線材中頻感應(yīng)線圈的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究

黃化偉

摘 要：文章以寶鋼集團(tuán)特鋼公司長材事業(yè)部線材分廠——中頻感應(yīng)線圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案項目為研究背景，結(jié)合進(jìn)口感應(yīng)線圈與國產(chǎn)感應(yīng)線圈在現(xiàn)場使用中出現(xiàn)的問題及設(shè)計上的缺陷，文章重點將對線圈的水路、磁場屏蔽、耐熱性、絕緣性及對水路的流量、溫度監(jiān)測進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，從而解決使用中頻繁出現(xiàn)的電拉弧現(xiàn)象、漏水問題、過熱問題，提高線圈工作的可靠性。

關(guān)鍵詞：感應(yīng)加熱技術(shù)；感應(yīng)加熱控制系統(tǒng)；感應(yīng)加熱線圈

1 概述

這是一條不銹鋼長型材生產(chǎn)線。在中軋機(jī)組前的在線電感應(yīng)加熱爐為引進(jìn)意大利ELIND公司產(chǎn)品，是生產(chǎn)不銹鋼等高附加值產(chǎn)品的必需裝置。做為感應(yīng)加熱爐關(guān)鍵設(shè)備之一的感應(yīng)加熱線圈，其性能的好壞直接影響設(shè)備的功效，以致產(chǎn)品的質(zhì)量。而原感應(yīng)加熱線圈從2003年底投入使用以來，陸續(xù)出現(xiàn)了外殼變形、漏水等現(xiàn)象，影響了生產(chǎn)的正常進(jìn)行。隨后采購的進(jìn)口線圈和國產(chǎn)線圈，也都出現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。為了解決這些實際故障，我們對感應(yīng)加熱線圈進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高了感應(yīng)加熱線圈性能和使用壽命，以滿足現(xiàn)場生產(chǎn)的實際需要。

2 感應(yīng)加熱線圈的工作原理

感應(yīng)加熱的原理圖如圖1所示。線圈在控制器的控制下，產(chǎn)生頻率和幅值均可控的交變電流；該交變電流在線圈中產(chǎn)生一個交變的磁場，其瞬時強(qiáng)度和方向服從“畢奧-薩伐爾-拉普拉斯”定律；處于交變磁場中的導(dǎo)磁材料內(nèi)部由于電磁感應(yīng)作用會發(fā)熱，其發(fā)熱機(jī)理主要是渦流在金屬內(nèi)部做功，使金屬溫度不斷升高；其次是磁疇翻轉(zhuǎn)的摩擦熱。顯而易見，產(chǎn)生交變磁場的交變電流強(qiáng)度越大，產(chǎn)生的磁場感應(yīng)也越大，金屬升溫也就越快。（以下感應(yīng)加熱線圈簡稱感應(yīng)線圈）

3 系統(tǒng)中感應(yīng)線圈功能設(shè)計要求

3.1 感應(yīng)線圈所在中頻系統(tǒng)的應(yīng)用概述

3.1.1 本系統(tǒng)采用兩套DANIELI中頻電源。每套中頻電源的負(fù)載為二個感應(yīng)線圈（感應(yīng)線圈最大外徑為？準(zhǔn)84），兩個感應(yīng)線圈串聯(lián)使用，使用中將這兩個感應(yīng)線圈分為一組。

3.1.2 為了盡可能消除感應(yīng)電勢對傳送輥道等的影響，每組中二個感應(yīng)線圈的繞向要相反，如N.1線圈正向繞制，則N.2線圈就必須反向。

二組感應(yīng)線圈安裝關(guān)系如圖2所示：

3.1.3 中頻系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

M.F.（中頻）額定功率：1200KW；工作頻率：800HZ；M.F.銘牌額定電壓：1200V。

3.2 感應(yīng)線圈冷卻水技術(shù)參數(shù)

目測清潔，無雜質(zhì)，不含沉淀物。冷卻水功率1040kCal/h，流速1740L/min，壓力漏泄4bar，最大散熱值10℃。工業(yè)水的最佳冷卻狀態(tài)：電導(dǎo)率<4μS/cm。工業(yè)水的硬度大于30°dF。

4 感應(yīng)線圈改進(jìn)的設(shè)計方案

總結(jié)進(jìn)口與國產(chǎn)感應(yīng)線圈現(xiàn)場出現(xiàn)的問題及設(shè)計上的缺陷，作者針對線圈的水路、磁場屏蔽、耐熱性、絕緣性及對水路的流量、溫度監(jiān)測進(jìn)行了一些設(shè)計和改進(jìn)，從而解決漏水、過熱問題，提高線圈工作的可靠性。優(yōu)化后的感應(yīng)線圈從根本上解決了目前我們在現(xiàn)場遇到的問題，且提升了其本身的加熱能力。其改進(jìn)后的設(shè)計特點如下。

4.1 改善水冷系統(tǒng)

為了使感應(yīng)線圈安全可靠運(yùn)行，故應(yīng)對冷卻水的集水和回水進(jìn)行改造。冷卻水是影響感應(yīng)線圈可靠性的一個關(guān)鍵因數(shù)，為了保證感應(yīng)線圈的冷卻要求，原進(jìn)口感應(yīng)線圈的冷卻水路設(shè)計如圖3所示。共七路冷卻水，其集水器內(nèi)徑為30mm，截面積為706.5mm2。

同時將進(jìn)出水集水器改為內(nèi)徑48的不銹鋼管，截面積為1808.64mm2。比原進(jìn)口集水器的截面積增大2.5倍左右。這樣就可增加水流量，增大冷卻能力。

4.2 增加隔熱防護(hù)層

為了防止感應(yīng)線圈熱燒壞，在感應(yīng)線圈與磁套間墊一層耐高溫隔熱層。此外還增加了二次隔熱層原進(jìn)口感應(yīng)線圈爐襯直徑稍大，導(dǎo)致內(nèi)填隔熱材料太薄。此設(shè)計是為了防止鋼管由于傳熱導(dǎo)致感應(yīng)線圈燒壞，而且除了在磁管爐襯和線圈間增加5mm的石棉隔熱層（見圖4），還可以降低熱輻射對感應(yīng)線圈的影響。

感應(yīng)線圈的隔熱防護(hù)：爐口傳輸?shù)募訜徜摴軠囟瓤蛇_(dá)到1100℃，而爐口銅板的熔化溫度為1080℃，因此，還必須盡可能地對隔磁板進(jìn)行抗熱輻射防護(hù)。為了降低隔磁板的受熱輻射，對隔離板的端口采用一定的耐高溫打結(jié)料進(jìn)行固定和防護(hù)。

4.3 絕緣底腳

為了防止底座固定槽鋼回路形成渦流，將槽鋼與底座用絕緣板隔開，切斷回路。原進(jìn)口感應(yīng)線圈的固定底角采用整體角鋼，導(dǎo)致固定角鋼與安裝底板形成渦流，拉弧導(dǎo)致固定螺絲與槽鋼發(fā)熱、熔化現(xiàn)象出現(xiàn)。為了防止以上情況出現(xiàn)，將感應(yīng)線圈的安裝底角采用分段角鋼，這樣就可以切斷磁場，大大減小渦流的產(chǎn)生。

4.4 為了減小熱輻射對隔磁板影響，對隔磁板采取熱輻射防護(hù)措施

原感應(yīng)線圈中無底部防磁板，為了防止底部發(fā)熱，在感應(yīng)線圈的底部適當(dāng)增加底部隔磁板；為了防止底部隔磁板發(fā)熱，該隔磁板采用水冷方式冷卻。

4.5 為了減小渦流對隔磁板影響，對隔磁板采取分塊布置和冷卻措施

因為原隔磁冷卻銅板整塊面積較大，接近于一個整體結(jié)構(gòu)，為磁場在銅板中形成渦流提供了條件，使銅板發(fā)熱嚴(yán)重。為了降低銅板中形成的渦流，將隔磁銅板的外形改為分塊布置，這樣就可切斷感應(yīng)線圈爐口處的感應(yīng)回路，有效的降低感應(yīng)渦流，防止感應(yīng)發(fā)熱。

除了冷卻銅板分塊式布置外，原隔磁銅板的冷卻能力比較差，在爐口處局部并未布置冷卻水管，這樣很容易引起局部過燒將隔磁銅板燒壞。因此，在靠近爐口的隔磁銅板上配置冷卻水管，并增加冷卻水路，保證爐口溫度遠(yuǎn)低于原爐口溫度。這樣可有效得防止局部過燒。

4.6 加強(qiáng)了感應(yīng)線圈的絕緣性能

在制作成形的感應(yīng)線圈上，先在感應(yīng)線圈表面浸涂紅色耐高溫絕緣漆（至少3道次），包2/3疊包玻璃絲布一層，浸涂紅色耐高溫絕緣漆烘干，再重復(fù)包一遍，然后包2/3疊包有機(jī)硅玻璃云母帶一層，浸涂紅色耐高溫絕緣漆烘干，再重復(fù)包一遍，2/3疊包玻璃絲布一層，涂耐高溫絕緣漆烘干。支撐螺栓孔內(nèi)用737硅膠填充，已達(dá)絕要求。爐子表面按進(jìn)口方式噴涂棗紅色漆，底座進(jìn)行電鍍處理。

4.7 感應(yīng)線圈冷水溫度檢測

考慮到原感應(yīng)線圈沒設(shè)計線圈的溫度檢測單元，難以監(jiān)測水路溫度并間接反映線圈的受熱情況。因此，在每臺感應(yīng)線圈的回水集水器上增加熱敏測溫片，用于監(jiān)測回水水溫，此測溫結(jié)果不參與控制，僅做報警。

4.8 感應(yīng)線圈固定拉桿支撐

原進(jìn)口感應(yīng)線圈無固定拉桿，當(dāng)感應(yīng)器工作時，容易發(fā)生振動，如果感應(yīng)線圈出現(xiàn)過燒容易發(fā)生變形。所以，在此次設(shè)計改進(jìn)中將感應(yīng)線圈的外圈加了3根固定拉桿，既可保證線圈的均勻匝間距，防止線圈加熱時產(chǎn)生的振動現(xiàn)象，也可防止線圈過燒變形的產(chǎn)生，以保證加熱的均勻性。圖5為原進(jìn)口感應(yīng)線圈（右）與優(yōu)化后的感應(yīng)線圈（左）比對。

5 結(jié)論與展望

由于感應(yīng)熱處理是通過電磁波來傳播能量，在導(dǎo)體中電磁波的能量轉(zhuǎn)化為熱能，電磁波的分布、強(qiáng)弱就直接影響到熱處理質(zhì)量。由上述結(jié)果，感應(yīng)線圈的設(shè)計與選擇對提高效率改進(jìn)熱處理質(zhì)量是至關(guān)重要的。而作者現(xiàn)階段對于感應(yīng)加熱的研究還不是很深入，再加上時間有限，知識有限，文章難免存在不足。

（1）文章對感應(yīng)線圈的研究只局限于中頻狀態(tài)下，而感應(yīng)加熱電源部分還只是停留在理論階段，并沒有結(jié)合感應(yīng)線圈的現(xiàn)場實際情況進(jìn)行優(yōu)化，這都需要進(jìn)一步的鉆研和實踐驗證；（2）文章對感應(yīng)線圈的優(yōu)化改進(jìn)，也許不是最好的方法，需要在進(jìn)行深入的研究。

綜上所述，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，感應(yīng)線圈的硬件水平也會得到極大的提高，其性能也會得到改善，這樣感應(yīng)加熱技術(shù)將會有更好的發(fā)展前景與市場價值。

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