大規(guī)格鋁合金鑄棒感應(yīng)加熱現(xiàn)狀及改進(jìn)方案研究

趙茂密，陳應(yīng)斌，馮恩湖，零妙然，毛一帆

（百色百礦集團(tuán)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，百色 533000）

0 前言

鑄棒在擠壓前加熱是鋁合金擠壓過程中一道重要的前工序，合理的加熱方式及精準(zhǔn)的溫度控制對(duì)加熱過程及后續(xù)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、成品率等都有重大影響。目前，大規(guī)格擠壓用鋁合金鑄棒主要采用兩種加熱技術(shù)：一是燃?xì)饣螂娮杓訜峒夹g(shù)，其加熱原理是通過燃?xì)馊紵螂娮杓訜岬姆绞接蔁峥諝鈧鬟f熱量，使鋁合金鑄棒得到加熱；二是感應(yīng)加熱技術(shù)，其加熱原理是鋁合金鑄棒處于變化的磁場(chǎng)中，在鑄棒內(nèi)部因電磁感應(yīng)效應(yīng)生成感應(yīng)電流，利用渦流加熱原理對(duì)鑄棒進(jìn)行加熱。與傳統(tǒng)的燃?xì)饣螂娮杓訜峒夹g(shù)相比，感應(yīng)加熱具有加熱速度快、節(jié)能環(huán)保、可以實(shí)現(xiàn)梯度加熱等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化的大規(guī)格鋁合金鑄棒加熱上[1-4]，但目前鮮有關(guān)于大規(guī)格鋁合金鑄棒加熱溫度控制的研究和報(bào)道。本文針對(duì)現(xiàn)有感應(yīng)加熱溫度控制存在的控溫手段單一、可靠性較差等問題，提出了多重防過燒防開裂的技術(shù)方案，為解決電磁感應(yīng)加熱過程中鑄棒過燒或開裂問題提供有效幫助。

1 感應(yīng)加熱技術(shù)現(xiàn)狀

感應(yīng)加熱所需的變化磁場(chǎng)目前主要有兩種產(chǎn)生方式：一是利用交變電流產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，即當(dāng)對(duì)感應(yīng)線圈施加交變電流時(shí)，在電流的磁效應(yīng)作用下，在線圈包圍的空間內(nèi)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)；二是利用運(yùn)動(dòng)的永磁體產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，即當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)筒狀永磁體旋轉(zhuǎn)時(shí)，在筒狀永磁體包圍的空間內(nèi)產(chǎn)生復(fù)雜的交變磁場(chǎng)。以上兩種加熱方式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 不同感應(yīng)加熱對(duì)比

1.1 兩種感應(yīng)加熱技術(shù)對(duì)比

（1）溫度梯度和控制：永磁感應(yīng)加熱技術(shù)的溫度梯度控制是通過控制鋁棒不同部位處于磁場(chǎng)中的時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)實(shí)現(xiàn)梯度加熱，交流電感應(yīng)加熱的溫度梯度控制主要通過感應(yīng)線圈分段加熱產(chǎn)生梯度，兩種方式的溫度梯度都可達(dá)100 ℃/m左右。但永磁感應(yīng)加熱可以實(shí)現(xiàn)線性梯度加熱，而交流電感應(yīng)加熱只能實(shí)現(xiàn)臺(tái)階式梯度加熱。

（2）芯表溫差控制：永磁感應(yīng)加熱和交流電感應(yīng)加熱均存在趨膚效應(yīng)，加熱滲透深度與磁場(chǎng)變化頻率成反比。永磁感應(yīng)加熱技術(shù)的頻率可通過電機(jī)轉(zhuǎn)速和永磁體設(shè)計(jì)進(jìn)行控制，交流電感應(yīng)加熱的頻率通過交變電流的換向頻率進(jìn)行控制，頻率越低加熱滲透深度越大，鋁棒芯部到溫時(shí)間越短，永磁感應(yīng)加熱的芯表溫差控制相對(duì)更容易。

（3）軸向溫度控制：永磁感應(yīng)加熱過程中的軸向溫度監(jiān)控是在兩端采用熱電偶測(cè)量溫度，鑄棒中間溫度由程序按預(yù)設(shè)的算法控制，也可以在出爐后補(bǔ)充自動(dòng)測(cè)溫裝置或人工核對(duì)；交流電感應(yīng)加熱的測(cè)溫?zé)犭娕伎梢栽O(shè)計(jì)在軸向方向的任意線圈之間。因此，交流電感應(yīng)加熱的軸向溫度監(jiān)控相對(duì)更方便可靠。

（4）產(chǎn)品適用性：兩種方式均利用電磁感應(yīng)產(chǎn)生的渦流加熱原理對(duì)鑄棒進(jìn)行加熱，理論上適用于所有鋁合金鑄棒的加熱。目前交流電感應(yīng)加熱技術(shù)成熟可靠，已在大規(guī)格鋁合金鑄棒加熱中得到廣泛應(yīng)用。永磁感應(yīng)加熱國(guó)內(nèi)已有成熟案例的鋁合金鑄棒最大直徑為330 mm左右。更大規(guī)格的鑄棒加熱在理論和技術(shù)上是可以實(shí)現(xiàn)的，但由于推廣應(yīng)用較晚，目前在國(guó)內(nèi)缺少相關(guān)案例。

（5）生產(chǎn)節(jié)奏和維護(hù)成本：兩種加熱方式的產(chǎn)能和生產(chǎn)節(jié)奏相當(dāng)，與鑄棒直徑有關(guān)，直徑越大節(jié)奏越慢。永磁感應(yīng)加熱的磁筒使用十年的退磁率約為5%，正常使用過程無(wú)需更換，而交流電感應(yīng)加熱每十年左右需要更換感應(yīng)線圈。另外永磁感應(yīng)加熱無(wú)需冷卻系統(tǒng)和專門的電力供應(yīng)系統(tǒng)，安裝、維護(hù)和操作更簡(jiǎn)便，其有效生產(chǎn)效率更高，后期運(yùn)營(yíng)及維護(hù)成本更低。但設(shè)備一次性投入比交流電感應(yīng)加熱高出20%~30%左右。

（6）能耗和熱效率：永磁感應(yīng)加熱通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)永磁體旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的額外熱損失比較少，其噸能耗約為170 kWh左右，熱效率可高達(dá)70%~80%左右。交流電感應(yīng)加熱需要在銅線圈內(nèi)通入冷卻水對(duì)線圈進(jìn)行冷卻，產(chǎn)生的額外熱損失比較大，其噸能耗約260 kWh左右，熱效率在50%~60%左右。因此，永磁感應(yīng)加熱的能耗更低、熱效率更高。

1.2 感應(yīng)加熱技術(shù)存在的問題

由以上技術(shù)對(duì)比可知，目前使用的感應(yīng)加熱技術(shù)存在溫度控制手段單一、可靠性較差等問題。采用程序算法控制加熱溫度時(shí)，由于不同合金及規(guī)格鑄棒的電磁學(xué)及熱力學(xué)特性差別較大，同時(shí)加熱環(huán)境也對(duì)加熱過程的熱傳導(dǎo)行為產(chǎn)生影響，程序算法控溫的可靠性和控制精度存在較大的局限性。采用熱電偶測(cè)溫時(shí)，由于鑄棒需要不斷地進(jìn)、出爐，現(xiàn)有的鑄棒感應(yīng)加熱爐基本都是采用接觸式熱電偶進(jìn)行溫度控制，因受鑄棒表面質(zhì)量狀況及熱電偶測(cè)量位置等因素的影響，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)熱電偶與被測(cè)鑄棒表面接觸不良等意外情況，導(dǎo)致溫度測(cè)量不準(zhǔn)從而引起鑄錠過燒或開裂。而鑄棒是否過燒需要從鑄棒顯微組織層面去判定，只有當(dāng)過燒很嚴(yán)重、鑄棒局部發(fā)生熔化時(shí)才能通過人工分辨出來(lái)（見圖1（a））；鑄錠微小裂紋或內(nèi)部裂紋也存在難于被及時(shí)發(fā)現(xiàn)的問題，只有外表嚴(yán)重裂開時(shí)才能依靠人工挑選出來(lái)（見圖1（b））。因此，感應(yīng)加熱設(shè)備如果對(duì)溫度異常檢測(cè)不出來(lái)，過燒或開裂的鑄棒有可能按正常流程流入下道工序，造成極其嚴(yán)重的質(zhì)量事故。

圖1 鋁合金鑄錠感應(yīng)加熱質(zhì)量問題

2 新型多重溫度控制方案

針對(duì)目前鑄棒加熱存在的過燒和開裂等質(zhì)量問題，本文提出了一種多重防過燒、防開裂的溫度控制方案，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示：

圖2 多重控制系統(tǒng)示意圖

本系統(tǒng)由感應(yīng)加熱爐爐體（12）、控溫組件（1~11）、能量監(jiān)控器（14）、進(jìn)出料裝置（15）、長(zhǎng)度測(cè)量裝置（16）等組成。

感應(yīng)加熱爐爐體：當(dāng)采用電磁感應(yīng)加熱時(shí)，感應(yīng)加熱爐爐體為固定的圓筒狀，在爐體上裝配有感應(yīng)線圈（13），該感應(yīng)線圈為內(nèi)部通有冷卻介質(zhì)的空心銅線，分段布置于爐體長(zhǎng)度方向上，每一個(gè)加熱區(qū)一組線圈；當(dāng)感應(yīng)線圈內(nèi)接通交變電流后，在爐腔內(nèi)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，鑄棒在交變磁場(chǎng)中由于電磁感應(yīng)作用產(chǎn)生渦流從而被加熱。當(dāng)采用永磁感應(yīng)加熱時(shí)，感應(yīng)加熱爐爐體設(shè)計(jì)成可旋轉(zhuǎn)的分段式圓筒狀，每一個(gè)加熱區(qū)一段爐體，爐體上裝配有永磁體；當(dāng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶有永磁體的分段式爐體旋轉(zhuǎn)時(shí)，在爐腔內(nèi)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，鑄棒在交變磁場(chǎng)中由于電磁感應(yīng)作用產(chǎn)生渦流從而被加熱。

能量監(jiān)控器：與感應(yīng)加熱線圈或永磁體驅(qū)動(dòng)電機(jī)串接，用于監(jiān)控輸入感應(yīng)加熱線圈或驅(qū)動(dòng)永磁體的電能。

控溫組件：包括側(cè)邊控溫?zé)犭娕迹?、3、5、7、9）、側(cè)邊測(cè)溫?zé)犭娕迹?、4、6、8、10）、端部測(cè)溫監(jiān)控?zé)犭娕?1以及聲光報(bào)警裝置。側(cè)邊控溫?zé)犭娕寂c側(cè)邊測(cè)溫?zé)犭娕汲蓪?duì)呈對(duì)稱狀設(shè)置在爐體的兩個(gè)不同側(cè)面，如：側(cè)邊控溫?zé)犭娕迹?）與（2）呈對(duì)稱設(shè)置，該側(cè)邊控溫?zé)犭娕己蛡?cè)邊測(cè)溫?zé)犭娕级荚O(shè)計(jì)成可以伸縮的形式。鑄棒進(jìn)出爐膛時(shí)，熱電偶縮回，避免與鑄棒的移動(dòng)相干涉。當(dāng)正常加熱時(shí)，熱電偶伸出并與鑄棒表面接觸，控溫?zé)犭娕伎刂畦T棒的加熱，測(cè)溫監(jiān)控?zé)犭娕紝?duì)鑄棒溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。端部測(cè)溫監(jiān)控?zé)犭娕荚O(shè)置在爐膛兩端的中心位置，正常加熱過程對(duì)鑄棒端部中心進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，設(shè)計(jì)成可以活動(dòng)的形式，鑄棒進(jìn)出爐膛時(shí)，該熱電偶移出測(cè)量位置，避免與鑄棒的移動(dòng)相干涉。聲光報(bào)警裝置分別與側(cè)邊控溫?zé)犭娕迹?、3、5、7、9）、側(cè)邊測(cè)溫?zé)犭娕迹?、4、6、8、10）、端部測(cè)溫監(jiān)控?zé)犭娕迹?1）、能量監(jiān)控器（14）連接。

進(jìn)出料裝置：設(shè)置于爐體一側(cè)，用于將鑄棒送入加熱爐爐腔內(nèi)進(jìn)行加熱，或?qū)⒓訜岷玫蔫T棒從爐腔內(nèi)送出。

長(zhǎng)度測(cè)量裝置：鑄棒在進(jìn)入爐腔加熱前，測(cè)量裝置測(cè)量并記錄鑄棒長(zhǎng)度。該測(cè)量裝置與所有的側(cè)邊控溫?zé)犭娕迹?、3、5、7、9）及側(cè)邊測(cè)溫?zé)犭娕迹?、4、6、8、10）相連接，這些側(cè)邊控溫?zé)犭娕技皞?cè)邊測(cè)溫?zé)犭娕纪ㄟ^測(cè)量裝置控制實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)或停止。

鋁合金擠壓鑄棒感應(yīng)加熱過程中的控制原理和過程為：鑄棒在進(jìn)出料裝置（15）處待命→測(cè)量裝置（16）對(duì)鑄棒長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量與記錄→端部測(cè)溫監(jiān)控?zé)犭娕迹?1）移出→鑄棒進(jìn)爐→側(cè)邊控溫?zé)犭娕迹?、3、5、7、9）及側(cè)邊測(cè)溫?zé)犭娕迹?、4、6、8、10）伸出，端部測(cè)溫監(jiān)控?zé)犭娕迹?1）與鑄棒表面接觸進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)溫與控溫→旋轉(zhuǎn)的永磁體或通有交變電流的線圈（13）通過電磁感應(yīng)作用給鑄棒加熱→能量監(jiān)控器（14）對(duì)加熱過程的電能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控→鑄棒加熱完成→停止加熱→控溫?zé)犭娕迹?、3、5、7、9）及測(cè)溫?zé)犭娕迹?、4、6、8、10）縮回，端部測(cè)溫監(jiān)控?zé)犭娕迹?1）移出→鑄棒通過進(jìn)出料裝置（15）移出爐膛→接著下個(gè)加熱循環(huán)。

當(dāng)任何一個(gè)熱電偶檢測(cè)到的溫度發(fā)生異常，或能量監(jiān)控器檢測(cè)到輸入的總熱量異常時(shí)，立即觸動(dòng)聲光報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警并在控制系統(tǒng)中記錄異常情況。

3 結(jié)果和討論

本方案通過鑄棒長(zhǎng)度測(cè)量與控制、能量輸入控制、測(cè)溫監(jiān)控?zé)犭娕紝?duì)比控制等多種控制方法同時(shí)使用，達(dá)到多重防過燒防開裂的效果。

多重防過燒的原理為：（1）通過鑄棒長(zhǎng)度測(cè)量與控制進(jìn)行防過燒。鑄棒在進(jìn)出料裝置（15）處準(zhǔn)備進(jìn)爐加熱前，測(cè)量裝置（16）測(cè)量并記錄鑄棒的長(zhǎng)度；當(dāng)測(cè)量到所加熱鑄棒的長(zhǎng)度值剛好使得其中一個(gè)或多個(gè)側(cè)邊熱電偶處于鑄棒的端部臨界位置時(shí)，則控制該處的熱電偶處于非工狀態(tài)，避免該處的熱電偶由于接觸不良造成測(cè)溫不準(zhǔn)從而導(dǎo)致鑄棒過燒；（2）通過能量輸入控制進(jìn)行防過燒。根據(jù)能量守恒定律，加熱過程消耗的電能一部分轉(zhuǎn)化為鑄棒的熱量，另一部分以散熱或其他方式被加熱系統(tǒng)及周圍環(huán)境吸收。假設(shè)消耗的電能為Q1，鑄棒吸收的熱量為Q2，鑄棒吸收的熱量與電能產(chǎn)生的熱量之比即有效吸收率為k，則其中c為鑄棒的比熱容，m為鑄棒的質(zhì)量，△T為鑄棒的溫升值。對(duì)給定的鑄棒進(jìn)行加熱時(shí)，鑄棒的比熱容c、質(zhì)量m、溫升值△T以及吸收率k為已知值，能量監(jiān)控器（14）通過監(jiān)控輸入加熱系統(tǒng)的電能即可控制輸入鑄棒的總熱量。當(dāng)能量監(jiān)控器（14）檢測(cè)到輸入鑄棒的總熱量超出加熱所需的總熱量時(shí)，說(shuō)明鑄棒的實(shí)際溫升超出設(shè)定值，此時(shí)能量監(jiān)控器（14）觸動(dòng)聲光報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警并在控制系統(tǒng)中記錄異常情況；（3）通過測(cè)溫監(jiān)控?zé)犭娕紝?duì)比控制進(jìn)行防過燒。側(cè)邊測(cè)溫?zé)犭娕寂c側(cè)邊控溫?zé)犭娕汲蓪?duì)地設(shè)計(jì)在鑄棒不同的兩側(cè)。這樣設(shè)計(jì)的好處是，當(dāng)鑄棒某處的表面質(zhì)量不好、或粘有異物時(shí)，此時(shí)處于該處的熱電偶可能會(huì)與鑄棒表面接觸不良，但側(cè)溫?zé)犭娕寂c控溫?zé)犭娕继幱诓煌膬蓚?cè)，此時(shí)兩個(gè)熱電偶測(cè)量位置不同，即不會(huì)發(fā)生兩個(gè)熱電偶都接觸不良的情況，系統(tǒng)將兩個(gè)熱電偶的測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)有異常偏差時(shí)說(shuō)明其中一個(gè)出現(xiàn)異常，立即觸動(dòng)聲光報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警并在控制系統(tǒng)中記錄異常情況。再進(jìn)一步，即使極端情況下，一對(duì)熱電偶（如圖2中的5與6）同時(shí)出現(xiàn)異常，本方案也可以通過附近的熱電偶監(jiān)控出來(lái)：當(dāng)（5）與（6）熱電偶同時(shí)出現(xiàn)異常時(shí)，該處鑄棒的溫度出現(xiàn)異常，而鋁是熱的良導(dǎo)體，（5）與（6）所測(cè)量位置與附近（7）與（8） 、（3）與（4）所測(cè)量位置的鑄棒進(jìn)行熱傳導(dǎo)，導(dǎo)致（7）與（8） 、（3）與（4）所處位置鑄棒實(shí)際溫度發(fā)生偏移，即可從（7、8 、3、4）這4個(gè)熱電偶中監(jiān)控出加熱異常，從而觸動(dòng)聲光報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警并在控制系統(tǒng)中記錄異常情況。另外，端部中心位置的端部測(cè)溫監(jiān)控?zé)犭娕迹?1）實(shí)時(shí)監(jiān)控鑄棒芯部溫度，在極端情況下，比如（1）與（2）熱電偶同時(shí)出現(xiàn)異常時(shí)，端部測(cè)溫監(jiān)控?zé)犭娕迹?1）也可以檢測(cè)出來(lái)，從而觸動(dòng)聲光報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警并在控制系統(tǒng)中記錄異常情況。

多重防開裂的原理為：一是通過對(duì)比鑄棒側(cè)邊熱電偶和端部中心熱電偶的溫度控制鑄棒芯表溫差；二是通過能量監(jiān)控器（14）記錄的電能輸入功率控制鑄棒芯表溫差。兩種方式均根據(jù)不同合金鑄棒的不同特性，對(duì)鑄棒加熱速度及芯表溫差進(jìn)行相應(yīng)控制，避免鑄棒在加熱過程中開裂。

鑄棒在鑄造或均勻化熱處理后的冷卻過程中，因表面散熱比芯部快，受熱脹冷縮的影響，其內(nèi)應(yīng)力分布原理與型材淬火冷卻過程類似[5]：在冷卻初期，表面先冷卻并收縮，芯部仍然保持較高的溫度，此時(shí)表面在軸向方向上收縮受阻，其冷卻到室溫后的收縮量小于正常值，因此在冷卻初期棒材表面受到拉應(yīng)力、芯部受到壓應(yīng)力作用；在冷卻后期，由于芯部在冷卻初期受到因表面收縮施加在軸向方向上的壓應(yīng)力，其冷卻收縮得到促進(jìn)，導(dǎo)致芯部冷卻到室溫時(shí)其收縮量大于正常值。在高溫時(shí)棒材表面與芯部是一個(gè)長(zhǎng)度一致的整體，而完全冷卻到室溫后，表面長(zhǎng)度要稍大于芯部長(zhǎng)度。因此，最終在軸向方向上棒材表面和芯部之間存在較大的內(nèi)應(yīng)力。同理，鑄棒在冷卻到室溫后在徑向方向上表面和芯部也存在較大的內(nèi)應(yīng)力。而鑄棒在加熱過程中，鑄棒表面先受熱膨脹，表面和芯部之間的軸向和徑向方向上的應(yīng)力均進(jìn)一步加大，當(dāng)應(yīng)力值超過材料的承受能力時(shí)，鑄棒就會(huì)產(chǎn)生裂紋（如圖1（b）所示）。而感應(yīng)加熱是利用感應(yīng)電流的趨膚效應(yīng)進(jìn)行加熱，與燃?xì)饣螂娮杓訜岬膫鲗?dǎo)或輻射加熱相比，其芯表溫差更大，如果控制不當(dāng)更容易造成鑄棒開裂。

從以上多重防過燒、防開裂技術(shù)可以看出，本方案可以將鑄棒過燒或開裂的概率降低到無(wú)窮小，從根本上避免了加熱異常導(dǎo)致過燒或開裂的鑄棒流入下道工序，保證了鑄棒加熱質(zhì)量。以上防過燒和防開裂技術(shù)效果已在不同的設(shè)備上分別得到了工程應(yīng)用上的驗(yàn)證。

4 結(jié)論

（1）目前國(guó)內(nèi)大規(guī)格擠壓用鑄棒主要采用交流電磁感應(yīng)加熱，少部分采用永磁感應(yīng)加熱技術(shù)。與交流電磁感應(yīng)加熱相比，永磁感應(yīng)加熱具有熱效率高、設(shè)備體積小等優(yōu)勢(shì)，目前應(yīng)用案例和產(chǎn)品最大規(guī)格正在逐步擴(kuò)大，符合節(jié)能環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)。

（2）目前使用的感應(yīng)加熱技術(shù)存在溫度控制手段單一、可靠性較差等問題，受鑄棒表面質(zhì)量狀況、熱電偶測(cè)量位置、程序算法與鑄棒匹配性等因素的影響，經(jīng)常出現(xiàn)溫度測(cè)量不準(zhǔn)而引起的鑄錠過燒或開裂等質(zhì)量問題。

（3）同時(shí)采用鑄棒長(zhǎng)度測(cè)量控制、能量輸入控制、測(cè)溫監(jiān)控?zé)犭娕紝?duì)比控制等多重控制技術(shù)，可以大幅提高大規(guī)格擠鋁合金鑄棒加熱溫度控制的可靠性，徹底解決鑄棒過燒、開裂等質(zhì)量問題。