下的Z大加熱深度。

           

          在此范圍內應向高端選取頻率。當然也應根據具體情況靈活處理,如在加熱速度較慢(單位功率?。r,可選高一些的頻率,靠傳熱來彌補加熱層淺的不足,對導熱系數高的材料,也可選用偏高些的頻率等。在用戶經濟投資允許時,對較大型透熱爐,可建議采用在技術上更為合理的雙頻或三頻率加熱,即分成低溫段(磁性,低頻),高溫段(非磁性,高頻率)均溫段(也可不用)。


          (2)確定電源容量  感應器平均加熱功率的估算。一般情況下,取電源功率PyPg,盡量采用標準系列中給定的值,對磁性材料周期式加熱時,如果沒有自動控制功能,為防止加熱初期的峰值,需加大電源容量,使Py≈(1.5~1.7Pg,非磁性材料周期式加熱時,Py1.05~1.10Pg即可。這樣,我們知道了電源功率和頻率,就可結合用戶和制造廠的具體條件和需求來合理地選定電源。

          (3)加熱爐核心部件感應器規模的確定  求出感應器幾何尺寸,即可大致估計爐體的大小。第一、求感應線圈長度a1。鍛造加熱爐(包括全部透熱爐),當然希望心表溫差T越小越好。為保證T所需Z短加熱時間tk以便通過該值確定線圈總長度a1(連續式)或爐內裝料數n(順序式)或爐子臺數n(周期式)。

          透熱爐當然希望心表溫差越小越好,但從上面論述已知,感應加熱雖然是自身加熱,但其有效加熱層僅為ξ0.4R2,其余部分仍需靠傳熱來均溫,電效率ηd。線圈內徑取值的合適,確保了爐子的效率和其工作可靠性。直徑太大,增加了漏磁,會降低電效率;而取得過小,將使爐襯太薄,不但降低其熱效率,也會影響爐襯強度,如間隙太小還會妨礙爐料的運行。原則上存在一個Z佳的D1/D2值。


             從上面討論可知,電效率與兩個因素有關:相對頻率m2和線圈與爐料之間的氣隙,即他們直徑比D1/D2。這從圖1和圖4上可清楚看出,電效率隨頻率急劇上升而提高,經過拐點后升速變緩,慢慢趨于極限值。就氣隙而言,當然是氣隙越小,電磁耦合越好,漏磁少而電效率越高。從圖4可看出,當D1/D2由1增大至2時,電效率大約從95%下降至76%。


          (3)綜合上述兩點,其總效率可定性做出曲線。

              

          兩曲線交點即為選定的耐火和保溫材料時取值的Z佳點。對主要加熱對象的鋼材鍛造加熱而言,從電熱效率綜合考慮,建議取D1/D2=1.41.8,但取D1/D21.22.0也可以接受。直徑大時取偏小值,直徑小時取偏大值。如果D2過粗或太細時,有可能超出此范圍。D1的Z終確定應以實用為主,應考慮以下諸多因素


          D1=D2+D1.1+D1.2+D1.3+D1.4+D1.5  


          式中D1.1—爐料在爐中運行時必須的間隙(mm);

          D1.2—爐襯耐火層的厚度(mm);

          D1.3—爐襯保溫層的厚度(mm);

          D1.4—爐料熱膨脹尺寸(mm);

          D1.5—加工公差(mm)。


          從以上估算中,我們知道了設備所需電源的功率和頻率,也就選定了電源,我們又知道了感應線圈的規模,考慮其工作高度給出安裝方式和外殼及框架對爐體的用材也基本心中有數,水冷用水量則可從表1的總效率得知爐子能耗,即需要用水帶走的熱量,從而也可進行初步的估算。


          (4)爐子的機電成套  我國現有的一些感應電熱設備主要生產廠家,均有根據用戶工藝需求提供不同技術層次機電配套要求的能力。根據和用戶商定的機械化、自動化要求,進行與主機連接,本身的上下料機械化和操作系統的自動化,可提出一個技術經濟合理的方案,并據此精心設計和生產出物美價廉,經久耐用的產品。


          幾點補充意見

          (1)矩形截面爐料的主要公式  第一、選頻公式,第二、功率估算,第三、保證△T的Z短加熱時間。碳鋼由常溫加熱至1200~1300℃時,第四、線圈尺寸的確定。線卷內腔高度D1。矩形坯料(b2/D21)加熱時,料口高度對電效率影響較小,故可取D1/D2=1.253.0。爐料大和加熱溫度低時取偏小值;反之,則取偏大值。當然,也要經實用安排和復合方可。其余各點均同于圓柱形爐料。線卷內腔寬度b1


          b2/D25,b1=b2+(D1-D2)  

          b2/D25,b1=b2+(1.051.15)(D1-D2)  


          (2)管材加熱的主要公式  所謂管材,一般指外徑與壁厚之比即D2/d25d2/2。第一、選頻公式K2f(D2p/a2),可查相應的曲線,估算時可暫取其值K20.80.9,管材加熱存在Z佳頻率值:第二、功率估算,其他各項可參考圓柱形爐料加熱。


          (3)雙頻加熱  隨著半導體變頻電源的發展和完善及電能的普及,根據感應加熱對磁性和非磁性材料之不同,采用雙頻電源對鋼件從室溫到鍛造溫度進行分段加熱,得到了推廣。磁性點前采用較低頻率電源,過居里點后改用相對高的頻率進行加熱。其主要優點是:①節電。由于電源頻率配置合理,電源得以充分利用,一般可節電15%~20%。②省時。單頻加熱時選頻是以熱態為準選用的,對冷態來說頻率太高,加熱層淺,給出單位功率相對要小,降低了加熱速度,延長了加熱時間;既增大能耗,又降低了生產率。③產品質量好。由于加熱時間縮短,減少了能耗,也減輕了氧化,同時由于頻率合理也保證了低溫差,故能得到好的加熱質量。


          (4)快速加熱(變匝距加熱)  這是利用大溫差時向心部傳熱快的道理,在保證相同溫差下縮短了加熱時間。


          對周期式加熱,橫坐標可視為加熱時間,對連續式和順序式則可作為感應線圈的長度。實際上,坯料表面升至終溫,占其總加熱時間10%~30%(或在感應器進口端占其總長度10%~30%),這可使加熱速度提高和均溫時間縮短。這種加熱規范被稱為(沖擊式)快速加熱。


          (5)綜合能源加熱  由于各地區能源條件的不同,必要時應考慮雙能源綜合加熱。如某地區天然氣豐富,且價格低廉。就可以考慮在700~800℃以下用燃氣爐加熱,后進入快速感應加熱爐。這樣既可在低溫加熱段氧化輕時利用廉價氣源,又可在高溫區時采用優質快速感應加熱。在經濟和技術雙方面都是合理的??傊?,要因地制宜,充分考慮工藝需要,設計和生產物美價廉且經濟耐用的感應加熱設備。


          Z后強調一點,雖然問題很小,卻往往被一些人忽略,造成很大的錯誤。即在運用已有公式計算時,一定注意公式中的物理量必須用加熱溫度段的積分平均值,公式中的單位要弄清楚,代入正確的單位。此資料除鍛造加熱爐外,也適用于其他各種工藝需要的感應透熱爐。


            用于鍛造液壓機的鍛造加熱爐,其爐型雖然種類很多,但大部分采用的還是臺車式爐。工具操作機大多在國外大,中型鍛造液壓機上配備,也有一些國家在鍛造液壓機上配備了中,小型有軌操作機。


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          國外鍛造加熱爐的發展

            前蘇聯已研制出各種快速加熱爐和快速加熱裝置,并對少(無)氧化加熱的爐型,熱工制度,燃燒裝置和爐子機械化,自動化及電子計算機技術等進行了大量研究,以求收到Z佳的效果。80年代末期,他們用快速加熱制度提高生產率達15~30,燃料消耗也有明顯降低。近幾年來,俄羅斯的快速加熱制度又有了新的進步??焖偌訜釥t在爐子的直接費用方面比任何一種用煤氣,油,電加熱的爐子都低,已成為節能和提高生產率的重要加熱裝置。


            日本鍛造加熱爐主要以火焰爐為主。其爐型有:臺車爐,箱式爐,回轉爐和推桿爐等。其中箱式爐約占鍛造行業的80.雖然這種爐型熱效率低,勞動條件和加熱質量較差,但由于能適應品種變化,通用性好,設備費用低,仍能得到廣泛采用。推桿爐是一種節能型爐,其中多列式推桿爐的熱效率可提高30以上。日本在降低加熱爐燃料消耗方面的主要措施是:1確定合理的鍛造溫度和加熱時間,取消均熱階段。一些工廠認為,只要爐溫達到了工藝要求,便可進入保溫階段,應力爭壓縮均熱階段或將其取消。


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            控制空氣與燃料比例,控制爐壓。加強余熱利用,在工業爐上安裝預熱器,將空氣預熱至200~500e,達到了平均節能30的效果。采用高效爐型,加強管理,提高爐子作業率。日本的大型鍛造加熱爐早已實現了操作機械化和自動化,并由計算機完成復雜的熱工計算。


            在遇到鍛件超出爐容長度的情況時,采用爐外接長筒和爐外保護的方法。爐外接長筒若用于鍛件的局部加熱(筒內溫度約為400~500e),筒體上可以不開設排煙孔;如需要用于長件的加熱或熱處理(筒內溫度高于500e),則要在筒體上開設排煙口,設排煙筒,以使筒內氣體能夠很好地進行對流。長筒的內襯,常用不定型耐火材料做成。這種粉狀的不定型耐火材料,與耐火砼相似,加水之后便易凝固。內襯里還需要有V型加強筋,類似砼結構中鋼筋的作用。使用中,除筒體與爐門接頭部分由于溫度高易碰壞需經常修補之外,筒體內襯至少可以使用3年以上。


            日本室蘭工廠液壓機車間的工業爐,在80年代已裝了計測與控制儀表。該廠液壓機的規格與配套的加熱爐的規格有的比我國小。該廠液壓機車間有10,20,80,100MN液壓機共4臺,與其配套的加熱爐15臺,保溫爐4臺,分為兩組,分別為10,20MN液壓機和80,100MN液壓機服務。另外該車間還設有退火爐3臺,全車間共有爐子22臺。


            英國謝菲爾德鍛造股份有限公司登河廠的100MN液壓機,配備了固定式爐和臺車式爐各3臺,分別布置在液壓機的兩側。該廠在80年代末期對爐子進行了技術改造)))爐子采用陶瓷纖維內襯,使燃料節省了25以上。

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            英國Z早研究成功快速加熱技術是在1969年。英國Z早研究成功快速加熱技術是在1969年。英國煤氣公司研究和發展部中部研究站

          BritishGasCorporationResearchandDerel#PmetnDirisionMidlandsResearchStation)是高速燒嘴和快速加熱技術的發源地。隨后FairbankBrcarley公司購買了該研究站的生產許可證,制造了第一臺快速加熱裝置,并安裝在Woodhead公司的卷簧廠。70年代末期,在國際模鍛研究會第三屆年會和國際貿易會議上,英國煤氣公司將快速加熱技術作為一項重要的節能新技術加以介紹。


            衡量加熱爐技術高低的另一項指標,就是鍛件的加熱單耗。工業發達國家的鍛造加熱爐鍛件單耗一般較低。


            早在70年代,工業發達國家就有工具操作機配合鍛造液壓機進行鍛造生產。例如,日本室蘭工廠的100MN和80MN液壓機分別配備了夾持重量為2.5t的工具操作機。


            日本高砂工廠的80/135MN液壓機配備了荷重力矩為250kN#m的工具操作機。日本勝田工廠的60MN液壓機配備了2t工具操作機。小型液壓機也有配備工具操作機的,例如,日本勝田工廠7.5MN液壓機和日本涉川工廠的10MN液壓機也都配備了工具操作機,并且兼作裝出料機。


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          除配備工具操作機外,為提高生產效率,他們還采取了如下一些措施:


           ?。?)充分發揮液壓機生產效率,盡量不占用液壓機的機動臺時。在日本所有的液壓機車間,根據自己需要選配了能切割直徑1000~3000mm的大截面氣割裝置,以便切除鋼錠冒口和鍛件料頭,節省液壓機的機動臺時。

           ?。?)在液壓機車間,設有各種規格的吊鉗,方便鍛件,鋼錠,毛坯的起吊和運輸。吊鉗規格一般為3~430t.

           ?。?)專用工裝多。如有專門鍛大筒體鍛件的三點砧,鍛工作輥的圓弧砧,鍛護環的換向砧,鍛大型圈子的體外鍛造裝置和各種規格的壓實砧子等。還有一種工具具有多種用途,如<1500mm馬杠,既可擴孔,又可用來拔長,還能當套筒使用。

           ?。?)在中小型液壓機旁設有清除鍛件表面缺陷的機械手。機械手的技術規格根據鍛件需要確定。

           ?。?)加強生產管理,嚴格執行鍛造工藝規程,不斷地提高工人技術水平,使多數工人掌握多種技能,便于調整工作。例如,日本室蘭工廠液壓機車間多數工人都有3個以上工種操作證,從而使勞動力得到合理利用。

           ?。?)壓縮液壓機停機維修時間([2周/年),日常維修大都是不停機分段進行。


            此外,國外液壓機也使用一些有軌操作機配套。


          國內鍛造加熱爐的發展

            我國機械工業的鍛造能力已具備一定規模,年產量僅低于日本,美國,俄羅斯,居世界第四位,并能鍛造重達260t的大鋼錠。但在鍛造加熱爐的熱效率,加熱爐的維修技術及鍛件能耗方面,與工業發達國家相比仍有一定差距。


            第二重型機械集團公司的液壓機車間曾鍛造過260t的大鋼錠,具有一定的代表性。該液壓機車間裝有一臺120MN液壓機,與其配套的鍛造加熱爐有6臺。其中:5m@13m臺車式加熱爐2臺,每臺Z大裝載量600t,Z高爐溫1350e;4m@36m臺車式熱處理爐一臺,Z大裝載量300~500t,Z高爐溫1000e.此外,該車間還有31.5MN液壓機一臺,鍛造Z大鋼錠50t.與其配套的鍛造加熱爐有4臺,6鍛壓機械3/2000其中:4m@10.2m臺車式加熱爐2臺,每臺Z大裝載量230t,Z高爐溫1260e.近40年來,第二重型機械集團公司對加熱爐進行了較大的改造。例如,局部結構采用了全纖維粘貼大板塊結構;應用了高速燒咀,平焰燒咀;改進了爐門結構等,從而提高了生產水平。


            第一重型機械集團公司的萬噸液壓機及其配套鍛造加熱爐基本與二重相似。而上海重型機器廠與萬噸液壓機相配套的鍛造加熱爐規格略小一些。


            當前,各企業鍛造加熱爐發展的重點是提高生產力,提高產品質量及降低能耗。主要措施是:采用全纖維粘貼大板塊爐壁結構,高速調溫自控燒咀,爐壓自動控制,爐門自動壓緊,分段活動爐體,爐車電動自行和計算機控溫等等。


            爐門自動壓緊,可以防止火焰外冒,熱量外逸,縮短升溫時間,增強保溫效果。爐內壁裝設陶瓷纖維,所需費用與裝設耐火材料相當,但隔熱保溫效果要好得多。國產鍛件能耗與國外工業發達國家相比,仍有一定差距。單耗平均為1000~1200kg標煤/t,Z好為600~700kg標煤/t;而日本室蘭工廠為270kg標煤/t.


          我國鍛造加熱爐的發展方向

            為提高我國鍛造加熱爐的生產能力和產品質量,今后應在以下幾個方面采取措施:

            

           ?。?)應加強能源管理,認真執行加熱爐能源管理體系,加強鍛造加熱爐的生產調度,合理安排待燒鍛件,使加熱爐正常有負荷運行。

            (2)為滿足液壓機配套要求,應適當增強鍛造加熱爐的技術裝備,避免用中小型爐子加熱大工件。

            對超過爐容的加熱件,可采用國外(日本室蘭工廠)已成熟的爐外接長筒,改裝高度等方法解決。

           ?。?)認真搞好爐子的技術改造,合理選擇爐型和燒咀,充分利用余熱,實現儀表控制等。

           ?。?)采用新型爐襯材料,是提高生產力和節約能源的重要措施。國內已采用的粘土澆注料,耐火材料,搗打料,涂抹料等,已取得很大成效。例如,粘土結合澆注料用于冶金軋鋼加熱爐和均熱爐,公認為是長壽節約型爐襯材料;耐火塑料包扎加熱爐水冷管,也在全國范圍內推廣,收到了良好的節能效果。

           ?。?)根據國內外經驗,制訂出改進鍛造加熱爐的計劃,定期檢查計劃實施情況,盡快把各企業爐子的生產,質量趕上去。


          本文網址:http://www.23koutuo.com/news/586.html

          關鍵詞:中頻爐,透熱爐,熔煉爐

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