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锻造感应炉(透热炉)选用指南及国内外发展状况

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锻造感应炉(透热炉)选用指南及国内外发展状况

发布日期:2021-03-01 作者: 点击:

几乎在所有的机器制造领域,锻造特别是模锻、精锻,都是一种重要的热加工工艺。多年来被锻毛坯都是在各种火焰炉中进行加热。从20世纪50~60年代,感应加热技术由熔炼、热处理扩展到锻造领域,給锻造业带来革命性变化。锻造感应加热为感应透热炉主要应用之一。感应透热装置主要用于金属热塑加工(锻造、挤压及轧制等)前的加热和各种型材的整体热处理。他们的设计和生产基本相同,仅仅由于材料和各自的物理参数不同,加热工艺要求的差异,有其各自的特点。


由于工艺要求的不同,锻造用感应炉(透热炉)也有多种多样的形式,且多为非标产品。其中实心圆柱形炉料,特别是钢材的加热所占比重最大,故举例作为讨论的重点。


锻造用感应加热炉大致分类

(1)从加热方式上分  分为周期式,顺序式和连续式三类:

①周期式。炉中每次放置一根炉料,加热完成出炉后再放下一个冷料。

②顺序式。炉中同时存在多根炉料,进口端送进一根新料时,出口端给出一个达到温度要求的热料,按一定节拍顺序进行加热。

③连续式。炉料按一定速度恒速通过炉子,达到加热要求。


(2)从炉料材质上分  分为非磁性材料加热和磁性材料加热:


①非磁性材料加热,如铝的挤压前加热,铜的锻前加热及钢材经燃料炉加热至居里点以上后的感应加热等。

②磁性材料加热,主要为铁、镍、钴为主的合金材料,以钢的温度在居里点以下的加热为常见,如钢的兰脆下料,表面防氧化处理,材料及机器零件的感应退火(低温)和回火等。


由磁性到非磁性的整个加热过程,主要指钢材从常温到锻造温度或淬火温度的加热时,大功率炉分段加热的低温段及钢在采用双频加热时的低温加热段(在居里点以下的相对低频段)等。


(3)从炉料形状上分  分为圆柱形、矩形截面、空心、板、带材、型材等各种结构和形状。


(4)从炉体结构上分  分为立式炉和卧式炉,立式炉多用于大重型炉料的加热,一般多为周期式。


(5)从电源上分  分为高频、中频和工频加热,目前以中频居多。由于电源开发,频段增多,为提高加热的合理性,现在采用双频和三频电源加热开始得到推广。


(6)从加热方式可分为常规加热(等匝距线圈)和快速加热(变匝距线圈)。


感应透热炉与火焰炉相比的主要优势

(1)节省能源。一般感应加热炉的总效率(钢)多在60%以上,局部加热时,与其他各炉种加热相比效果会更加明显。如20个世纪80年代,某厂较大型曲轴锻造成形,原用油炉,反复送入炉中整体加热,后改用感应透热炉进行各锻部局部加热,能耗下降20~30倍。


(2)生产的产品质量好,且均匀一致。感应加热由于升温速度快,晶粒细化,氧化脱碳轻,故质量好。又因易于实现机械化、自动化生产,故产品性能保持一致,重复性好。有一个明显的例子,在20世纪我国某兵工厂从欧洲某先进国家进口一台高速精锻设备,对方建议同时配一台感应透热炉,可以一次锻出成品。我方人员由于技术生疏,认为加热到千多度的炉子很简单,为节省有限的外汇就拒绝了,回国后自已配了一台火焰炉。结果由于加热时间太长,氧化烧损严重,锻后不但要经过磨削等机加工,还须进行酸洗。增加了材料的预留量、加工工时和生产成本。先进锻机的能力发挥不到20%。直到后来认识到问题的关键,研发了相应的感应加热炉才得以很好的解决。


(3)材料予留加工量小,节省原材料;加热性能好,可提高模具使用寿命。


(4)设备的机械化、自动化水平高,体积小,占地少,故易于上流水线和自动线。


(5)为清洁能源,劳动条件好,基本无高温和少环境污染。


(6)起动,停止快,使用和维护方便。


据一些企业初步统计,采用感应加热可以在生产总时间上节省约70%,氧化皮为火焰炉1/2~1/4,模锻时模具寿命提高20%,节省金属为10%~15%。


正确选用和设计、生产优质的感应锻造炉

这当然首先要满足用户的生产和工艺要求。主要是生产率,其主要决定于变频电源的功率,然后是节能,这取决于电源的频率和感应器设计的合理性,工艺要求上主要是加热温度、温度分布等,要靠感应器设计阻抗与电源的匹配及机械化、自动化水平等,则要根据用户要求进行协商;其次是产品质量要好;设备的技术经济指标先进,如能耗低、材料省、运行费用低、劳动条件好等;设备可靠性要高;使用、维护方便,操作安全可靠。


感应透热炉的主要缺点是通用性差,如果炉料的规格、尺寸相差悬殊,则需分组设计多台感应器。为此,对多规格加热的炉子往往需要提出代表品种,作为设计和产品验收的主要依据。


(1)选择电源的频率  加热用频率合理与否,直接关系到加热器的电效率和加工工艺质量,电源频率的选用,主要考虑两个因素。

第一、从保证电效率考虑,第二、从提高截面温度均匀性考虑。


由此可看出,进一步降低频率已不能加深加热层,反而会影响电效率。进一步均温只有靠炉料自身的热传导。所以0.4R2是在该频率下的最大加热深度。

 

在此范围内应向高端选取频率。当然也应根据具体情况灵活处理,如在加热速度较慢(单位功率小)时,可选高一些的频率,靠传热来弥补加热层浅的不足,对导热系数高的材料,也可选用偏高些的频率等。在用户经济投资允许时,对较大型透热炉,可建议采用在技术上更为合理的双频或三频率加热,即分成低温段(磁性,低频),高温段(非磁性,高频率)均温段(也可不用)。


(2)确定电源容量  感应器平均加热功率的估算。一般情况下,取电源功率PyPg,尽量采用标准系列中给定的值,对磁性材料周期式加热时,如果没有自动控制功能,为防止加热初期的峰值,需加大电源容量,使Py≈(1.5~1.7Pg,非磁性材料周期式加热时,Py1.05~1.10Pg即可。这样,我们知道了电源功率和频率,就可结合用户和制造厂的具体条件和需求来合理地选定电源。

(3)加热炉核心部件感应器规模的确定  求出感应器几何尺寸,即可大致估计炉体的大小。第一、求感应线圈长度a1。锻造加热炉(包括全部透热炉),当然希望心表温差T越小越好。为保证T所需最短加热时间tk以便通过该值确定线圈总长度a1(连续式)或炉内装料数n(顺序式)或炉子台数n(周期式)。

透热炉当然希望心表温差越小越好,但从上面论述已知,感应加热虽然是自身加热,但其有效加热层仅为ξ0.4R2,其余部分仍需靠传热来均温,电效率ηd。线圈内径取值的合适,确保了炉子的效率和其工作可靠性。直径太大,增加了漏磁,会降低电效率;而取得过小,将使炉衬太薄,不但降低其热效率,也会影响炉衬强度,如间隙太小还会妨碍炉料的运行。原则上存在一个最佳的D1/D2值。


   从上面讨论可知,电效率与两个因素有关:相对频率m2和线圈与炉料之间的气隙,即他们直径比D1/D2。这从图1和图4上可清楚看出,电效率随频率急剧上升而提高,经过拐点后升速变缓,慢慢趋于极限值。就气隙而言,当然是气隙越小,电磁耦合越好,漏磁少而电效率越高。从图4可看出,当D1/D2由1增大至2时,电效率大约从95%下降至76%。


(3)综合上述两点,其总效率可定性做出曲线。

    

两曲线交点即为选定的耐火和保温材料时取值的最佳点。对主要加热对象的钢材锻造加热而言,从电热效率综合考虑,建议取D1/D2=1.41.8,但取D1/D21.22.0也可以接受。直径大时取偏小值,直径小时取偏大值。如果D2过粗或太细时,有可能超出此范围。D1的最终确定应以实用为主,应考虑以下诸多因素


D1=D2+D1.1+D1.2+D1.3+D1.4+D1.5  


式中D1.1—炉料在炉中运行时必须的间隙(mm);

D1.2—炉衬耐火层的厚度(mm);

D1.3—炉衬保温层的厚度(mm);

D1.4—炉料热膨胀尺寸(mm);

D1.5—加工公差(mm)。


从以上估算中,我们知道了设备所需电源的功率和频率,也就选定了电源,我们又知道了感应线圈的规模,考虑其工作高度给出安装方式和外壳及框架对炉体的用材也基本心中有数,水冷用水量则可从表1的总效率得知炉子能耗,即需要用水带走的热量,从而也可进行初步的估算。


(4)炉子的机电成套  我国现有的一些感应电热设备主要生产厂家,均有根据用户工艺需求提供不同技术层次机电配套要求的能力。根据和用户商定的机械化、自动化要求,进行与主机连接,本身的上下料机械化和操作系统的自动化,可提出一个技术经济合理的方案,并据此精心设计和生产出物美价廉,经久耐用的产品。


几点补充意见

(1)矩形截面炉料的主要公式  第一、选频公式,第二、功率估算,第三、保证△T的最短加热时间。碳钢由常温加热至1200~1300℃时,第四、线圈尺寸的确定。线卷内腔高度D1。矩形坯料(b2/D21)加热时,料口高度对电效率影响较小,故可取D1/D2=1.253.0。炉料大和加热温度低时取偏小值;反之,则取偏大值。当然,也要经实用安排和复合方可。其余各点均同于圆柱形炉料。线卷内腔宽度b1


b2/D25b1=b2+(D1-D2)  

b2/D25b1=b2+(1.051.15)(D1-D2)  


(2)管材加热的主要公式  所谓管材,一般指外径与壁厚之比即D2/d25d2/2。第一、选频公式K2f(D2p/a2),可查相应的曲线,估算时可暂取其值K20.80.9,管材加热存在最佳频率值:第二、功率估算,其他各项可参考圆柱形炉料加热。


(3)双频加热  随着半导体变频电源的发展和完善及电能的普及,根据感应加热对磁性和非磁性材料之不同,采用双频电源对钢件从室温到锻造温度进行分段加热,得到了推广。磁性点前采用较低频率电源,过居里点后改用相对高的频率进行加热。其主要优点是:①节电。由于电源频率配置合理,电源得以充分利用,一般可节电15%~20%。②省时。单频加热时选频是以热态为准选用的,对冷态来说频率太高,加热层浅,給出单位功率相对要小,降低了加热速度,延长了加热时间;既增大能耗,又降低了生产率。③产品质量好。由于加热时间缩短,减少了能耗,也减轻了氧化,同时由于频率合理也保证了低温差,故能得到好的加热质量。


(4)快速加热(变匝距加热)  这是利用大温差时向心部传热快的道理,在保证相同温差下缩短了加热时间。


对周期式加热,横坐标可视为加热时间,对连续式和顺序式则可作为感应线圈的长度。实际上,坯料表面升至终温,占其总加热时间10%~30%(或在感应器进口端占其总长度10%~30%),这可使加热速度提高和均温时间缩短。这种加热规范被称为(冲击式)快速加热。


(5)综合能源加热  由于各地区能源条件的不同,必要时应考虑双能源综合加热。如某地区天然气丰富,且价格低廉。就可以考虑在700~800℃以下用燃气炉加热,后进入快速感应加热炉。这样既可在低温加热段氧化轻时利用廉价气源,又可在高温区时采用优质快速感应加热。在经济和技术双方面都是合理的。总之,要因地制宜,充分考虑工艺需要,设计和生产物美价廉且经济耐用的感应加热设备。


最后强调一点,虽然问题很小,却往往被一些人忽略,造成很大的错误。即在运用已有公式计算时,一定注意公式中的物理量必须用加热温度段的积分平均值,公式中的单位要弄清楚,代入正确的单位。此资料除锻造加热炉外,也适用于其他各种工艺需要的感应透热炉。


  用于锻造液压机的锻造加热炉,其炉型虽然种类很多,但大部分采用的还是台车式炉。工具操作机大多在国外大,中型锻造液压机上配备,也有一些国家在锻造液压机上配备了中,小型有轨操作机。


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国外锻造加热炉的发展

  前苏联已研制出各种快速加热炉和快速加热装置,并对少(无)氧化加热的炉型,热工制度,燃烧装置和炉子机械化,自动化及电子计算机技术等进行了大量研究,以求收到最佳的效果。80年代末期,他们用快速加热制度提高生产率达15~30,燃料消耗也有明显降低。近几年来,俄罗斯的快速加热制度又有了新的进步。快速加热炉在炉子的直接费用方面比任何一种用煤气,油,电加热的炉子都低,已成为节能和提高生产率的重要加热装置。


  日本锻造加热炉主要以火焰炉为主。其炉型有:台车炉,箱式炉,回转炉和推杆炉等。其中箱式炉约占锻造行业的80.虽然这种炉型热效率低,劳动条件和加热质量较差,但由于能适应品种变化,通用性好,设备费用低,仍能得到广泛采用。推杆炉是一种节能型炉,其中多列式推杆炉的热效率可提高30以上。日本在降低加热炉燃料消耗方面的主要措施是:1确定合理的锻造温度和加热时间,取消均热阶段。一些工厂认为,只要炉温达到了工艺要求,便可进入保温阶段,应力争压缩均热阶段或将其取消。


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  控制空气与燃料比例,控制炉压。加强余热利用,在工业炉上安装预热器,将空气预热至200~500e,达到了平均节能30的效果。采用高效炉型,加强管理,提高炉子作业率。日本的大型锻造加热炉早已实现了操作机械化和自动化,并由计算机完成复杂的热工计算。


  在遇到锻件超出炉容长度的情况时,采用炉外接长筒和炉外保护的方法。炉外接长筒若用于锻件的局部加热(筒内温度约为400~500e),筒体上可以不开设排烟孔;如需要用于长件的加热或热处理(筒内温度高于500e),则要在筒体上开设排烟口,设排烟筒,以使筒内气体能够很好地进行对流。长筒的内衬,常用不定型耐火材料做成。这种粉状的不定型耐火材料,与耐火砼相似,加水之后便易凝固。内衬里还需要有V型加强筋,类似砼结构中钢筋的作用。使用中,除筒体与炉门接头部分由于温度高易碰坏需经常修补之外,筒体内衬至少可以使用3年以上。


  日本室兰工厂液压机车间的工业炉,在80年代已装了计测与控制仪表。该厂液压机的规格与配套的加热炉的规格有的比我国小。该厂液压机车间有10,20,80,100MN液压机共4台,与其配套的加热炉15台,保温炉4台,分为两组,分别为10,20MN液压机和80,100MN液压机服务。另外该车间还设有退火炉3台,全车间共有炉子22台。


  英国谢菲尔德锻造股份有限公司登河厂的100MN液压机,配备了固定式炉和台车式炉各3台,分别布置在液压机的两侧。该厂在80年代末期对炉子进行了技术改造)))炉子采用陶瓷纤维内衬,使燃料节省了25以上。

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  英国最早研究成功快速加热技术是在1969年。英国最早研究成功快速加热技术是在1969年。英国煤气公司研究和发展部中部研究站

BritishGasCorporationResearchandDerel#PmetnDirisionMidlandsResearchStation)是高速烧嘴和快速加热技术的发源地。随后FairbankBrcarley公司购买了该研究站的生产许可证,制造了第一台快速加热装置,并安装在Woodhead公司的卷簧厂。70年代末期,在国际模锻研究会第三届年会和国际贸易会议上,英国煤气公司将快速加热技术作为一项重要的节能新技术加以介绍。


  衡量加热炉技术高低的另一项指标,就是锻件的加热单耗。工业发达国家的锻造加热炉锻件单耗一般较低。


  早在70年代,工业发达国家就有工具操作机配合锻造液压机进行锻造生产。例如,日本室兰工厂的100MN和80MN液压机分别配备了夹持重量为2.5t的工具操作机。


  日本高砂工厂的80/135MN液压机配备了荷重力矩为250kN#m的工具操作机。日本胜田工厂的60MN液压机配备了2t工具操作机。小型液压机也有配备工具操作机的,例如,日本胜田工厂7.5MN液压机和日本涉川工厂的10MN液压机也都配备了工具操作机,并且兼作装出料机。


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除配备工具操作机外,为提高生产效率,他们还采取了如下一些措施:


  (1)充分发挥液压机生产效率,尽量不占用液压机的机动台时。在日本所有的液压机车间,根据自己需要选配了能切割直径1000~3000mm的大截面气割装置,以便切除钢锭冒口和锻件料头,节省液压机的机动台时。

  (2)在液压机车间,设有各种规格的吊钳,方便锻件,钢锭,毛坯的起吊和运输。吊钳规格一般为3~430t.

  (3)专用工装多。如有专门锻大筒体锻件的三点砧,锻工作辊的圆弧砧,锻护环的换向砧,锻大型圈子的体外锻造装置和各种规格的压实砧子等。还有一种工具具有多种用途,如<1500mm马杠,既可扩孔,又可用来拔长,还能当套筒使用。

  (4)在中小型液压机旁设有清除锻件表面缺陷的机械手。机械手的技术规格根据锻件需要确定。

  (5)加强生产管理,严格执行锻造工艺规程,不断地提高工人技术水平,使多数工人掌握多种技能,便于调整工作。例如,日本室兰工厂液压机车间多数工人都有3个以上工种操作证,从而使劳动力得到合理利用。

  (6)压缩液压机停机维修时间([2周/年),日常维修大都是不停机分段进行。


  此外,国外液压机也使用一些有轨操作机配套。


国内锻造加热炉的发展

  我国机械工业的锻造能力已具备一定规模,年产量仅低于日本,美国,俄罗斯,居世界第四位,并能锻造重达260t的大钢锭。但在锻造加热炉的热效率,加热炉的维修技术及锻件能耗方面,与工业发达国家相比仍有一定差距。


  第二重型机械集团公司的液压机车间曾锻造过260t的大钢锭,具有一定的代表性。该液压机车间装有一台120MN液压机,与其配套的锻造加热炉有6台。其中:5m@13m台车式加热炉2台,每台最大装载量600t,最高炉温1350e;4m@36m台车式热处理炉一台,最大装载量300~500t,最高炉温1000e.此外,该车间还有31.5MN液压机一台,锻造最大钢锭50t.与其配套的锻造加热炉有4台,6锻压机械3/2000其中:4m@10.2m台车式加热炉2台,每台最大装载量230t,最高炉温1260e.近40年来,第二重型机械集团公司对加热炉进行了较大的改造。例如,局部结构采用了全纤维粘贴大板块结构;应用了高速烧咀,平焰烧咀;改进了炉门结构等,从而提高了生产水平。


  第一重型机械集团公司的万吨液压机及其配套锻造加热炉基本与二重相似。而上海重型机器厂与万吨液压机相配套的锻造加热炉规格略小一些。


  当前,各企业锻造加热炉发展的重点是提高生产力,提高产品质量及降低能耗。主要措施是:采用全纤维粘贴大板块炉壁结构,高速调温自控烧咀,炉压自动控制,炉门自动压紧,分段活动炉体,炉车电动自行和计算机控温等等。


  炉门自动压紧,可以防止火焰外冒,热量外逸,缩短升温时间,增强保温效果。炉内壁装设陶瓷纤维,所需费用与装设耐火材料相当,但隔热保温效果要好得多。国产锻件能耗与国外工业发达国家相比,仍有一定差距。单耗平均为1000~1200kg标煤/t,最好为600~700kg标煤/t;而日本室兰工厂为270kg标煤/t.


我国锻造加热炉的发展方向

  为提高我国锻造加热炉的生产能力和产品质量,今后应在以下几个方面采取措施:

  

  (1)应加强能源管理,认真执行加热炉能源管理体系,加强锻造加热炉的生产调度,合理安排待烧锻件,使加热炉正常有负荷运行。

  (2)为满足液压机配套要求,应适当增强锻造加热炉的技术装备,避免用中小型炉子加热大工件。

  对超过炉容的加热件,可采用国外(日本室兰工厂)已成熟的炉外接长筒,改装高度等方法解决。

  (3)认真搞好炉子的技术改造,合理选择炉型和烧咀,充分利用余热,实现仪表控制等。

  (4)采用新型炉衬材料,是提高生产力和节约能源的重要措施。国内已采用的粘土浇注料,耐火材料,捣打料,涂抹料等,已取得很大成效。例如,粘土结合浇注料用于冶金轧钢加热炉和均热炉,公认为是长寿节约型炉衬材料;耐火塑料包扎加热炉水冷管,也在全国范围内推广,收到了良好的节能效果。

  (5)根据国内外经验,制订出改进锻造加热炉的计划,定期检查计划实施情况,尽快把各企业炉子的生产,质量赶上去。


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关键词:中频炉,透热炉,熔炼炉

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