感應加熱在鈦板軋前加熱中的應用

感應加熱在鈦板軋前加熱中的應用一、概述感應加熱有以下特點：加熱溫度高、效率高、加熱速度快。容易實現(xiàn)控制自動化。環(huán)境污染少，幾乎沒有噪聲和灰塵。設備體積小、可節(jié)約場地。工件加熱均勻，產(chǎn)品質量好。感應加熱的優(yōu)點：第一、是能耗低。感應加熱爐的加熱熱效率可到達70%左右，各種室式爐只有30%左右。第二、使用方便，操作簡單，可長時間連續(xù)工作也可根據(jù)需要隨時啟停，可實現(xiàn)全自動或半自動加熱。第三、加熱效率高，因而電能消耗少，工件變形小而且加熱速度快，可使工件在極短的時間內到達所需的溫度，從而使工件表而氧化和脫碳等加熱缺陷降到很低程度。第四、易于實現(xiàn)生產(chǎn)自動化，便于管理，提高生產(chǎn)效率。第五、感應加熱還具備電能利用率高、環(huán)保節(jié)能、平安可靠和作業(yè)環(huán)境好等優(yōu)點。二、研究背景某有色材料生產(chǎn)廠家在鈦板坯軋前加熱設備為電阻爐，由于電阻爐加熱效率低，加熱、保溫時間過長，導致鈦板表而嚴重氧化，致使材料利用率降低，保溫過程晶粒長大，影響成品板材質量。為提高產(chǎn)品原材料的利用率、提高產(chǎn)品質量、降低能耗，公司提出引進感應加熱爐用于取代電爐，滿足公司最大坯料(3180*850*2200)軋前加熱要求。三、板坯軋制要求及其加熱制度鈦及鈦合金密度小、比強度高、耐熱、耐低溫性能好，具有優(yōu)良的耐蝕性能，并且導熱性能差、無磁、彈性模量低，具有很高的化學活性等。金屬鈦有兩種同素異形態(tài)，低溫穩(wěn)定態(tài)為a-Ti，其晶格類型為密排六方晶系；高溫穩(wěn)定態(tài)為p-Ti,體其晶格類型為心立方晶系，相變溫度為882.5C。。工業(yè)純鈦的單位壓力隨著加熱溫度升高明顯降低〔見表2〕。當加熱溫度超過相變溫度，引起p相晶粒迅速長大，對工業(yè)純鈦是有害的。如果不能保證主要變形在c〔相區(qū)完成，那么會造成組織粗化，惡化產(chǎn)品性能。實踐說明，在Q相區(qū)軋制具有良好的工藝塑性，一次總加工率可達90%以上，同時有害氣體對產(chǎn)品的污染程度也比p相區(qū)軋制的輕〔見表3〕。鈦是一種活性金屬，鈦在空氣中受熱很容易與氧發(fā)生反響，氧氣進入鈦表而晶格中，形成致密的氧化薄膜，這層氧化膜具有保護作用，這也是鈦耐腐蝕的原因，但是隨著溫度的升高，當溫度升高到500C。的時候，表而的氧化膜開始在鈦中溶解，氧開始向金屬內部晶格擴散，當溫度高于700C。的時候，氧向金屬內部的擴散加速，表而的氧化膜失去保護作用。致使鈦外表的氧化物迅速增加，從而降低材料的利用率。因此合理的加熱制度是提高材料利用率的關鍵因素。見表2,當板坯厚度150200mm時，電阻爐加熱所需時間顯著增加，由于電阻爐是屬于熱傳遞式加熱，材料芯表溫差較大，必須經(jīng)過長時間保溫來實現(xiàn)勻熱，勻熱時間越長，那么a相向p相轉化程度越高，p相晶粒隨著保溫時間的增加而迅速長大，造成組織粗化而影響產(chǎn)品性能。見表3,有害氣體對鈦及鈦合金板坯的污染程度，隨坯料的加熱溫度升高而增大。有害氣體的污染所形成的吸氣層顯著降低板坯外表的塑性，嚴重影響著材料的表而質量。綜上所述鈦板坯采用感應加熱爐加熱時，加熱時間短，芯表溫差均勻，板坯外表氧化層少，可以顯著提高材料的利用率，提高產(chǎn)品質量、降低能耗。四、變頻電源功率及加熱節(jié)拍計算公司的軋機型號為2500mm三餛熱軋機，主電機為1500KW交流電札根據(jù)工藝要求，板材軋制起始溫度840880Co，完成一張坯料開坯的軋制時間約為lOmino由于廠房供電最大容量為2500KW,為滿足2500mm三眾熱軋機及其附屬設備的正常工作和廠房的日常用電，最多可提供800KW的供電容量用于感應加熱設備的正常使用。而感應加熱設備功率確實定是需要被加熱工件重量、加熱節(jié)拍以及最高加熱溫度計算得出的，公式如下：由于完成一張板坯的軋制所需時間為10mm,受廠房供電條件影響,感應加熱爐的最大功率為800KW，板坯從室溫加熱至軋制溫度所需時間較長，無法滿足軋機的滿負荷工作，造成能源的浪費，通過上式可知，降低感應加熱爐升溫溫差，可以顯著提高感應爐加熱效率，當起始溫度升高至500C。時，加熱節(jié)拍滿足軋機的正常軋制需要。通過表3可知，板坯外表吸氣層的厚度受加熱溫度的影響，在高溫段的影響尤為嚴重，在低溫段時那么微乎其微，因此，可以采用電阻爐預熱至500C0后轉送至感應加熱爐中升溫至軋制溫度的形式是可行的。五、電源頻率的選擇在各種感應加熱應用中，穿透加熱是感應加熱中用途比擬廣泛的,主要用于各種金屬熱加工前的預熱和熱處理中的透熱。其中最重要的熱加工過程如鍛造、擠壓和軋制。選擇穿透加熱的頻率主要考慮金屬材料的加熱深度，金屬材料加熱深度可以用臨界頻率表計算出來，對于薄板或者厚板等板材而言，其感應加熱的臨界頻率是指當板厚大約是穿透深度的2.25倍時的頻率。對于結構簡單的工件加熱，如棒材、板材等，其臨界頻率或最低頻率F由下式給出棒材：F二4*108p/“2板材：F二2.27*208p/w2式中：a表示棒材的直徑或者板材的厚度〔單位：cm〕M表示工件相對導磁率p表不工件的電阻率〔單位：Qcrn〕金屬材料的電阻率p隨溫度的變化而變化。因此，計算臨界頻率F時，所取的材料電阻率p是指金屬材料感應加熱最高溫度時的p值。己知板材厚度a=18cm鈦的導電性能較差，近視于不銹鋼。假設以銅的導電率為100%,那么鈦僅為3.1%0鈦的導電性隨溫度的變化關系見圖1。20C。時，工業(yè)純鈦的電阻率為0.556uQrn,在不同溫度下，*工業(yè)純鈦的電阻率可通過下式求得：p=0.51+2.25*10-3t-8.6*10-10*t3當t=860C°求得p=0.51+2.25*10-3*860-8.6*10-10*8603?1.9pQ-m=1.9*10-4Q-cmU=1.00004H/m取2六、結論根據(jù)公司的設備狀況及廠房供電情況，技術人員與感應加熱爐制造廠家溝通，制造廠根據(jù)公司提出的要求結合理論依據(jù)，最終選用