鋁合金鑄錠擠壓前預(yù)熱技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步——永磁加熱器的特點及應(yīng)用

劉靜安，劉佩成，王益龍

(1.重慶西南鋁業(yè)集團(tuán)有限公司，重慶401326;2.上海銳漫能源科技有限公司，上海201100)

1 擠壓前鋁鑄錠加熱技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

鑄錠在擠壓前加熱是鋁合金擠壓過程中的一道重要工序。合理的加熱過程，對擠壓過程的能耗、環(huán)保、生產(chǎn)效率與成本及產(chǎn)品質(zhì)量、成品率等都有很大影響。目前，國內(nèi)常用的鋁鑄錠加熱方式主要有:①煤爐加熱;②油爐重油、柴油等加熱;③煤氣爐加熱;④天然氣爐加熱;⑤電阻爐加熱;⑥電感應(yīng)爐加熱等。其中煤爐加熱法①已基本被淘汰，②、③、④三種加熱方式又分為短棒和長棒+熱剪加熱方式以及單爐膛或雙爐膛加熱方式。從整體上看，②、③兩種加熱方式因環(huán)境污染、熱效率不高、生產(chǎn)效率低及對產(chǎn)品質(zhì)量有不良影響等原因，應(yīng)用范圍越來越窄。而第④種加熱方式，即單膛式雙膛式長棒+熱剪天然氣加熱在6063民用建筑型材生產(chǎn)中仍獲得廣泛應(yīng)用，特別是在3000t以下的中小擠壓機(jī)生產(chǎn)線上尤為多見。而在3600t以上的擠壓生產(chǎn)線上，重要的工業(yè)材以及2×××、5×××、7×××系等航空軍工材、結(jié)構(gòu)材上，多采用短棒電感應(yīng)加熱方式⑥或電阻加熱方式⑤。第⑤、⑥兩種加熱方式對產(chǎn)品質(zhì)量有良好的作用，熱效率和生產(chǎn)效率也較高，但耗電(能耗)較大，影響其推廣使用，僅在大型擠壓機(jī)生產(chǎn)線上及對產(chǎn)品質(zhì)量有嚴(yán)格要求情況下使用。近幾年來，由芬蘭物理學(xué)家 Pekka Suominen博士發(fā)明，并在歐洲、美國、中國、俄羅斯、日本、印度等國獲得專利的永磁(磁感應(yīng))加熱技術(shù)，因具有節(jié)能、環(huán)保、熱效率和生產(chǎn)效率高且產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良等優(yōu)點，特別適用于各種鋁合金、各種規(guī)格鋁鑄錠的加熱，已在國外得到推廣使用，并正處于國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段，具有巨大的推廣應(yīng)用價值。

2 永磁感應(yīng)加熱器加熱技術(shù)的原理及特點

傳統(tǒng)感應(yīng)加熱爐利用銅感應(yīng)線圈來包圍鋁錠，當(dāng)交變電流施加到感應(yīng)線圈上時，在線圈包圍的空間內(nèi)產(chǎn)生交變磁場;交變磁場在主頻率下脈動，在鋁錠內(nèi)部感應(yīng)出渦電流，鋁錠也因此得以加熱。然而，由于感應(yīng)線圈有不可忽略的電阻，當(dāng)通過強(qiáng)電流時，損失在線圈上的熱量相當(dāng)可觀。而且，這些在線圈上產(chǎn)生的熱量必須使用大量的冷卻水來對線圈進(jìn)行冷卻。這樣的先天缺陷使得傳統(tǒng)感應(yīng)加熱爐的能源利用率相當(dāng)?shù)?，只?0% ～60%。

芬蘭Effmag永磁加熱器基于同樣的電磁感應(yīng)原理對鋁錠進(jìn)行加熱。不同的是，Effmag永磁加熱器使用飛輪，在飛輪上嵌入永磁體。當(dāng)加熱器工作時，兩臺高性能永磁同步電機(jī)由西門子PLCS7 300控制，在變頻器的驅(qū)動下帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)。嵌入到飛輪中的永磁體隨之產(chǎn)生復(fù)雜的交變磁場，這樣的磁場在鋁錠內(nèi)感應(yīng)出渦電流來加熱鋁鑄錠。

由于該技術(shù)的本質(zhì)特點，Effmag永磁加熱器無需配備冷卻水系統(tǒng)，也不需要添加輔助電源系統(tǒng)。

基于廣泛的測試與應(yīng)用，Effmag永磁加熱器的能效范圍為76% ～81%，這個數(shù)字包括所有外圍系統(tǒng)的能源消耗(可參考應(yīng)用實例)。測試數(shù)據(jù)顯示，Effmag永磁加熱器在鋁錠內(nèi)部產(chǎn)生非常均勻的溫度，軸向溫度精度±5℃。

3 鋁錠永磁加熱器主要組成及技術(shù)參數(shù)和加熱性能

3.1 加熱器主要組成

·兩個高效永磁同步電機(jī)，各120kW峰值功率

·兩個碳纖維復(fù)合材料飛輪嵌入永久磁體

·兩個高性能變頻驅(qū)動器

· 西門子PLC，Simatic S7-300

·鋁錠傳送帶，2KW伺服電機(jī)驅(qū)動

·鋁錠料盤

·電氣柜

·電力電纜

·潤滑冷卻系統(tǒng)

·機(jī)體結(jié)構(gòu)

·上下料系統(tǒng)(附加設(shè)備，需根據(jù)生產(chǎn)線實際配置進(jìn)行定制)

·安全防護(hù)圍欄(附加設(shè)備，可根據(jù)生產(chǎn)進(jìn)行配置安裝)

3.2 加熱器主要技術(shù)參數(shù)及加熱性能

·加熱器尺寸(不含電氣柜、龍門吊及防護(hù)圍欄):長500cm×寬210cm×高153cm

·重量:3500kg

·電源要求:380～500V AC±10%(47～63Hz)，3 ×210 A

·適用的鋁錠:所有鋁合金

·適合的鋁錠尺寸規(guī)格:

直徑:127～228mm。加熱器為一種特定直徑的鋁錠固定裝置，如需加熱不同直徑的鋁錠，需做調(diào)整;

長度:500～1250mm。長度不在范圍內(nèi)的鋁錠如需加熱，需要另外定制鋁錠操縱系統(tǒng);

·軸向梯度能力:100℃/m

·溫度精度(加熱后60s測量):軸向±5℃

·能效:＞75%

·加熱器加熱性能(表1)。

表1 各種規(guī)格6063合金錠在240kW Effmag加熱器上的測試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of 6063 alloy billet in various specification with 240kW Effmag heater

4 鋁錠永磁感應(yīng)加熱器加熱技術(shù)的特性與優(yōu)點

對于 Φ150～Φ200mm ×500～1250mm(以Φ203mm×1000mm的鑄錠為例)鋁合金鑄錠，采用永磁(磁感應(yīng))加熱方式具有如下特性和優(yōu)點:

(1)精確控制鋁錠均勻，提高了擠壓速度和生產(chǎn)效率，同時操作方便靈活，加熱效率提高，如Φ203mm×1000mm 6063鋁合金鑄錠，從20℃加熱至500℃僅需要4～5min，長度溫差可達(dá)到±5℃。且通過梯度加熱，可減少加熱時間，更快更靈活地實現(xiàn)生產(chǎn)操作，使生產(chǎn)效率提高20%左右;

(2)卓越的節(jié)能效果。較傳統(tǒng)加熱方式，EFFMAGTM加熱的電能利用率可提高50%以上;與電感應(yīng)加熱相比，可節(jié)電 80%左右。如 Φ203mm×1000mm鋁合金鑄錠，用電感應(yīng)加熱爐的電功率最小為500kW，而用EFFMAGTM法，僅需240kW;

(3)清潔、衛(wèi)生，沒有排放、噪音和污染，可實現(xiàn)環(huán)保生產(chǎn)。結(jié)構(gòu)簡單，沒有額外的冷卻系統(tǒng)和復(fù)雜的電力供應(yīng)系統(tǒng)，安裝、維護(hù)和操作簡便;

(4)應(yīng)用范圍廣。永磁(磁感應(yīng))加熱方式不僅可適用于鋁合金鑄錠加熱，而且可擴(kuò)大到其它有色合金鑄錠的加熱;

(5)運營成本(綜合成本)低，投資回收快。EFFMAGTM永磁加熱器一次性投資成本雖然較高，但與傳統(tǒng)加熱方式相比，可降低加熱成本約50%。加之高能效且能耗大大降低，以及高的生產(chǎn)效率與成品率，延長了模具壽命，便于生產(chǎn)管理，節(jié)省勞動量等，使其綜合使用成本大大降低，如大批量使用，效果更加明顯。

5 加熱器使用環(huán)境(含預(yù)熱爐)

·用現(xiàn)有感應(yīng)爐或燃?xì)鉅t做預(yù)熱，然后使用Effmag永磁加熱器進(jìn)行梯度加熱時，加熱器可達(dá)到更高的產(chǎn)能。如長700mm、直徑203mm的6063鋁錠，預(yù)熱溫度為300℃時，永磁加熱器可做出490～440℃的溫度梯度，產(chǎn)量27支/h(1681kg/h)，用電64kWh/t鋁;預(yù)熱溫度為350℃時，永磁加熱器可做出490～440℃的溫度梯度，產(chǎn)量37支/h(2242kg/h)，用電45.1kWht鋁;

·環(huán)境溫度:10～50℃

·占地面積(含加熱器、電氣柜、上下料系統(tǒng)及防護(hù)圍欄):6400mm(長)、2100mm(寬)、1500mm(高)(圖1)。

圖1 Effmag永磁加熱器平面圖Fig.1 Effmag heater layout plan

6 實際應(yīng)用與測試實例

鋁錠永磁感應(yīng)加熱器加熱技術(shù)的實際應(yīng)用與測試實例由芬蘭與國內(nèi)合作制造。上海銳漫能源科技有限公司安裝調(diào)試的多臺EFFMAGTM永磁感應(yīng)加熱器在LPSK鋁業(yè)、興發(fā)鋁業(yè)、捷安特輕合金等公司，在2500t擠壓機(jī)、直徑210mm的擠壓筒上，用Φ203mm×1000mm鑄錠，分別對6063、6061、7050等鋁合金擠壓前預(yù)熱進(jìn)行了生產(chǎn)實踐試驗，并測試了有關(guān)參數(shù)，見表2和圖2、圖3。

表2 Φ203mm×1000mm 6061鋁合金錠加熱測試數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of heatingΦ203mm ×1000mm 6061 alloy billet

2 Φ203mm×1000mm 6061合金鑄錠的軸向溫度曲線Fig.2 Axial temperature profile ofΦ203mm×1000mm 6061 alloy billet

3 Φ203mm×1000mm 7050合金鑄錠的軸向溫度曲線Fig.3 Axial temperature profile of Φ203mm × 1000mm 7050 alloy billet

7 小結(jié)

鋁合金鑄錠擠壓前的預(yù)熱是一道十分重要的工序，對產(chǎn)品組織性能、生產(chǎn)效率和成本都有重大影響。EFFMAGTM永磁感應(yīng)加熱器具有一系列優(yōu)越特性，是一種節(jié)能環(huán)保、高效益的加熱方法，值得推廣。

(感謝芬蘭Pekka Suominen博士的指導(dǎo)，上海銳漫能源科技有限公司以及國內(nèi)多家鋁擠壓企業(yè)為本文提供試驗條件與測試測驗數(shù)據(jù)。)