孟令學(xué)

(六安鋼鐵控股集團(tuán)特鋼有限公司 安徽省六安市237400)

1 感應(yīng)加熱在ESP軋線上應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)

ESP生產(chǎn)線，在無(wú)頭生產(chǎn)模式下，連鑄機(jī)通過(guò)鑄坯、中間坯及成品帶鋼與地下卷取機(jī)連續(xù)相接數(shù)小時(shí)。由高效連鑄機(jī)連續(xù)澆注的高質(zhì)量鑄坯經(jīng)過(guò)3機(jī)架大壓下軋機(jī)軋制成厚度為8～20mm的無(wú)頭中間坯。該無(wú)頭中間坯通過(guò)帶保溫罩的輥道運(yùn)送至電感應(yīng)加熱爐，電感應(yīng)加熱爐以高效、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)在線和靈活的方式將無(wú)頭中間坯加熱至要求的1100～1200°C。電感應(yīng)加熱爐后設(shè)置有夾送輥除鱗箱。無(wú)頭中間坯經(jīng)過(guò)除鱗后進(jìn)入5機(jī)架精軋機(jī)組，軋制成目標(biāo)厚度的帶鋼。帶鋼經(jīng)過(guò)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(jī)之前，高速飛剪將無(wú)頭帶鋼進(jìn)行分卷，然后在地下卷取機(jī)上進(jìn)行卷取。ESP生產(chǎn)線設(shè)備配置見(jiàn)圖1。

ESP生產(chǎn)線無(wú)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(wú)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(wú)頭軋制模式對(duì)超薄熱軋帶鋼(UTHS)生產(chǎn)專門進(jìn)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(wú)頭尾)。通過(guò)消除帶鋼頭部穿帶和甩尾過(guò)程，實(shí)現(xiàn)在全寬度范圍軋制厚度為1mm以下的帶鋼。

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

圖1 ESP生產(chǎn)線設(shè)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(shí)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(guò)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(shí)現(xiàn)加熱工程自動(dòng)化。

(8)設(shè)備占地小，節(jié)約軋線空間[1]。

ESP電感應(yīng)加熱爐全長(zhǎng)僅11m左右，共計(jì)12個(gè)單元，可將高速運(yùn)行的板坯快速升溫最高300℃左右。高效節(jié)能的電感應(yīng)加熱爐是ESP軋線核心設(shè)備之一，是無(wú)頭軋制工藝得以實(shí)現(xiàn)的必要條件。

2 感應(yīng)加熱工作原理

感應(yīng)加熱的基本工作原理為電磁感應(yīng)。在被加熱金屬件外繞上一組感應(yīng)線圈，當(dāng)線圈中流過(guò)某一頻率的交流電流時(shí)，就會(huì)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(yīng)電勢(shì)，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流(渦流)，產(chǎn)生熱量，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的加熱。感應(yīng)加熱方式是通過(guò)感應(yīng)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(yīng)線圈與金屬件并非直接接觸，能量是通過(guò)電磁感應(yīng)傳遞的。因而，把這種加熱方式稱為感應(yīng)加熱[2]。

根據(jù)受熱工件纏繞感應(yīng)線圈方式的不同，電感應(yīng)磁場(chǎng)在加熱金屬的磁場(chǎng)分布方向會(huì)不同，將其分為橫磁與縱磁兩種，詳見(jiàn)圖2。

圖2 縱磁與橫磁磁感線及感應(yīng)電流分布圖

縱磁(左上圖)：磁場(chǎng)方向與板坯運(yùn)動(dòng)方向平行；勵(lì)磁電流環(huán)板坯；

橫磁(右上圖)：磁場(chǎng)方向與板坯運(yùn)動(dòng)方向垂直；勵(lì)磁電流分布在上下兩個(gè)線圈；兩個(gè)線圈平行布置于板坯上下；

3 橫縱磁電感應(yīng)加熱爐在ESP應(yīng)用對(duì)比

橫縱磁場(chǎng)兩種加熱方式在應(yīng)用中各有優(yōu)缺點(diǎn)，其比較分析見(jiàn)表1。

3.1 縱向磁場(chǎng)

3.1.1 優(yōu)點(diǎn)

(1)其顯著優(yōu)點(diǎn)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(dòng)化控制方面簡(jiǎn)單，易操作，能輕易實(shí)現(xiàn)溫度閉環(huán)控制。

(3)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，突發(fā)狀況少，維修方便，備件周轉(zhuǎn)速度快，適應(yīng)工廠連續(xù)作業(yè)生產(chǎn)模式。

表1 橫縱磁場(chǎng)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

3.1.2 缺點(diǎn)

(1)縱向磁場(chǎng)在中間坯厚度方向加熱不均，進(jìn)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(chǎng)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(yīng)隨著中間坯變薄而變淺，從而達(dá)到更好的加熱效果。在其他條件不變的前提下，就要求磁場(chǎng)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(shí)際磁場(chǎng)頻率是在降低的。故而縱向磁場(chǎng)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(lái)越低[3]。

(3)耐火材料防護(hù)方面，由于縱磁狀態(tài)下的磁場(chǎng)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(chǎng)頻率較高，高頻率大功率，因而在電氣柜功率器件設(shè)計(jì)選型上要求較高。

3.2 橫向磁場(chǎng)

3.2.1 優(yōu)點(diǎn)

(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(gè)中間坯，故而中間坯在厚度方向是整體同時(shí)加熱，不存在加熱深度問(wèn)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(chǎng)要求頻率較縱向磁場(chǎng)低的多，在電氣設(shè)計(jì)上降低難度，有利于設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

(3)橫磁狀態(tài)下的磁場(chǎng)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(dá)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(guò)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(dá)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(wàn)度電。

3.2.2 缺點(diǎn)

(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(chǎng)需要設(shè)計(jì)線圈上下移動(dòng)裝置來(lái)保證加熱效率，故而負(fù)載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較復(fù)雜，故障點(diǎn)多，運(yùn)行不穩(wěn)定。

(3)自動(dòng)化連鎖控制較多，操作較復(fù)雜，維護(hù)不方便。

(4)設(shè)備維修周期長(zhǎng)，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(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際選型時(shí)需要綜合考慮實(shí)際需求來(lái)選定。

4 感應(yīng)加熱在ESP應(yīng)用過(guò)程中的問(wèn)題及建議

ESP生產(chǎn)線運(yùn)行以來(lái)，電感應(yīng)加熱爐在應(yīng)用中出現(xiàn)過(guò)多種問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過(guò)討論及驗(yàn)證，提出以下幾點(diǎn)改進(jìn)措施及建議。

4.1 縱磁薄規(guī)格加熱效率低問(wèn)題

縱向磁場(chǎng)主要缺點(diǎn)為薄規(guī)格時(shí)加熱效率偏低，無(wú)法適應(yīng)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(dǎo)致出口溫度無(wú)法達(dá)到設(shè)定值?？刹扇「淖冾l率的方法來(lái)改善這種現(xiàn)象。由于現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載線圈不易調(diào)整，可采取切換電容組的方式來(lái)調(diào)節(jié)不同規(guī)格下磁場(chǎng)頻率，確保加熱效率。

4.2 橫磁邊部高溫高問(wèn)題

為消除橫磁邊部溫度過(guò)高，可采取錯(cuò)位加熱法及邊部磁場(chǎng)分散法。

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

圖3 錯(cuò)位加熱法線圈布局圖

(2)邊部磁場(chǎng)分散法，設(shè)計(jì)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(chǎng)倒走，使得在帶鋼邊部的磁場(chǎng)減弱，加熱效率降低，但整體溫度均勻，見(jiàn)圖4。

圖4 邊部磁場(chǎng)分散法設(shè)計(jì)圖

(3)兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)：

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

邊部磁場(chǎng)分散法效果好，但不易設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)調(diào)試難度較大。目前未有實(shí)際案例。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響問(wèn)題

作為電氣設(shè)備，電感應(yīng)加熱爐對(duì)于水汽及氧化鐵皮雜質(zhì)反應(yīng)敏感，現(xiàn)場(chǎng)存在水汽及氧化鐵皮會(huì)直接影響電感應(yīng)加熱爐的使用壽命。而因工藝要求，電感應(yīng)加熱爐后必需設(shè)置除鱗箱對(duì)帶鋼進(jìn)行除鱗處理，從而導(dǎo)致電感應(yīng)加熱爐后面直接與除鱗相連，常年水汽較多，同時(shí)水汽中多攜帶氧化鐵皮粉末，影響電感應(yīng)加熱爐的穩(wěn)定運(yùn)行。

為消除環(huán)境影響，要做到以下兩點(diǎn)：

(1)電感應(yīng)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(shè)計(jì)時(shí)就要考慮到該區(qū)域內(nèi)的排水及防水設(shè)計(jì)，阻斷除磷與電感應(yīng)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(shè)備爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—密閉式，確保爐體上銅排等帶電部分受到完全封閉的保護(hù)，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(chǎng)在ESP產(chǎn)線的應(yīng)用各具有優(yōu)缺點(diǎn)，縱向磁場(chǎng)的溫度均勻性、設(shè)備的穩(wěn)定性，橫向磁場(chǎng)的高效率，在實(shí)際選型時(shí)要綜合考慮產(chǎn)線的需求。

結(jié)合當(dāng)前鋼鐵行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)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(yīng)加熱爐以其熱轉(zhuǎn)換效率高、零污染綠色環(huán)保、精準(zhǔn)溫度自動(dòng)控制等顯著特點(diǎn)，使得該技術(shù)在無(wú)頭軋制生產(chǎn)線及常規(guī)薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線的應(yīng)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(yīng)加熱在微觀結(jié)構(gòu)等產(chǎn)品性能開(kāi)發(fā)方面將會(huì)發(fā)揮更重要的作用。