大直徑銅合金感應加熱方案

大直徑銅合金感應加熱方案

文/聞國民，高旭，魏軍偉·河南江河機械有限責任公司

目前銅加工行業(yè)發(fā)展迅速，而熱擠壓與連續(xù)擠壓都是銅材產(chǎn)品生產(chǎn)過程中所采用的工藝，但熱擠壓成形的產(chǎn)品在某些性能上優(yōu)于連續(xù)擠壓成形的產(chǎn)品。熱擠壓工藝是根據(jù)產(chǎn)品要求，先將一定長度的銅鑄錠加熱到工藝溫度進行擠壓成形，因此，對銅鑄錠的加熱就成了擠壓工序的主要環(huán)節(jié)。銅鑄錠加熱溫度的高低對產(chǎn)品、設備和模具的影響不同。如果銅鑄錠加熱的溫度高，材料在模具內(nèi)的流動速度快，對擠壓設備來說運行比較輕松，對設備有利，但是擠壓的產(chǎn)品收縮比大，容易引起產(chǎn)品出現(xiàn)裂紋，產(chǎn)品尺寸不易保證；如果銅鑄錠加熱溫度低，擠壓設備工作費力，影響設備的使用壽命，同時模具的磨損較快；如果銅鑄錠內(nèi)外溫差太大，產(chǎn)品的性能不均勻，影響產(chǎn)品質量。所以，選擇適當?shù)募訜岱椒ūＷC銅鑄錠溫度的均勻性，有利于產(chǎn)品性能的保證和設備的正常運行。

感應加熱分析

感應加熱的原理大家都知道，就是利用感應電流在工件表面一定深度內(nèi)先產(chǎn)生溫度，再通過傳導的方法向中心傳熱，最后使鑄錠內(nèi)外溫度達到加工的工藝溫度。感應電流在工件內(nèi)形成的深度通常就叫“感應電流透入深度”，感應電流透入深度Δ與頻率f的關系可用式（1）表示為：

式中ρ——導體的電阻率，Ω·cm；

μ——導體的相對導磁率，對于非導磁材料μ＝1；

f ——電源頻率，Hz。

頻率選定后，感應電流透入深度產(chǎn)生的溫度層就確定了，同樣的溫度層，對于小直徑鑄錠來說，短時間內(nèi)中心溫度就能靠傳導達到工藝溫度，生產(chǎn)效率高。但直徑大的鑄錠，靠表面溫度的傳導使中心溫度達到工藝溫度的時間較長，就需要延長加熱時間。而加熱時間的延長一方面會使表面的氧化現(xiàn)象加重，產(chǎn)生的氧化皮容易在擠壓過程中夾入產(chǎn)品中造成廢品；另一方面相對銅合金（黃銅）產(chǎn)品，由于含有不同的成分，其熔點差異較大，特別是對于含有鉛、鋅、錫的銅合金材質，表面長時間的高溫，超過一定時間就會出現(xiàn)鉛、鋅或錫的析出，出現(xiàn)局部過燒的現(xiàn)象，如果進出料不及時，將產(chǎn)生表面熔化造成設備無法正常工作。頻率高，感應電流透入深度產(chǎn)生的溫度層淺，一般來說表面升溫速度快，如果熱量來不及向中心傳導，就會造成表面熔化。

設計的同一套感應器，加熱的材質不同，其加熱效果也不同，以加熱棒料為鋼材與銅材相比，鋼材是導磁材料，加熱設備的設計與調試成功率較高，但對加熱銅材來說，往往需要通過多次的調試才能滿足加熱工藝參數(shù)的要求。特別是對直徑較大的銅鑄錠加熱，計算參數(shù)更是難以確定。

當前，隨著市場的需求，生產(chǎn)能力都在不斷擴大，擠壓設備的擠壓力也在不斷增加，所加熱的鑄錠直徑和長度同樣也在逐漸加大。同一臺擠壓設備，為了滿足市場需要，一般都是多品種生產(chǎn)，鑄錠的直徑與長度規(guī)格也較多，為了提高加熱效率，感應線圈內(nèi)徑與鑄錠直徑的間隙就應盡可能減小。所以，對不同規(guī)格直徑的鑄錠，最好設計制造相對應的感應裝置，變換產(chǎn)品時，只要更換對應規(guī)格鑄錠的感應裝置就行。

以河南江河機械有限責任公司（下文簡稱江河機械）的生產(chǎn)情況來說，加熱的鑄錠直徑已由原來的φ120mm、φ150mm、φ170mm，依次增大到現(xiàn)在的φ260mm、φ300mm、φ350mm、φ400mm，鑄錠長度也由原來的200mm增加到現(xiàn)在的700mm，不同的直徑與長度又有許多規(guī)格，材質有紫銅和各種銅合金。生產(chǎn)過程中，可隨時根據(jù)市場產(chǎn)品的需要，更換對應的感應器。

感應加熱方案

江河機械公司的銅產(chǎn)品生產(chǎn)中，多個工序都需要使用感應加熱，從工頻、中頻和高頻都有對應的不同設備，由于產(chǎn)品種類多、形狀各異，所以感應裝置就需要根據(jù)情況設計制造。根據(jù)多年的使用情況，針對熱擠壓前對直徑大于250mm銅鑄錠的感應器設計，尤其是涉及銅合金鑄錠的感應加熱，提供以下方案供參考。

頻率的選擇

保證鑄錠徑向在一定溫差范圍條件下，頻率的選擇應能使加熱時間越短越好，即可提高生產(chǎn)效率，又能減少氧化層的產(chǎn)生。降低頻率，能加深感應電流產(chǎn)生的溫度層，利于在短時間內(nèi)鑄錠中心達到工藝溫度。但隨著頻率的降低，感應電流的有效深度不是成比例增加，同時，過低的頻率會造成加熱效率下降。因此，為了增加感應電流透入深度過低而降低頻率，并不能顯現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，使用較低的頻率需要頻率變換的設備，增加了設備的復雜程度。提高頻率，感應電流透入層淺，表面溫度上升的較快，電效率在一定程度上有所提高，但相同時間內(nèi)徑向溫度的溫差較大。

經(jīng)過多年的使用，直徑大于200mm的鑄錠都可以采用工頻50Hz的頻率，工頻產(chǎn)生的感應電流透入深度產(chǎn)生的溫度層已完全能滿足工藝要求。

感應器線圈的設計

繞制線圈用的銅管常用的截面形狀有矩形和異形。從理論上講，為了使線圈的電流密度分布合理，減小集膚效應產(chǎn)生的功率損失，銅管應做成內(nèi)側較厚的截面。但在實際使用中，只要截面能夠保證，采用矩形截面銅管繞制的線圈完全能滿足使用要求，并且銅管制作簡單，線圈繞制方便。

加熱鑄錠大于250mm以上的感應器，考慮到最大的生產(chǎn)效率，設計功率一般需要超過500kW。所以，制作感應器線圈的銅管壁厚5mm就能滿足使用。線圈最好密繞，匝間墊3～5mm絕緣層，用玻璃絲帶包裹，再刷絕緣漆烘干?？紤]到冷卻的效果，每組線圈的展開長度在25m以內(nèi)較好。

當感應器設計為單相工作時，為了使電網(wǎng)平衡，就要采用有平衡電抗器和平衡電容器三相平衡的方式供電。這種方式適用于只對應一種產(chǎn)品規(guī)格的感應器加熱。如果加熱不同的鑄錠，需要更換感應器時，對應的電抗器和電容器都要調整，由于電抗器固定較牢固，調整拆卸難度較大，導磁塊之間的間隙很難調整到最佳效果，即便是有抽頭，也不能達到理想的匹配參數(shù)。

如果將感應器設計為三相工作，更換不同直徑規(guī)格的感應器時，由于沒有平衡電抗器和平衡電容器，只有功率因數(shù)補償?shù)碾娙荩?，匹配調整方便可靠，系統(tǒng)簡單接線方便。這也是感應器線圈設計為三相工作的原因。

感應器整體設計為三相工作時，為了加大感應器輸入電壓的調整范圍，結合多年的設計應用情況，每相線圈均設計為雙層布局，第一可以使感應器運行平穩(wěn)，第二可以提高鑄錠溫度的均勻性。

供電電源的選用

感應加熱使用的電源電壓必須可調，通常有兩種調壓方法：

⑴加到感應器的電壓是可調的，采用調壓器供電。

⑵感應器線圈帶抽頭，調節(jié)匝數(shù)的多少。考慮到工作的連續(xù)性，電壓的調整通常是帶負載調整，這就要求調整結構方便可靠、運行穩(wěn)定。

江河機械公司不同感應加熱設備使用的調壓器有三種，即動圈式調壓器、專用的自耦調壓器和磁飽和調壓器。在使用過程中，雖然都能保證生產(chǎn)的進行，但相比之下，動圈式調壓器與專用的自耦調壓器，存在有驅動裝置對應的運動部件，結構復雜維修工作量大，調壓時有一定的波動。所以，對鑄錠直徑大于200mm的感應器，均采用了磁飽和調壓器進行調壓。

磁飽和調壓器分為單相與三相結構，工作原理是改變控制繞組中的直流電流值，改變相應鐵芯的磁飽和程度，使對應鐵芯的導磁率改變，從而改變輸出電壓。由于感應器的功率較大，采用三相調壓器時體積相應也大，不但運輸?shù)跹b困難，而且使用中調試維修比單相要復雜。所以，采用三臺單相磁飽和調壓器，按要求組成三相電源供電，結構簡單，操作方便，工作可靠，調壓穩(wěn)定，可實現(xiàn)帶負載無級調壓，通過江河機械公司多年的使用，幾乎無需維修。

整體布局

三臺單相磁飽和調壓器組成三相工作電源，并排安裝在工房外；補償電容柜設為多組，每組采用手動開關完成補償?shù)母鼡Q操作，更換對應的感應器時根據(jù)補償情況進行增減，由于電容補償只有在更換不同感應器時才對功率因數(shù)進行調整，操作次數(shù)較少，所以不必要采用自動補償?shù)慕Y構，整套補償電容安裝在感應器附近；感應器根據(jù)產(chǎn)品需要，按不同直徑鑄錠的尺寸設計為多套，便于根據(jù)產(chǎn)品不同進行更換；電源進線引到補償電容柜，電容柜到感應器的連接最好采用大截面通水電纜，一是能降低環(huán)路電流產(chǎn)生的熱量，二是更換感應器時主線路拆裝連接方便。