楊建強(qiáng)，王艷風(fēng)，張玉開，黃培根

(金川集團(tuán)精密銅材有限公司，甘肅金昌 737100)

0 引言

某公司目前擁有國(guó)內(nèi)銅加工行業(yè)最大的55 MN正向雙動(dòng)擠壓機(jī)，加熱系統(tǒng)是從德國(guó)進(jìn)口的目前能夠加熱最大外徑鑄錠的感應(yīng)加熱爐，能夠加熱的鑄錠最大外徑為φ440 mm，加熱爐原設(shè)計(jì)配置是“感應(yīng)加熱爐+電阻均熱爐”組成，在加熱φ440 mm的鑄錠時(shí)，在加熱過程中鑄錠表面產(chǎn)生的氧化皮在高溫下崩濺，同時(shí)加熱溫度很高，造成均熱爐爐絲斷裂、斷裂，均熱爐襯板斷裂等故障，造成加熱系統(tǒng)故障率很高，能耗居高不下，同時(shí)造成生產(chǎn)效率非常低下。

1 加熱爐基本組成

銅錠加熱爐用于將擠壓前的圓柱形鑄錠進(jìn)行加熱，包括液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、均熱爐和感應(yīng)線圈等，如圖1所示。加熱過程中鑄錠從爐口進(jìn)入，通過六組感應(yīng)線圈實(shí)現(xiàn)加熱，從入口到出口形成一個(gè)由低溫到高溫的梯度加熱。加熱好的鑄錠進(jìn)入均熱爐，然后從均熱爐爐口出料，通過機(jī)械手、輥道等送至擠壓機(jī)。

圖1 加熱系統(tǒng)示意圖

感應(yīng)加熱爐由六個(gè)感應(yīng)線圈組成，每?jī)蓚€(gè)感應(yīng)線圈構(gòu)成一組，連接到一個(gè)1 600 KVA的調(diào)壓變壓器進(jìn)行供電。每個(gè)線圈可單獨(dú)控制，依據(jù)紅外線測(cè)溫儀測(cè)量溫度和計(jì)算加熱功率，可控硅組調(diào)節(jié)功率密度大小。加熱爐是由六組感應(yīng)線圈組成的箱體，加熱爐好的鑄錠直接被推入均熱爐內(nèi)。均熱爐由鋼板封閉，內(nèi)部安裝有耐火材料，兩側(cè)分別由三組阻熱式電阻絲組成，底部有V型導(dǎo)槽。均熱爐前后各有一個(gè)爐門，一端和感應(yīng)線圈的高溫線圈銜接，另一端為高溫鑄錠的出口。整個(gè)均熱爐加裝由陶瓷纖維加工而成的特殊保溫材料，加熱元件由特殊陶瓷支架支撐，均熱爐最高溫度能夠達(dá)到1 200℃［1］。

2 均熱爐熱能分析

銅錠加熱爐為六個(gè)線圈以及電熱管加熱方式的均熱爐串聯(lián)構(gòu)成，對(duì)鑄錠進(jìn)行連續(xù)加熱。多層線圈的感應(yīng)加熱具有加熱速度快，加熱均勻和生產(chǎn)效率高的特點(diǎn)［2］。感應(yīng)加熱是一種利用線圈的電磁交變磁場(chǎng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的直接的電加熱方式。環(huán)形流向的線圈將被加熱工件集中封裝，這相當(dāng)于所謂的變壓器原理。也就是說一個(gè)次級(jí)線圈由隨時(shí)間變化的初級(jí)線圈的力線束(磁力線)貫通。這里的初級(jí)線圈是在合適的電源上連接的感應(yīng)線圈，而次級(jí)線圈則由被加熱工件本身代表。

感應(yīng)電流加熱的是金屬棒料的外層表面。感應(yīng)電流加熱的是金屬棒的外層表面。加熱區(qū)域用穿透深度來表示，可以根據(jù)下式計(jì)算得出:

式中:f，μ，σ分別為頻率，穿透率和被加熱工件的電阻。

由于受截然不同的表面效應(yīng)的影響，在加熱周期中，金屬棒中心(r=0)和表面(R=ro)會(huì)產(chǎn)生不可避免的溫度差異。如圖2通過定性分析加熱曲線可看出，由于受不同效應(yīng)的影響，在金屬棒表面產(chǎn)生的溫度大大高于金屬棒中心。這種現(xiàn)象可以被解釋如下:由于不同的表面效應(yīng)的影響產(chǎn)生了電磁波穿透深度，對(duì)于一般的鋁合金來說，在電源頻率為50/60 Hz時(shí)，產(chǎn)生的穿透深度大約為20 mm。

圖2 定性分析加熱曲線

擠壓機(jī)配置一個(gè)均熱爐，就是通過將加熱好的銅錠置于一個(gè)900～1 200℃的高溫氣氛中進(jìn)行一次充分的熱傳遞，用于消除感應(yīng)加熱產(chǎn)生的心表溫差，避免溫差在擠制過程中對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量可能造成的影響。均熱爐的存在，減少了工藝上的不確定因素，提高了產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的可靠性，但是其能耗大、故障率高、非生產(chǎn)時(shí)間要保溫等缺點(diǎn)，也造成了運(yùn)行成本高、維護(hù)保障差等難題。國(guó)內(nèi)一些廠家的擠壓機(jī)，很多都沒有配置均熱爐，其感應(yīng)加熱出來的銅錠也能滿足生產(chǎn)工藝需要，因此考慮對(duì)其進(jìn)行改造。

3 鑄錠加熱溫度均勻性分析

結(jié)合擠壓的實(shí)際工況，在進(jìn)行紫銅加熱時(shí)對(duì)感應(yīng)加熱的鑄錠差進(jìn)行理論計(jì)算和分析。

本感應(yīng)爐相關(guān)數(shù)據(jù)為:爐膛總長(zhǎng)8 000 mm，常用加熱溫度800～850℃(取平均值820℃)，加熱周期時(shí)間 t0=120 s，鑄錠規(guī)格Φ320 mm、Φ440 mm。

紫銅鑄錠加熱平均透入深度為:

式中:紫銅平均電阻率ρ=5×10－8Ω·m，紫銅相對(duì)磁導(dǎo)率 μ=0．999 92 ≈1，電源頻率 f=50 Hz。

有效加熱層相對(duì)深度系數(shù)為:

式中:透熱深度 ξ=0．016 m，銅錠半徑 R=0．16 m。

查熱傳導(dǎo)的熱工計(jì)算導(dǎo)溫輔助函數(shù)圖表可得:S(α，1)=0．076，S(α，0)= －0．116。

加熱周期時(shí)間為15 min，加熱爐內(nèi)同時(shí)可加熱9節(jié)銅錠，則每節(jié)銅錠的總加熱時(shí)問:tk=60 min。

傅立葉準(zhǔn)數(shù)(相對(duì)時(shí)間)為:

式中:銅的導(dǎo)溫系數(shù) a=9．8×10－5m2/s，銅錠直徑 D=0．32 m 。

320銅錠心表溫差:

式中:T=850℃，為銅錠加熱時(shí)的工藝設(shè)定溫度。如表1為加熱爐控制系統(tǒng)改造前后動(dòng)作表。

表1 加熱爐控制系統(tǒng)改造前后動(dòng)作表

一般銅加工對(duì)圓柱型鑄錠的加熱芯表溫差要求為不大于3%，按照紫銅設(shè)定溫度850℃計(jì)算，即溫差不大于25．5℃，因此由55 MN擠壓機(jī)配套的銅錠加熱爐加熱后的鑄錠在沒有均熱爐的情況下能滿足工藝要求。

4 均熱爐去除改造方案及分析

通過對(duì)加熱爐設(shè)備性能及加熱工藝分析研究，以及對(duì)鑄錠加熱過程中的透熱情況進(jìn)行計(jì)算，得出均熱爐完全可以拆除不用。確定對(duì)均熱爐進(jìn)行拆除，同時(shí)優(yōu)化加熱工藝。拆除后要保證感應(yīng)線圈加熱正常，均熱爐以外的機(jī)械部件動(dòng)作正常。同時(shí)從改造難易程度、改造成本及改造后的效果綜合考慮，要盡量降低生產(chǎn)成本，減少硬件的變動(dòng)量。均熱爐拆除改造方案:

(1)硬件方面。均熱爐拆除后，在原均熱爐位置出現(xiàn)空缺，鑄錠無法運(yùn)輸，通過在原均熱爐位置加裝輥道，將第六組線圈出口與原均熱爐出口輥道鏈接，輥道由電機(jī)帶動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)鑄錠從加熱線圈到運(yùn)錠小車的連續(xù)性。

(2)控制程序方面。加熱爐系統(tǒng)自動(dòng)狀態(tài)流程圖如圖4所示，其手動(dòng)控制就是自動(dòng)狀態(tài)每一個(gè)動(dòng)作的拆解，維修狀態(tài)就是每一個(gè)手動(dòng)動(dòng)作去除保護(hù)和鎖定。均熱爐去除后夾鉗不能伸入到線圈內(nèi)夾持熱錠，故將“液壓站啟動(dòng)推錠”動(dòng)作前移到第三步，并且在爐門前增加爐前輥道輔助熱錠出線圈。

增加“鑄錠到夾鉗位檢測(cè)”條件，作為夾鉗自動(dòng)開始夾錠條件，并將此信號(hào)聯(lián)鎖到控制流程中。去除“無銅錠在均熱爐末端位”條件，即去除均熱爐信號(hào)對(duì)控制流程的聯(lián)鎖。修改后的控制程序只改變了原來的自動(dòng)控制流程，原來所有的手動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)功能均保留，需要時(shí)加熱爐任何部分仍然能夠動(dòng)作。改造完成后，對(duì)原程序和新程序分別備份，當(dāng)需要恢復(fù)均熱爐時(shí)，只需將活動(dòng)擋板裝回，運(yùn)錠小車回到均熱爐出口位，再將原程序備份輸入即可，恢復(fù)過程只需約10 min，反之亦然，十分方便［3］。

5 改造效果

(1)從生產(chǎn)情況來看，均熱爐去除后沒有影響鑄錠的加熱，鑄錠溫度能夠滿足工藝要求。

(2)產(chǎn)品質(zhì)量同比以往有所提升。

(3)改造后加熱爐故障率明顯下降，同時(shí)在節(jié)能降耗、節(jié)約成本方面，成效顯著，每年可節(jié)約成本10%以上。

［1］ 湯景明．感應(yīng)電熱設(shè)備的設(shè)計(jì)［J］．工業(yè)加熱，1997(1):25－40．

［2］ 付正博．感應(yīng)加熱與節(jié)能－感應(yīng)加熱器(爐)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008．

［3］ 黃鯤鵬．?dāng)D壓機(jī)銅錠感應(yīng)加熱系統(tǒng)去除均熱爐改造［J］．重慶:自動(dòng)化應(yīng)用，2011(2):13－16．