電磁感應加熱技術及其在QP鋼生產線的應用

楊 勇,丁 洋,田茂飛,許秀飛,2

(1.中冶賽迪集團有限公司,重慶 401122; 2.重慶市許秀飛專家工作室,重慶 401122)

電磁感應加熱不但具有加熱速度快、溫度控制方便、設備占地面積小等一系列優(yōu)點,而且具有能耗低、碳排放低等優(yōu)越性,對實現“雙碳”目標有著積極的意義,很有研究的必要。

1 電磁感應加熱的原理

1.1 電磁感應加熱的分類

電磁感應加熱根據磁力線方向與帶鋼長度方向的關系分為縱磁加熱和橫磁加熱兩種[1]。

圖1所示是目前比較常見的縱磁加熱的原理,帶鋼從線圈的中間通過,線圈形成的磁力線與帶鋼長度方向平行,或者說是從縱向穿過帶鋼橫截面的。

如圖2所示,橫磁加熱至少有兩個線圈,分別布置于帶鋼的兩個表面,而且與所通交流電的瞬時方向一致,兩個線圈所產生的磁力線相互疊加,垂直于帶鋼的表面,或者說是橫向穿過帶鋼豎截面的。

圖2 橫磁加熱原理

1.2 縱磁加熱的特點及用途

縱磁加熱感應器是由一個或幾個封閉式矩形或橢圓形的線圈組成,帶鋼從線圈中間穿過,線圈通上交流電后產生的磁場,垂直穿過線圈也穿過鋼帶橫截面,在鋼帶橫截面上產生感應電流,從而使帶鋼產生焦耳熱而提高溫度,是熱效率很高的加熱方法(見圖3)。在居里點溫度以下,帶鋼有磁性,磁場基本是沿著帶鋼傳導,在帶鋼的橫向均勻分布,橫向的溫度差比較小。但由于感應電流產生的磁力線方向與線圈產生的磁力線方向相反,在帶鋼心部磁場相互抵消,并由此產生所謂的“趨膚效應”,使得電流集中于帶鋼的表面,結果產生帶鋼表面與心部加熱不均勻的現象。因此,縱磁加熱在帶鋼加熱領域比較適合于鍍錫線的軟熔爐、鍍鋅線的合金化處理爐和后處理烘干爐等給帶鋼表面加熱的場合[1-3]。帶鋼不同位置的電流與溫度分布曲線如圖4所示。

圖3 縱磁感應加熱器原理

圖4 帶鋼不同位置的電流與溫度分布曲線

縱磁加熱有一個最大的局限性,就是被加熱的帶鋼必須有良好的導磁性,才能保證磁力線在被加熱的帶鋼內傳導,否則必須靠提高所加交流電的頻率,才能達到加熱的效果,這就使得電源制造很不經濟,對于大功率的電源制造甚至無法實現,因此在帶鋼加熱領域一般只用于加熱居里點以下的帶鋼,不適用于高強鋼熱處理的加熱[2]。

1.3 橫磁加熱原理及兩者比較

為了解決居里點以上的帶鋼加熱問題,目前一些領先企業(yè)開始研究采用橫磁加熱技術,橫磁加熱技術在1977年已經開始應用于無磁性的鋁帶的連續(xù)退火,但應用于帶鋼加熱還是這幾年的事,我國日照鋼鐵2017年投產的ESP機組就采用了橫磁加熱技術[3]。

橫磁加熱技術的線圈位于帶鋼的前后兩個表面,同一高度上兩個側面線圈的導線高度一致,且所通的交流電在同一瞬時方向一致,共同作用的結果是產生的磁力線方向也一致,垂直穿過夾在其中那部分的帶鋼前后表面,即使被加熱帶材沒有導磁性也能保證完全穿過兩個線圈,形成回路,在與線圈導線對應位置的帶鋼局部產生與導線內的電流方向相反的電流,電流在帶鋼的橫向,由操作側或傳動側的一側流向另外一側,再由另外一側流向這一側,形成回路。與縱磁加熱不同的是,在整個帶鋼的厚度方向上電流大小一致,不存在“趨膚效應”。帶鋼溫度超過居里點以后,就必須采用橫磁加熱技術[4]。但其線圈結構復雜,投資費用較大。兩種帶鋼加熱方法對比如表1所示。

表1 兩種帶鋼加熱方法對比

2 磁感應加熱的應用技術

2.1 橫磁加熱的溫度均勻性問題

由于在帶鋼內形成的感應電流區(qū)域,基本處于橫磁加熱線圈在帶鋼上的投影位置,這就會影響帶鋼加熱的均勻性,在長度方向上由于帶鋼一直在運動,基本沒有問題,但是在帶鋼橫向上的溫度均勻性與線圈和鋼帶兩者的相對位置有很大關系。橫磁加熱溫度均勻性關系曲線如圖5所示。

圖5 橫磁加熱溫度均勻性關系曲線

1)線圈寬度問題

如圖6所示:①如果線圈的寬度小于帶鋼的寬度,則會在帶鋼的邊部出現加熱不足;②如果線圈的寬度大于帶鋼的寬度,則會在帶鋼的邊部出現溫度過熱;③如果線圈的寬度正好等于帶鋼的寬度,則會在帶鋼的邊部出現一個較窄的、持續(xù)的低溫帶。在實際應用中,帶鋼寬度規(guī)格不可能一直不變,因此這個問題必須采取措施補救。

圖6 線圈寬度對溫度均勻性的影響

2)帶鋼走偏問題

上面是在帶鋼位置與線圈位置很準的情況下出現的問題,事實上還有帶鋼走偏的問題,則會出現上述問題的疊加。如果線圈寬度大于帶鋼,帶鋼由于走偏偏向了線圈的一側,則會出現該側帶鋼加熱不足而另一側溫度過熱的現象。在實際應用中,帶鋼走偏是不可避免的,也必須采取措施解決[5]。

2.2 一般解決措施

如圖7所示,為了解決這兩個問題,一般在帶鋼高度方向上布置兩組線圈,并將這兩組線圈的位置相對錯開,一組偏向帶鋼的一側,一組偏向帶鋼的另一側,這兩組線圈在帶鋼內產生的感應電流在帶鋼橫向的分布情況正好相反,兩組線圈的疊加,就得到了比較優(yōu)化的曲線。

圖7 通過兩組錯位線圈解決溫度均勻性問題

從圖7可以看出,最終帶鋼邊部溫度較高,而在后續(xù)冷卻時,邊部冷卻速度也是大于中心部位,所以邊部溫度略高是允許的,這個溫度差與兩個線圈錯開后與帶鋼邊部的距離有關,為了適應產品寬度規(guī)格的變化,防止邊部溫度過高,可以將兩對線圈做成可以移動的,圖8所示的就是由窄帶鋼向寬帶鋼轉換時,減小兩組線圈錯開距離的情況。

圖8 通過兩組可移動線圈解決溫度均勻性問題

2.3 達涅利專利技術

上述解決溫度不均勻性的措施必須采用偶數組線圈,有時需要奇數組線圈就不能采用這種方法,于是達涅利提出了一種專利方案。

如圖9所示,這一專利將一組線圈中帶鋼前后兩側的線圈錯開,就能夠產生類似的效果。在帶鋼寬度規(guī)格變化時,也可以通過調整兩個線圈錯開的距離來適應。

圖9 達涅利專利技術示意

2.4 縱橫磁復合感應加熱技術

圖10為某鋼廠提出的針對碳鋼薄板熱處理的縱橫磁復合感應加熱系統專利技術[6]。其中,圖10(a) 為縱橫磁復合感應器,由縱磁感應器(下方)、橫磁感應器(上方)和馬弗等復合構成。該縱橫磁復合感應加熱系統,分別利用了縱磁感應加熱溫度更均勻和橫磁感應高溫段加熱更高效的優(yōu)點,也避開了各自的缺點,從而滿足帶鋼連退快速和均勻的加熱要求。

圖10 某鋼廠縱橫磁復合感應加熱系統及中試試驗裝置

圖10(b)為某鋼廠研發(fā)的縱橫磁復合感應加熱中試試驗裝置示意。可看出,帶鋼通過3個直徑 800 mm 的輥子構成一個閉環(huán)的運行機構,其中頂輥為驅動輥,驅動帶鋼的最大速度為10 m/min;底輥為液壓伺服閥控制的糾偏輥,帶光電式跑偏檢測傳感器,跑偏控制范圍約±20 mm;裝置的左側輥為氣缸控制的張力輥。

該縱橫磁復合感應系統安裝于中試裝置中驅動輥和糾偏輥構成的垂直段,帶水冷套的紅外線掃描儀安裝在橫磁感應器單元上方,用以實時測量帶鋼表面的溫度,通過信號轉換傳送給 TDC PLC 進行分析處理,對屏蔽磁極和可移動磁極的位置進行調節(jié)控制,以適應不同帶鋼寬度的變化,并改善帶鋼寬度方向的溫度分布均勻性。同時,TDC PLC 處理的數據和跑偏、焊縫檢測傳感器的觸發(fā)信號被上傳到系統的主控程序,用以調節(jié)供電電源的功率輸出,防止帶鋼的過加熱或欠加熱。該試驗裝置的縱磁感應加熱單元的電源最大功率為 200 kW,額定頻率為 20 kHz,而橫磁感應加熱單元的最大電源功率為 1 MW,額定頻率在 800～2 500 Hz可調。此種電源配置條件下,該試驗裝置適合厚度 0.5～2.0 mm、寬度 600～1 250 mm 碳鋼薄板的快速熱處理工藝試驗研究。

圖10(c)為某鋼廠縱橫磁復合感應加熱中試試驗通過紅外線掃描儀測量得到的帶鋼溫度 3D MAP圖,圖10(d)為獲得的帶鋼表面溫度的平面云圖。可看出,整個加熱過程的加熱溫度比較均勻。圖10(e) 為帶鋼某一橫切線上的溫度分布曲線,顯示帶鋼寬度上的最大的溫度偏差約 20 ℃。圖10(f) 為帶鋼長度中心線上的溫度變化曲線,即帶鋼的升溫曲線。

以上試驗結果表明,某鋼廠研發(fā)的縱橫磁復合感應加熱系統能獲得較好的溫度均勻性(帶鋼寬度方向的溫度均勻性指標在840 ℃條件下<±2%),帶鋼的加熱速率約 70 ℃/s。

3 感應加熱在QP鋼生產線的應用

新一代汽車板連退鍍鋅線主要是為了增加QP鋼的生產功能而進行的改進設計,由于目前在用的高強鋼以DP鋼為主,因此新一代汽車板生產線專為DP和QP高強鋼設計,不再同時生產軟鋼,也不考慮TRIP鋼和Ms鋼等小品種鋼[7]。

3.1 新一代汽車板熱處理要求

對連退線而言,QP鋼和DP鋼生產工藝存在比較大的差異,主要矛盾點在于DP鋼在淬火以后最好立即進入水淬,而QP鋼需要進行比較長時間的配分。解決這個矛盾的方法,一是將DP鋼在剛剛開機時的冷爐膛狀態(tài)下生產;二是在QP鋼向DP鋼轉換時,重新穿帶不經過時效段;三是在過時效段增加冷卻系統,在QP鋼向DP鋼轉換時,將爐溫冷卻到180 ℃左右。從這里也可以看出,最好是建設QP鋼專用生產線,雖然在目前有一定的風險,當QP鋼工藝成熟以后,是可能會出現這樣的生產線的。

對鍍鋅線而言,增加了QP鋼以后,由于配分溫度低于鍍鋅溫度,過時效段必須兩次加熱,先由淬火溫度加熱到配分溫度,然后再次由配分溫度加熱到鍍鋅溫度[7]。

3.2 新一代鍍鋅熱處理爐的設計

1)加熱段

由于輻射管加熱方法只能將鋼帶加熱到860 ℃左右,僅僅采用輻射加熱的生產線,由于不能完全實現A轉變,會犧牲產品的部分強度性能。

QP理想的溫度應該在900 ℃以上,必須在輻射管加熱到860 ℃的基礎上,進一步采用橫磁感應加熱的方法,使得鋼帶由860 ℃繼續(xù)加熱到900 ℃以上,但是必須采取措施防止橫磁感應加熱方法在鋼帶寬度方向上產生溫度不均勻性問題。

新一代汽車板熱處理爐比較重視快速加熱技術,快速加熱可以提高Ac3轉變溫度,使得F在較高的過熱度下發(fā)生A轉變,因為積累了大量的能量,會產生大量的A晶核,轉變后A晶粒度大幅度降低,而且均勻性提高,晶界效應顯著,經過很短的均熱后快速冷卻,M晶粒也很細,晶界效應顯著,就可以同時提高強度和延伸率。因此,除了采用電磁加熱(本身就是一種快速加熱方法)以外,還可以采用DFF爐取代全輻射管加熱爐,不但可以實現快速加熱,還可以同時實現預氧化。

2)過時效段

新一代汽車板熱工爐在過時效段的前端增加縱磁感應加熱裝置,將鋼帶從一般210～240 ℃左右的淬火溫度,提高到400～410 ℃的配分溫度,進行保溫配分處理。對于鍍鋅線還必須在配分處理以后采用縱磁加熱繼續(xù)將帶鋼加熱到鍍鋅溫度,一般為460 ℃。

3)熱張輥室

帶鋼經過爐內快冷后可能會出現在橫截面上的溫度不均勻現象,帶鋼兩側的溫度低于中間的溫度,進而經過熱浸鍍以后影響產品質量,特別是合金化GA板,會出現白邊缺陷,邊部合金化度低于規(guī)定值,造成產品成材率低甚至報廢。要解決這個問題,采用帶鋼邊部感應加熱輥,可以收到很好的結果。感應加熱輥一般作為熱張輥,安裝于熱張輥室,帶鋼的包角越大加熱效果越好。

帶鋼邊部感應加熱輥的結構[8]如圖11所示,輥體的傳動側連接有驅動軸,在輥體的內部有一根中心軸,輥體與中心軸之間有軸承連接,輥體在與驅動軸連接的電機驅動下可以主動運轉,但內部的中心軸固定于操作側的外部結構。在輥體的內部,固定的中心軸上安裝有感應加熱線圈,感應加熱線圈的接線通過中心軸內部引出爐外。工作時,帶鋼繞在輥體上,減速電機通過驅動軸驅動輥體繞中心軸轉動,使輥體帶動帶鋼運行,而感應加熱線圈及中心軸處于靜止狀態(tài)。

圖11 感應加熱爐輥結構示意

感應加熱線圈分為線圈A-1、A-2和線圈B-1、B-2兩組,分別控制輥身最外側和次外側的溫度,也可根據帶鋼的寬度安裝超過兩組的感應加熱線圈,感應加熱線圈的加熱功率根據機組的速度、帶鋼的規(guī)格、待加熱溫度等參數確定。

由于感應加熱線圈始終處于450～500 ℃的高溫環(huán)境下工作,同時自身在工作過程中也會產生大量熱量,因此加熱輥還需配置循環(huán)冷卻水站,用于感應加熱線圈的冷卻。如圖11所示,中心軸的內部為雙層中空結構,形成了內循環(huán)冷卻。

與其他爐輥不同的是,感應加熱輥體是導磁的碳鋼制作的。如圖12所示,當感應加熱線圈接通交流電時,感應加熱線圈會產生磁場,根據電磁感應原理,對應位置的輥體就會產生感應電流,并產生熱量,也就使得與該位置輥體接觸的帶鋼加熱。

圖12 感應加熱輥工作原理示意

為了準確控制局部輥體的溫度,在輥體的內側安裝有三個以上的熱電偶,輥子中部安裝一個,兩側安裝一個或數個。熱電偶的補償導線固定在輥體內壁上,并穿過軸承引至爐輥操作側外部的電刷,電刷與固定滑環(huán)相互滑動接觸,一根導線對應一對電刷和滑環(huán),這樣熱電偶的信號就可以通過電刷和滑環(huán)接入爐輥的溫度控制系統。

由于每個線圈都可以單獨控制其電流大小,也就可以控制帶鋼各區(qū)域的溫度,達到確保帶鋼溫度均勻性的目的。

3.3 新一代汽車板柔性生產線

現代汽車企業(yè)對汽車板要求的差異化愈來愈明顯,同時汽車板鍍鋅退火爐引入了過時效段,這兩個方面的因素使得GI/CR兩用線的需求和可能都得到大幅度提高,實現鍍鋅板和冷軋板的柔性制造很有必要。

1)整體工藝流程布置

在現階段,使用中的高強鋼以DP鋼為主,QP鋼的生產和應用剛剛開始,因此還是要充分考慮DP鋼的生產,可以將鋅鍋設置在兩個過時效區(qū)之間,以縮短DP鋼淬火后低溫過渡的時間,QP鋼的配分時間可以通過降低生產線速度來保證,如圖13所示。這是現階段這類生產線的主流,下面就分析這種生產線。

圖13 以DP鋼為主的GI/CR兩用線布置

2)GI通道工藝流程

生產鍍鋅板時,接通鍍鋅通道,從冷卻塔下來的鋼帶,通過過時效爐頂部的通道進入水淬槽。將DFF爐調整為一定程度的氧化性氣氛,發(fā)揮預氧化的作用。其中,生產QP鋼時,過時效一區(qū)的第一縱磁加熱器打開,將帶鋼加熱到配分溫度,由于過時效一區(qū)帶鋼長度有限,必須通過降速保證配分時間,同時將第二縱磁加熱區(qū)也打開,繼續(xù)將帶鋼加熱到鍍鋅溫度。生產DP鋼時,將過時效一區(qū)溫度下降到280 ℃以下,過時效一區(qū)的第一縱磁加熱器關閉,使得鋼帶在淬火后低溫通過過時效一區(qū),第二縱磁加熱器打開到最大功率,直接將帶鋼由280 ℃以下加熱到鍍鋅溫度。

3)CR 通道工藝流程

生產冷軋板時,接通連退專用通道,如圖14所示,帶鋼從過時效一區(qū)出來以后,進入過時效二區(qū)和終冷段,將DDF爐的空燃比調整到還原狀態(tài),終冷區(qū)冷卻風機打開,第二再加熱感應器關閉。當生產QP鋼時,第一再加熱感應器啟用。

圖14 CR通道工藝流程

4 結 語

(1)縱磁加熱線圈形成的磁力線從縱向穿過帶鋼橫截面,由于電流的“趨膚效應”,會產生帶鋼表面溫度高與心部溫度低的現象;

(2)橫磁加熱兩個線圈所產生的磁力線橫向穿過帶鋼豎截面,由于線圈相對于帶鋼的寬度問題,以及帶鋼的跑偏原因,會出現帶鋼邊部的溫度偏差;

(3)解決恒磁加熱溫度均勻性問題,可以通過兩組錯位線圈、兩組可移動線圈或將一組線圈中帶鋼前后兩側的線圈錯開來實現;

(4)分別采用縱磁感應加熱低溫區(qū)的帶鋼、橫磁感應加熱高溫區(qū)的帶鋼,可以揚長避短,從而滿足帶鋼連退快速和均勻的加熱要求;

(5)在QP鋼熱處理爐加熱段,只有在輻射管加熱到860 ℃的基礎上,進一步采用橫磁感應加熱的方法才能達到900 ℃以上的加熱溫度;

(6)在QP鋼熱處理爐過時效段,需在其前端增加縱磁感應加熱裝置,將鋼帶從一般210～240 ℃的淬火溫度,提高到400～410 ℃的配分溫度,進行保溫配分處理;

(7)在QP鋼鍍鋅線還必須在配分處理以后采用縱磁加熱繼續(xù)將帶鋼加熱到460 ℃左右的鍍鋅溫度。