趙茂密，陳應斌，馮恩湖，零妙然，毛一帆

（百色百礦集團產(chǎn)業(yè)技術研究院有限公司，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的溫度控制對加熱過程及后續(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：一是燃氣或電阻加熱技術，其加熱原理是通過燃氣燃燒或電阻加熱的方式由熱空氣傳遞熱量，使鋁合金鑄棒得到加熱；二是感應加熱技術，其加熱原理是鋁合金鑄棒處于變化的磁場中，在鑄棒內(nèi)部因電磁感應效應生成感應電流，利用渦流加熱原理對鑄棒進行加熱。與傳統(tǒng)的燃氣或電阻加熱技術相比，感應加熱具有加熱速度快、節(jié)能環(huán)保、可以實現(xiàn)梯度加熱等優(yōu)點，已被廣泛應用于現(xiàn)代化的大規(guī)格鋁合金鑄棒加熱上[1-4]，但目前鮮有關于大規(guī)格鋁合金鑄棒加熱溫度控制的研究和報道。本文針對現(xiàn)有感應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方案，為解決電磁感應加熱過程中鑄棒過燒或開裂問題提供有效幫助。

1 感應加熱技術現(xiàn)狀

感應加熱所需的變化磁場目前主要有兩種產(chǎn)生方式：一是利用交變電流產(chǎn)生交變的磁場，即當對感應線圈施加交變電流時，在電流的磁效應作用下，在線圈包圍的空間內(nèi)產(chǎn)生交變磁場；二是利用運動的永磁體產(chǎn)生變化的磁場，即當電機驅動筒狀永磁體旋轉時，在筒狀永磁體包圍的空間內(nèi)產(chǎn)生復雜的交變磁場。以上兩種加熱方式的優(yōu)缺點對比如表1所示。

表1 不同感應加熱對比

1.1 兩種感應加熱技術對比

（1）溫度梯度和控制：永磁感應加熱技術的溫度梯度控制是通過控制鋁棒不同部位處于磁場中的時間長短來實現(xiàn)梯度加熱，交流電感應加熱的溫度梯度控制主要通過感應線圈分段加熱產(chǎn)生梯度，兩種方式的溫度梯度都可達100 ℃/m左右。但永磁感應加熱可以實現(xiàn)線性梯度加熱，而交流電感應加熱只能實現(xiàn)臺階式梯度加熱。

（2）芯表溫差控制：永磁感應加熱和交流電感應加熱均存在趨膚效應，加熱滲透深度與磁場變化頻率成反比。永磁感應加熱技術的頻率可通過電機轉速和永磁體設計進行控制，交流電感應加熱的頻率通過交變電流的換向頻率進行控制，頻率越低加熱滲透深度越大，鋁棒芯部到溫時間越短，永磁感應加熱的芯表溫差控制相對更容易。

（3）軸向溫度控制：永磁感應加熱過程中的軸向溫度監(jiān)控是在兩端采用熱電偶測量溫度，鑄棒中間溫度由程序按預設的算法控制，也可以在出爐后補充自動測溫裝置或人工核對；交流電感應加熱的測溫熱電偶可以設計在軸向方向的任意線圈之間。因此，交流電感應加熱的軸向溫度監(jiān)控相對更方便可靠。

（4）產(chǎn)品適用性：兩種方式均利用電磁感應產(chǎn)生的渦流加熱原理對鑄棒進行加熱，理論上適用于所有鋁合金鑄棒的加熱。目前交流電感應加熱技術成熟可靠，已在大規(guī)格鋁合金鑄棒加熱中得到廣泛應用。永磁感應加熱國內(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上是可以實現(xiàn)的，但由于推廣應用較晚，目前在國內(nèi)缺少相關案例。

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

（6）能耗和熱效率：永磁感應加熱通過電機驅動永磁體旋轉，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70%~80%左右。交流電感應加熱需要在銅線圈內(nèi)通入冷卻水對線圈進行冷卻，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，永磁感應加熱的能耗更低、熱效率更高。

1.2 感應加熱技術存在的問題

由以上技術對比可知，目前使用的感應加熱技術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，由于不同合金及規(guī)格鑄棒的電磁學及熱力學特性差別較大，同時加熱環(huán)境也對加熱過程的熱傳導行為產(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。采用熱電偶測溫時，由于鑄棒需要不斷地進、出爐，現(xiàn)有的鑄棒感應加熱爐基本都是采用接觸式熱電偶進行溫度控制，因受鑄棒表面質量狀況及熱電偶測量位置等因素的影響，經(jīng)常會出現(xiàn)熱電偶與被測鑄棒表面接觸不良等意外情況，導致溫度測量不準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，只有當過燒很嚴重、鑄棒局部發(fā)生熔化時才能通過人工分辨出來（見圖1（a））；鑄錠微小裂紋或內(nèi)部裂紋也存在難于被及時發(fā)現(xiàn)的問題，只有外表嚴重裂開時才能依靠人工挑選出來（見圖1（b））。因此，感應加熱設備如果對溫度異常檢測不出來，過燒或開裂的鑄棒有可能按正常流程流入下道工序，造成極其嚴重的質量事故。

圖1 鋁合金鑄錠感應加熱質量問題

2 新型多重溫度控制方案

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

圖2 多重控制系統(tǒng)示意圖

本系統(tǒng)由感應加熱爐爐體（12）、控溫組件（1~11）、能量監(jiān)控器（14）、進出料裝置（15）、長度測量裝置（16）等組成。

感應加熱爐爐體：當采用電磁感應加熱時，感應加熱爐爐體為固定的圓筒狀，在爐體上裝配有感應線圈（13），該感應線圈為內(nèi)部通有冷卻介質的空心銅線，分段布置于爐體長度方向上，每一個加熱區(qū)一組線圈；當感應線圈內(nèi)接通交變電流后，在爐腔內(nèi)產(chǎn)生交變磁場，鑄棒在交變磁場中由于電磁感應作用產(chǎn)生渦流從而被加熱。當采用永磁感應加熱時，感應加熱爐爐體設計成可旋轉的分段式圓筒狀，每一個加熱區(qū)一段爐體，爐體上裝配有永磁體；當由電機驅動帶有永磁體的分段式爐體旋轉時，在爐腔內(nèi)產(chǎn)生交變磁場，鑄棒在交變磁場中由于電磁感應作用產(chǎn)生渦流從而被加熱。

能量監(jiān)控器：與感應加熱線圈或永磁體驅動電機串接，用于監(jiān)控輸入感應加熱線圈或驅動永磁體的電能。

控溫組件：包括側邊控溫熱電偶（1、3、5、7、9）、側邊測溫熱電偶（2、4、6、8、10）、端部測溫監(jiān)控熱電偶11以及聲光報警裝置。側邊控溫熱電偶與側邊測溫熱電偶成對呈對稱狀設置在爐體的兩個不同側面，如：側邊控溫熱電偶（1）與（2）呈對稱設置，該側邊控溫熱電偶和側邊測溫熱電偶都設計成可以伸縮的形式。鑄棒進出爐膛時，熱電偶縮回，避免與鑄棒的移動相干涉。當正常加熱時，熱電偶伸出并與鑄棒表面接觸，控溫熱電偶控制鑄棒的加熱，測溫監(jiān)控熱電偶對鑄棒溫度進行實時監(jiān)控。端部測溫監(jiān)控熱電偶設置在爐膛兩端的中心位置，正常加熱過程對鑄棒端部中心進行實時監(jiān)控，設計成可以活動的形式，鑄棒進出爐膛時，該熱電偶移出測量位置，避免與鑄棒的移動相干涉。聲光報警裝置分別與側邊控溫熱電偶（1、3、5、7、9）、側邊測溫熱電偶（2、4、6、8、10）、端部測溫監(jiān)控熱電偶（11）、能量監(jiān)控器（14）連接。

進出料裝置：設置于爐體一側，用于將鑄棒送入加熱爐爐腔內(nèi)進行加熱，或將加熱好的鑄棒從爐腔內(nèi)送出。

長度測量裝置：鑄棒在進入爐腔加熱前，測量裝置測量并記錄鑄棒長度。該測量裝置與所有的側邊控溫熱電偶（1、3、5、7、9）及側邊測溫熱電偶（2、4、6、8、10）相連接，這些側邊控溫熱電偶及側邊測溫熱電偶通過測量裝置控制實現(xiàn)啟動或停止。

鋁合金擠壓鑄棒感應加熱過程中的控制原理和過程為：鑄棒在進出料裝置（15）處待命→測量裝置（16）對鑄棒長度進行測量與記錄→端部測溫監(jiān)控熱電偶（11）移出→鑄棒進爐→側邊控溫熱電偶（1、3、5、7、9）及側邊測溫熱電偶（2、4、6、8、10）伸出，端部測溫監(jiān)控熱電偶（11）與鑄棒表面接觸進行實時測溫與控溫→旋轉的永磁體或通有交變電流的線圈（13）通過電磁感應作用給鑄棒加熱→能量監(jiān)控器（14）對加熱過程的電能進行實時監(jiān)控→鑄棒加熱完成→停止加熱→控溫熱電偶（1、3、5、7、9）及測溫熱電偶（2、4、6、8、10）縮回，端部測溫監(jiān)控熱電偶（11）移出→鑄棒通過進出料裝置（15）移出爐膛→接著下個加熱循環(huán)。

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

3 結果和討論

本方案通過鑄棒長度測量與控制、能量輸入控制、測溫監(jiān)控熱電偶對比控制等多種控制方法同時使用，達到多重防過燒防開裂的效果。

多重防過燒的原理為：（1）通過鑄棒長度測量與控制進行防過燒。鑄棒在進出料裝置（15）處準備進爐加熱前，測量裝置（16）測量并記錄鑄棒的長度；當測量到所加熱鑄棒的長度值剛好使得其中一個或多個側邊熱電偶處于鑄棒的端部臨界位置時，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溫不準從而導致鑄棒過燒；（2）通過能量輸入控制進行防過燒。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為鑄棒的質量，△T為鑄棒的溫升值。對給定的鑄棒進行加熱時，鑄棒的比熱容c、質量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。當能量監(jiān)控器（14）檢測到輸入鑄棒的總熱量超出加熱所需的總熱量時，說明鑄棒的實際溫升超出設定值，此時能量監(jiān)控器（14）觸動聲光報警裝置發(fā)出報警并在控制系統(tǒng)中記錄異常情況；（3）通過測溫監(jiān)控熱電偶對比控制進行防過燒。側邊測溫熱電偶與側邊控溫熱電偶成對地設計在鑄棒不同的兩側。這樣設計的好處是，當鑄棒某處的表面質量不好、或粘有異物時，此時處于該處的熱電偶可能會與鑄棒表面接觸不良，但側溫熱電偶與控溫熱電偶處于不同的兩側，此時兩個熱電偶測量位置不同，即不會發(fā)生兩個熱電偶都接觸不良的情況，系統(tǒng)將兩個熱電偶的測量值進行對比，發(fā)現(xiàn)有異常偏差時說明其中一個出現(xiàn)異常，立即觸動聲光報警裝置發(fā)出報警并在控制系統(tǒng)中記錄異常情況。再進一步，即使極端情況下，一對熱電偶（如圖2中的5與6）同時出現(xiàn)異常，本方案也可以通過附近的熱電偶監(jiān)控出來：當（5）與（6）熱電偶同時出現(xiàn)異常時，該處鑄棒的溫度出現(xiàn)異常，而鋁是熱的良導體，（5）與（6）所測量位置與附近（7）與（8） 、（3）與（4）所測量位置的鑄棒進行熱傳導，導致（7）與（8） 、（3）與（4）所處位置鑄棒實際溫度發(fā)生偏移，即可從（7、8 、3、4）這4個熱電偶中監(jiān)控出加熱異常，從而觸動聲光報警裝置發(fā)出報警并在控制系統(tǒng)中記錄異常情況。另外，端部中心位置的端部測溫監(jiān)控熱電偶（11）實時監(jiān)控鑄棒芯部溫度，在極端情況下，比如（1）與（2）熱電偶同時出現(xiàn)異常時，端部測溫監(jiān)控熱電偶（11）也可以檢測出來，從而觸動聲光報警裝置發(fā)出報警并在控制系統(tǒng)中記錄異常情況。

多重防開裂的原理為：一是通過對比鑄棒側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，對鑄棒加熱速度及芯表溫差進行相應控制，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力、芯部受到壓應力作用；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力，其冷卻收縮得到促進，導致芯部冷卻到室溫時其收縮量大于正常值。在高溫時棒材表面與芯部是一個長度一致的整體，而完全冷卻到室溫后，表面長度要稍大于芯部長度。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力均進一步加大，當應力值超過材料的承受能力時，鑄棒就會產(chǎn)生裂紋（如圖1（b）所示）。而感應加熱是利用感應電流的趨膚效應進行加熱，與燃氣或電阻加熱的傳導或輻射加熱相比，其芯表溫差更大，如果控制不當更容易造成鑄棒開裂。

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

4 結論

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

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

（3）同時采用鑄棒長度測量控制、能量輸入控制、測溫監(jiān)控熱電偶對比控制等多重控制技術，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、開裂等質量問題。