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3種感應加熱技術的發展歷程和主要難點

時間:2021-10-27 13:35:01 來源:青島海越 點擊:

關于感應加熱技術,保持感應加熱電源的輸出處于穩定狀態和獲得所需的溫度值是兩個最重要的目標。加熱過程和溫度分布的均勻性是感應加熱技術應用中最優先考慮的目標,這主要取決于感應線圈結構的合理設計和加熱過程參數的精確控制。隨著計算機模擬技術的發展,感應加熱過程的精確計算成為可能,這使得該技術的應用更加快捷高效。此外,通過計算機模擬不僅可以很容易地獲得加熱溫度,還可以很容易地獲得感應加熱系統參數。
 
本文簡要介紹了大型鍛造支撐輥全盤管靜態感應加熱技術、大型鋼管內掃描感應加熱技術、熱軋鋼板邊緣加熱技術的發展歷程和主要難點。對感應加熱過程中的三個研究課題——末端效應及其對策、加熱溫度的精確控制和復雜工況下的電磁場分析進行了探索和討論。
 
1、托輥全線圈靜電感應加熱技術
全線圈靜態感應加熱技術被開發用于支撐輥的感應淬火,其中多匝電磁感應線圈在加熱過程中覆蓋加熱的支撐輥的所有工作表面。輥子旋轉以提高圓周溫度均勻性,同時在軸向上相對于感應線圈保持相對靜止。與傳統熱處理技術相比,全線圈靜電感應加熱技術在用于支承輥熱處理時具有更深的硬化層和更大的硬度值。通過這項技術,可以提高處理過的滾筒的耐磨性和使用壽命,降低生產和維護成本。由于支撐輥通常直徑大于1.5米,高度大于2米,它不可避免地需要比傳統感應加熱更長的熱處理時間。此外,整個輥表面的溫度分布差異被限制在±10°C以內。這些要求使得該技術的工業應用難以實現,除非我們能夠精確計算感應加熱系統參數并控制加熱過程。
 
本研究將支撐輥從450°C加熱到900°C以上,在加熱過程中物理性能發生較大變化,導致加熱系統負荷出現顯著波動。這種現象使得難以精確控制加熱過程。等效電感隨著溫度的升高而下降,最終達到一個穩定值。此外,初始電感幾乎是高溫時的兩倍,這使得在負載電容保持恒定的情況下,在整個加熱過程中加熱頻率增加了近50%。這種現象不僅對感應加熱系統的穩定運行有很大影響,而且對溫度分布也有重要影響。由于感應加熱層的厚度要求在100mm以上,加熱頻率通常在100Hz以下。另一方面,感應系統的參數隨著支承輥及其相應加熱線圈的尺寸而變化,這使得感應系統參數的設計和加熱過程的控制更加復雜。
 
關于溫度分布,在半徑方向上比較容易得到理想的溫度分布。然而,在加熱過程中使用螺線管式感應線圈時不可避免地會出現端部效應,這使得輥表面溫度難以控制。沿軸向的輥表面溫度隨時間呈現不同的非線性分布特征,這主要取決于線圈結構、輥高度和線圈與輥間距。當軋輥表面溫度低于居里溫度時,軋輥端部溫度遠低于中部溫度。但是,當感應加熱過程中輥表面溫度超過居里溫度時,輥子端部的溫度會迅速上升并超過其他部分的溫度。這意味著簡單地改變感應加熱參數并不能提高溫度分布的均勻性。為了解決這個問題,已經提出并實施了一種有效的方法,即根據相應加熱輥部件的表面溫度分別調整加熱線圈電流。
 
對于前面提到的障礙,計算機模擬用于準確模擬感應加熱過程和溫度分布。首先通過實驗結果對仿真模型進行驗證和優化。軋輥表層的溫度均勻性得到了很好的控制,而軋輥內部保持在較低的溫度。紅外測溫結果表明,整個軋輥表面溫差小于±5℃,其中S1 ~S5為紅外輻射溫度計在感應加熱過程最后階段輥面不同位置測得的溫度曲線。這五條曲線幾乎相互重疊,這意味著在整個輥表面獲得了非常均勻的溫度分布。
3種感應加熱技術的發展歷程和主要難點
2、鋼管的感應淬火技術
耐磨性是鋼管用于物料輸送時的關鍵性能指標之一,直接影響其使用壽命和性價比。在鋼管生產過程中,利用熱處理技術提高其硬度和耐磨性是一種有效的方法,在工業生產線上有著廣泛的應用。但是,對于用于運輸的大口徑鋼管,采用傳統的熱處理方法存在很多困難。將掃描感應淬火技術應用于鋼管內表面,以提高其內部硬度和耐磨性。通過開展成分研究、計算機模擬、物理實驗、測溫、硬度測試等一系列研究工作,
 
為提高其使用壽命,鋼管最好對其壁厚的50%以上進行感應淬火。由于過熱會導致晶粒粗化,因此在加熱過程中控制最高溫度低于一定溫度很重要。這個峰值溫度可以通過加熱功率、加熱頻率和鋼管的移動速度來控制。為了精確控制整個加熱過程,已經實施了計算機模擬。在低移動速度下,熱傳導占主導地位,這使得溫度梯度難以獲得。加熱過程中內表面溫度有一個峰值,而沿半徑方向的溫差很快就在加熱線圈外變得平緩,其中在開始淬火位置內外表面的溫差僅在20度以內。因此,為了提高溫度梯度,應提高鋼管的移動速度。
 
進行了感應淬火實驗,研究了真實加熱過程和處理后鋼管的力學性能。感應淬火過程中鋼管不同位置的熱電偶測得的溫度與計算結果吻合良好。在鋼管圓周方向上溫度分布均勻的高溫環,該環在整個感應淬火過程中以恒定速度和穩定的溫度分布移動,確保在合適的鋼成分下,10mm厚的鋼管具有1,400 MPa的強度。
 3種感應加熱技術的發展歷程和主要難點
3. 邊緣感應加熱時打火現象的研究
具有“C”形連接芯的邊緣加熱器用于熱軋鋼板的感應加熱。邊緣加熱器在應用過程中,經常發生火花現象,這是由輸送輥和加熱鋼板之間的放電電弧引起的。為了避免這種情況,可以采取一些預防措施,例如保持輸送機滾筒與地面絕緣,制造直徑不等的滾筒,輸入相反方向的附近線圈電流等。由于生產線條件惡劣,鐵屑和水霧會破壞滾筒的絕緣等級。很難長期保持高絕緣值,這給穩定生產和維護帶來了更大的挑戰。
 
分析表明,引起火花現象的主要因素有:(1)滾筒表面粗糙度,(2)輸送滾筒的絕緣值,(3)輸送滾筒接觸部位感應渦流的大小。和鋼板。滾筒的表面粗糙度和絕緣值基本上取決于輸送滾筒的現場維護,而感應渦流受許多因素的影響,如移動過程中鋼板的偏差、鋼板的寬度、線圈的相對位置、加熱功率等。很明顯,如果輸送機滾筒與鋼板接觸位置處的感應渦流較小,則鋼板與滾筒之間不太可能發生火花。在這項研究中,通過數值模擬分析了前面提到的影響感應渦流的因素。通過實驗結果對數值模擬模型進行了驗證和優化,以提高其精度。
 
發現不同鋼板寬度沿輥對板接觸線的電流密度分布存在顯著差異。窄鋼板接觸線處的最大渦流密度大于寬鋼板。
 
另一方面,通常有四個線圈并聯在鋼板的兩側。在加熱過程中,鋼板很容易向一側移動,從而導致感應加熱電源系統的負載匹配不平衡。在相同的輸入電流下,鋼板覆蓋線圈較多的一側的感應電流大于另一側的感應電流。這個結果表明產生火花的可能性,當鋼板偏離感應線圈的一側時會大大增加。而且,前面提到的負載匹配不平衡進一步加劇了線圈中輸入電流的不均勻分布,導致鋼板中的感應電流有很大的偏差。因此,鋼板會在鋼板的每一側被加熱到不同的溫度,導致沿鋼板寬度的物理性能不均勻。因此,強烈建議采取有效措施避免鋼板偏斜,以減少火花現象。

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