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        線材中頻感應(yīng)線圈的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

        2015-05-30 21:27:07黃化偉
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2015年12期

        黃化偉

        摘 要:文章以寶鋼集團(tuán)特鋼公司長材事業(yè)部線材分廠——中頻感應(yīng)線圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案項(xiàng)目為研究背景,結(jié)合進(jìn)口感應(yīng)線圈與國產(chǎn)感應(yīng)線圈在現(xiàn)場(chǎng)使用中出現(xiàn)的問題及設(shè)計(jì)上的缺陷,文章重點(diǎn)將對(duì)線圈的水路、磁場(chǎng)屏蔽、耐熱性、絕緣性及對(duì)水路的流量、溫度監(jiān)測(cè)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),從而解決使用中頻繁出現(xiàn)的電拉弧現(xiàn)象、漏水問題、過熱問題,提高線圈工作的可靠性。

        關(guān)鍵詞:感應(yīng)加熱技術(shù);感應(yīng)加熱控制系統(tǒng);感應(yīng)加熱線圈

        1 概述

        這是一條不銹鋼長型材生產(chǎn)線。在中軋機(jī)組前的在線電感應(yīng)加熱爐為引進(jìn)意大利ELIND公司產(chǎn)品,是生產(chǎn)不銹鋼等高附加值產(chǎn)品的必需裝置。做為感應(yīng)加熱爐關(guān)鍵設(shè)備之一的感應(yīng)加熱線圈,其性能的好壞直接影響設(shè)備的功效,以致產(chǎn)品的質(zhì)量。而原感應(yīng)加熱線圈從2003年底投入使用以來,陸續(xù)出現(xiàn)了外殼變形、漏水等現(xiàn)象,影響了生產(chǎn)的正常進(jìn)行。隨后采購的進(jìn)口線圈和國產(chǎn)線圈,也都出現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。為了解決這些實(shí)際故障,我們對(duì)感應(yīng)加熱線圈進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,提高了感應(yīng)加熱線圈性能和使用壽命,以滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的實(shí)際需要。

        2 感應(yīng)加熱線圈的工作原理

        感應(yīng)加熱的原理圖如圖1所示。線圈在控制器的控制下,產(chǎn)生頻率和幅值均可控的交變電流;該交變電流在線圈中產(chǎn)生一個(gè)交變的磁場(chǎng),其瞬時(shí)強(qiáng)度和方向服從“畢奧-薩伐爾-拉普拉斯”定律;處于交變磁場(chǎng)中的導(dǎo)磁材料內(nèi)部由于電磁感應(yīng)作用會(huì)發(fā)熱,其發(fā)熱機(jī)理主要是渦流在金屬內(nèi)部做功,使金屬溫度不斷升高;其次是磁疇翻轉(zhuǎn)的摩擦熱。顯而易見,產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的交變電流強(qiáng)度越大,產(chǎn)生的磁場(chǎng)感應(yīng)也越大,金屬升溫也就越快。(以下感應(yīng)加熱線圈簡稱感應(yīng)線圈)

        3 系統(tǒng)中感應(yīng)線圈功能設(shè)計(jì)要求

        3.1 感應(yīng)線圈所在中頻系統(tǒng)的應(yīng)用概述

        3.1.1 本系統(tǒng)采用兩套DANIELI中頻電源。每套中頻電源的負(fù)載為二個(gè)感應(yīng)線圈(感應(yīng)線圈最大外徑為?準(zhǔn)84),兩個(gè)感應(yīng)線圈串聯(lián)使用,使用中將這兩個(gè)感應(yīng)線圈分為一組。

        3.1.2 為了盡可能消除感應(yīng)電勢(shì)對(duì)傳送輥道等的影響,每組中二個(gè)感應(yīng)線圈的繞向要相反,如N.1線圈正向繞制,則N.2線圈就必須反向。

        二組感應(yīng)線圈安裝關(guān)系如圖2所示:

        3.1.3 中頻系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

        M.F.(中頻)額定功率:1200KW;工作頻率:800HZ;M.F.銘牌額定電壓:1200V。

        3.2 感應(yīng)線圈冷卻水技術(shù)參數(shù)

        目測(cè)清潔,無雜質(zhì),不含沉淀物。冷卻水功率1040kCal/h,流速1740L/min,壓力漏泄4bar,最大散熱值10℃。工業(yè)水的最佳冷卻狀態(tài):電導(dǎo)率<4μS/cm。工業(yè)水的硬度大于30°dF。

        4 感應(yīng)線圈改進(jìn)的設(shè)計(jì)方案

        總結(jié)進(jìn)口與國產(chǎn)感應(yīng)線圈現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的問題及設(shè)計(jì)上的缺陷,作者針對(duì)線圈的水路、磁場(chǎng)屏蔽、耐熱性、絕緣性及對(duì)水路的流量、溫度監(jiān)測(cè)進(jìn)行了一些設(shè)計(jì)和改進(jìn),從而解決漏水、過熱問題,提高線圈工作的可靠性。優(yōu)化后的感應(yīng)線圈從根本上解決了目前我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)遇到的問題,且提升了其本身的加熱能力。其改進(jìn)后的設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下。

        4.1 改善水冷系統(tǒng)

        為了使感應(yīng)線圈安全可靠運(yùn)行,故應(yīng)對(duì)冷卻水的集水和回水進(jìn)行改造。冷卻水是影響感應(yīng)線圈可靠性的一個(gè)關(guān)鍵因數(shù),為了保證感應(yīng)線圈的冷卻要求,原進(jìn)口感應(yīng)線圈的冷卻水路設(shè)計(jì)如圖3所示。共七路冷卻水,其集水器內(nèi)徑為30mm,截面積為706.5mm2。

        同時(shí)將進(jìn)出水集水器改為內(nèi)徑48的不銹鋼管,截面積為1808.64mm2。比原進(jìn)口集水器的截面積增大2.5倍左右。這樣就可增加水流量,增大冷卻能力。

        4.2 增加隔熱防護(hù)層

        為了防止感應(yīng)線圈熱燒壞,在感應(yīng)線圈與磁套間墊一層耐高溫隔熱層。此外還增加了二次隔熱層原進(jìn)口感應(yīng)線圈爐襯直徑稍大,導(dǎo)致內(nèi)填隔熱材料太薄。此設(shè)計(jì)是為了防止鋼管由于傳熱導(dǎo)致感應(yīng)線圈燒壞,而且除了在磁管爐襯和線圈間增加5mm的石棉隔熱層(見圖4),還可以降低熱輻射對(duì)感應(yīng)線圈的影響。

        感應(yīng)線圈的隔熱防護(hù):爐口傳輸?shù)募訜徜摴軠囟瓤蛇_(dá)到1100℃,而爐口銅板的熔化溫度為1080℃,因此,還必須盡可能地對(duì)隔磁板進(jìn)行抗熱輻射防護(hù)。為了降低隔磁板的受熱輻射,對(duì)隔離板的端口采用一定的耐高溫打結(jié)料進(jìn)行固定和防護(hù)。

        4.3 絕緣底腳

        為了防止底座固定槽鋼回路形成渦流,將槽鋼與底座用絕緣板隔開,切斷回路。原進(jìn)口感應(yīng)線圈的固定底角采用整體角鋼,導(dǎo)致固定角鋼與安裝底板形成渦流,拉弧導(dǎo)致固定螺絲與槽鋼發(fā)熱、熔化現(xiàn)象出現(xiàn)。為了防止以上情況出現(xiàn),將感應(yīng)線圈的安裝底角采用分段角鋼,這樣就可以切斷磁場(chǎng),大大減小渦流的產(chǎn)生。

        4.4 為了減小熱輻射對(duì)隔磁板影響,對(duì)隔磁板采取熱輻射防護(hù)措施

        原感應(yīng)線圈中無底部防磁板,為了防止底部發(fā)熱,在感應(yīng)線圈的底部適當(dāng)增加底部隔磁板;為了防止底部隔磁板發(fā)熱,該隔磁板采用水冷方式冷卻。

        4.5 為了減小渦流對(duì)隔磁板影響,對(duì)隔磁板采取分塊布置和冷卻措施

        因?yàn)樵舸爬鋮s銅板整塊面積較大,接近于一個(gè)整體結(jié)構(gòu),為磁場(chǎng)在銅板中形成渦流提供了條件,使銅板發(fā)熱嚴(yán)重。為了降低銅板中形成的渦流,將隔磁銅板的外形改為分塊布置,這樣就可切斷感應(yīng)線圈爐口處的感應(yīng)回路,有效的降低感應(yīng)渦流,防止感應(yīng)發(fā)熱。

        除了冷卻銅板分塊式布置外,原隔磁銅板的冷卻能力比較差,在爐口處局部并未布置冷卻水管,這樣很容易引起局部過燒將隔磁銅板燒壞。因此,在靠近爐口的隔磁銅板上配置冷卻水管,并增加冷卻水路,保證爐口溫度遠(yuǎn)低于原爐口溫度。這樣可有效得防止局部過燒。

        4.6 加強(qiáng)了感應(yīng)線圈的絕緣性能

        在制作成形的感應(yīng)線圈上,先在感應(yīng)線圈表面浸涂紅色耐高溫絕緣漆(至少3道次),包2/3疊包玻璃絲布一層,浸涂紅色耐高溫絕緣漆烘干,再重復(fù)包一遍,然后包2/3疊包有機(jī)硅玻璃云母帶一層,浸涂紅色耐高溫絕緣漆烘干,再重復(fù)包一遍,2/3疊包玻璃絲布一層,涂耐高溫絕緣漆烘干。支撐螺栓孔內(nèi)用737硅膠填充,已達(dá)絕要求。爐子表面按進(jìn)口方式噴涂棗紅色漆,底座進(jìn)行電鍍處理。

        4.7 感應(yīng)線圈冷水溫度檢測(cè)

        考慮到原感應(yīng)線圈沒設(shè)計(jì)線圈的溫度檢測(cè)單元,難以監(jiān)測(cè)水路溫度并間接反映線圈的受熱情況。因此,在每臺(tái)感應(yīng)線圈的回水集水器上增加熱敏測(cè)溫片,用于監(jiān)測(cè)回水水溫,此測(cè)溫結(jié)果不參與控制,僅做報(bào)警。

        4.8 感應(yīng)線圈固定拉桿支撐

        原進(jìn)口感應(yīng)線圈無固定拉桿,當(dāng)感應(yīng)器工作時(shí),容易發(fā)生振動(dòng),如果感應(yīng)線圈出現(xiàn)過燒容易發(fā)生變形。所以,在此次設(shè)計(jì)改進(jìn)中將感應(yīng)線圈的外圈加了3根固定拉桿,既可保證線圈的均勻匝間距,防止線圈加熱時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)現(xiàn)象,也可防止線圈過燒變形的產(chǎn)生,以保證加熱的均勻性。圖5為原進(jìn)口感應(yīng)線圈(右)與優(yōu)化后的感應(yīng)線圈(左)比對(duì)。

        5 結(jié)論與展望

        由于感應(yīng)熱處理是通過電磁波來傳播能量,在導(dǎo)體中電磁波的能量轉(zhuǎn)化為熱能,電磁波的分布、強(qiáng)弱就直接影響到熱處理質(zhì)量。由上述結(jié)果,感應(yīng)線圈的設(shè)計(jì)與選擇對(duì)提高效率改進(jìn)熱處理質(zhì)量是至關(guān)重要的。而作者現(xiàn)階段對(duì)于感應(yīng)加熱的研究還不是很深入,再加上時(shí)間有限,知識(shí)有限,文章難免存在不足。

        (1)文章對(duì)感應(yīng)線圈的研究只局限于中頻狀態(tài)下,而感應(yīng)加熱電源部分還只是停留在理論階段,并沒有結(jié)合感應(yīng)線圈的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化,這都需要進(jìn)一步的鉆研和實(shí)踐驗(yàn)證;(2)文章對(duì)感應(yīng)線圈的優(yōu)化改進(jìn),也許不是最好的方法,需要在進(jìn)行深入的研究。

        綜上所述,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,感應(yīng)線圈的硬件水平也會(huì)得到極大的提高,其性能也會(huì)得到改善,這樣感應(yīng)加熱技術(shù)將會(huì)有更好的發(fā)展前景與市場(chǎng)價(jià)值。

        參考文獻(xiàn)

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