感應加熱在ESP中的應用

孟令學

(六安鋼鐵控股集團特鋼有限公司 安徽省六安市237400)

1 感應加熱在ESP軋線上應用優(yōu)點

ESP生產(chǎn)線，在無頭生產(chǎn)模式下，連鑄機通過鑄坯、中間坯及成品帶鋼與地下卷取機連續(xù)相接數(shù)小時。由高效連鑄機連續(xù)澆注的高質(zhì)量鑄坯經(jīng)過3機架大壓下軋機軋制成厚度為8～20mm的無頭中間坯。該無頭中間坯通過帶保溫罩的輥道運送至電感應加熱爐，電感應加熱爐以高效、準確、動態(tài)在線和靈活的方式將無頭中間坯加熱至要求的1100～1200°C。電感應加熱爐后設置有夾送輥除鱗箱。無頭中間坯經(jīng)過除鱗后進入5機架精軋機組，軋制成目標厚度的帶鋼。帶鋼經(jīng)過輸出輥道和層流冷卻后得到理想的微觀組織結(jié)構(gòu)。在輸出輥道的末端、卷取機之前，高速飛剪將無頭帶鋼進行分卷，然后在地下卷取機上進行卷取。ESP生產(chǎn)線設備配置見圖1。

ESP生產(chǎn)線無頭軋制模式下可以生產(chǎn)厚度為0.8～4.0mm全寬度帶鋼，半無頭軋制模式下可以生產(chǎn)厚度為3.5～6.0mm全寬度帶鋼。

上述的無頭軋制模式對超薄熱軋帶鋼(UTHS)生產(chǎn)專門進行了優(yōu)化以便能連續(xù)優(yōu)質(zhì)地生產(chǎn)出傳統(tǒng)的帶鋼厚度并獲得優(yōu)化的收得率(無頭尾)。通過消除帶鋼頭部穿帶和甩尾過程，實現(xiàn)在全寬度范圍軋制厚度為1mm以下的帶鋼。

電感應加熱爐位于ESP軋線的中間部分，精軋機前，在軋線中起到至關(guān)重要的作用，其相對于煤氣等傳統(tǒng)加熱手段而言具有以下優(yōu)點：

圖1 ESP生產(chǎn)線設備配置圖

(1)具有精確的加熱深度和加熱區(qū)域,并易于控制。

(2)易于實現(xiàn)高功率密集,加熱速度快,效率高,能耗小。

(3)加熱溫度高,加熱溫度易于控制。

(4)采用非接觸式加熱方式,在加熱過程中不易摻入雜質(zhì)。

(5)工件材料耗損小,氧化鐵皮生成少。

(6)作業(yè)環(huán)境符合環(huán)保要求。

(7)易于實現(xiàn)加熱工程自動化。

(8)設備占地小，節(jié)約軋線空間[1]。

ESP電感應加熱爐全長僅11m左右，共計12個單元，可將高速運行的板坯快速升溫最高300℃左右。高效節(jié)能的電感應加熱爐是ESP軋線核心設備之一，是無頭軋制工藝得以實現(xiàn)的必要條件。

2 感應加熱工作原理

感應加熱的基本工作原理為電磁感應。在被加熱金屬件外繞上一組感應線圈，當線圈中流過某一頻率的交流電流時，就會產(chǎn)生相同頻率的交變磁通，交變磁通又在金屬件中產(chǎn)生感應電勢，從而產(chǎn)生感應電流(渦流)，產(chǎn)生熱量，實現(xiàn)對工件的加熱。感應加熱方式是通過感應線圈把電能傳遞給被加熱的金屬工件，然后電能再在金屬工件內(nèi)部轉(zhuǎn)化為熱能。感應線圈與金屬件并非直接接觸，能量是通過電磁感應傳遞的。因而，把這種加熱方式稱為感應加熱[2]。

根據(jù)受熱工件纏繞感應線圈方式的不同，電感應磁場在加熱金屬的磁場分布方向會不同，將其分為橫磁與縱磁兩種，詳見圖2。

圖2 縱磁與橫磁磁感線及感應電流分布圖

縱磁(左上圖)：磁場方向與板坯運動方向平行；勵磁電流環(huán)板坯；

橫磁(右上圖)：磁場方向與板坯運動方向垂直；勵磁電流分布在上下兩個線圈；兩個線圈平行布置于板坯上下；

3 橫縱磁電感應加熱爐在ESP應用對比

橫縱磁場兩種加熱方式在應用中各有優(yōu)缺點，其比較分析見表1。

3.1 縱向磁場

3.1.1 優(yōu)點

(1)其顯著優(yōu)點是在中間坯寬度方向上加熱均勻，溫度均勻性極好，有利于帶鋼板型控制。

(2)自動化控制方面簡單，易操作，能輕易實現(xiàn)溫度閉環(huán)控制。

(3)設備結(jié)構(gòu)簡單，能長時間穩(wěn)定運行，突發(fā)狀況少，維修方便，備件周轉(zhuǎn)速度快，適應工廠連續(xù)作業(yè)生產(chǎn)模式。

表1 橫縱磁場優(yōu)缺點對比

3.1.2 缺點

(1)縱向磁場在中間坯厚度方向加熱不均，進而形成軋后帶鋼厚度方向上組織分層，不利于最終產(chǎn)品性能控制。

(2)磁場加熱深度上，隨著中間坯厚度逐漸變薄，理論上要求加熱深度應隨著中間坯變薄而變淺，從而達到更好的加熱效果。在其他條件不變的前提下，就要求磁場頻率變高。而由于中間坯變薄，LC震蕩回路中L值變小，因而實際磁場頻率是在降低的。故而縱向磁場加熱深度隨著中間坯變薄反而是在變深，最終在厚度中間位置重疊抵消，因此加熱效率是越來越低[3]。

(3)耐火材料防護方面，由于縱磁狀態(tài)下的磁場決定加熱線圈必須環(huán)繞中間坯，為提高加熱效率，線圈必須盡可能接近中間坯，故而耐材厚度較薄，且不易固定。損壞周期短，更換頻繁。

(4)電氣方面，由于縱磁要求磁場頻率較高，高頻率大功率，因而在電氣柜功率器件設計選型上要求較高。

3.2 橫向磁場

3.2.1 優(yōu)點

(1)厚度方面上加熱均勻。由于在厚度方向上磁感線貫穿整個中間坯，故而中間坯在厚度方向是整體同時加熱，不存在加熱深度問題。有利于保持厚度方向上的溫度均勻性。

(2)電氣方面，由于橫向磁場要求頻率較縱向磁場低的多，在電氣設計上降低難度，有利于設備穩(wěn)定運行。

(3)橫磁狀態(tài)下的磁場使得線圈可以分成上下兩部分，從而可以控制中間坯與線圈之間氣隙大小，使得系統(tǒng)在不同厚度下的中間坯均可以達到較高的加熱效率。效率的提高意味著能耗降低，節(jié)約軋制成本。

(4)在薄規(guī)格帶鋼軋制過程中，縱磁效率要隨著規(guī)格的變薄而逐漸降低，其平均熱能轉(zhuǎn)換效率在75%左右，而橫磁由于可以調(diào)節(jié)氣隙大小，使得效率較高，平均效率在90%左右。以ESP為例，在產(chǎn)線達到相同規(guī)格產(chǎn)量下，縱磁加熱爐的日平均電能消耗要比橫磁加熱爐高約9萬度電。

3.2.2 缺點

(1)橫磁加熱在中間坯寬度加熱均勻性上有著較大的缺陷，其在中間坯橫截面上的溫度分布不均勻，使得生產(chǎn)帶鋼的質(zhì)量受到影響。

(2)由于橫向磁場需要設計線圈上下移動裝置來保證加熱效率，故而負載結(jié)構(gòu)設計較復雜，故障點多，運行不穩(wěn)定。

(3)自動化連鎖控制較多，操作較復雜，維護不方便。

(4)設備維修周期長，備件周轉(zhuǎn)需求量大。

綜上所述，縱磁與橫磁皆有其優(yōu)缺點，現(xiàn)場實際選型時需要綜合考慮實際需求來選定。

4 感應加熱在ESP應用過程中的問題及建議

ESP生產(chǎn)線運行以來，電感應加熱爐在應用中出現(xiàn)過多種問題，針對這些問題，現(xiàn)場經(jīng)過討論及驗證，提出以下幾點改進措施及建議。

4.1 縱磁薄規(guī)格加熱效率低問題

縱向磁場主要缺點為薄規(guī)格時加熱效率偏低，無法適應多規(guī)格鋼種軋制。特別是隨著軋制規(guī)格變薄后效率快速降低，導致出口溫度無法達到設定值?？刹扇「淖冾l率的方法來改善這種現(xiàn)象。由于現(xiàn)場負載線圈不易調(diào)整，可采取切換電容組的方式來調(diào)節(jié)不同規(guī)格下磁場頻率，確保加熱效率。

4.2 橫磁邊部高溫高問題

為消除橫磁邊部溫度過高，可采取錯位加熱法及邊部磁場分散法。

(1)錯位加熱法，將加熱線圈制作小于帶鋼，使得僅在帶鋼一邊過熱，同時相鄰兩組加熱爐錯位分布，將過熱部分平均，因而經(jīng)過多組之后的帶鋼在橫向上得到均勻的溫度分布，見圖3。

圖3 錯位加熱法線圈布局圖

(2)邊部磁場分散法，設計加熱線圈尺寸完全蓋住帶鋼，在邊部增加銅排將多余的磁場倒走，使得在帶鋼邊部的磁場減弱，加熱效率降低，但整體溫度均勻，見圖4。

圖4 邊部磁場分散法設計圖

(3)兩種方法各有優(yōu)缺點：

錯位加熱法可以有效消除溫度不均勻，但需要配套相應的液壓系統(tǒng)，同時一旦生產(chǎn)帶鋼規(guī)格變動，其位置分布需要另行調(diào)整。

邊部磁場分散法效果好，但不易設計實現(xiàn)，同時調(diào)試難度較大。目前未有實際案例。

4.3 現(xiàn)場環(huán)境影響問題

作為電氣設備，電感應加熱爐對于水汽及氧化鐵皮雜質(zhì)反應敏感，現(xiàn)場存在水汽及氧化鐵皮會直接影響電感應加熱爐的使用壽命。而因工藝要求，電感應加熱爐后必需設置除鱗箱對帶鋼進行除鱗處理，從而導致電感應加熱爐后面直接與除鱗相連，常年水汽較多，同時水汽中多攜帶氧化鐵皮粉末，影響電感應加熱爐的穩(wěn)定運行。

為消除環(huán)境影響，要做到以下兩點：

(1)電感應加熱爐區(qū)域封水處理，阻擋除鱗反水及清理周圍空氣中的水汽。土建設計時就要考慮到該區(qū)域內(nèi)的排水及防水設計，阻斷除磷與電感應加熱爐之間的聯(lián)系，確保加熱爐處于干燥清潔的環(huán)境內(nèi)。

(2)優(yōu)化設備爐體結(jié)構(gòu)設計—密閉式，確保爐體上銅排等帶電部分受到完全封閉的保護，避免空氣中的氧化鐵皮粉堆積后引起爐體短路。

5 總結(jié)

橫縱磁場在ESP產(chǎn)線的應用各具有優(yōu)缺點，縱向磁場的溫度均勻性、設備的穩(wěn)定性，橫向磁場的高效率，在實際選型時要綜合考慮產(chǎn)線的需求。

結(jié)合當前鋼鐵行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的總體要求，節(jié)能環(huán)保成為制約鋼鐵行業(yè)發(fā)展的主要瓶頸。而電感應加熱爐以其熱轉(zhuǎn)換效率高、零污染綠色環(huán)保、精準溫度自動控制等顯著特點，使得該技術(shù)在無頭軋制生產(chǎn)線及常規(guī)薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線的應用中有極大的發(fā)展前景。在以溫度為核心的ESP生產(chǎn)線中，隨著溫度控制技術(shù)的發(fā)展，感應加熱在微觀結(jié)構(gòu)等產(chǎn)品性能開發(fā)方面將會發(fā)揮更重要的作用。