感應加熱爐閉式冷卻循環系統的應用

彭加利 ,李佳龍

(遼寧忠旺機械設備制造有限公司,遼寧 遼陽 111003)

鋁棒在擠壓成型的過程中需要感應加熱爐對其進行加熱。由于紫銅管的導電性能比較優良,是鋁棒加熱爐中的電纜、感應線圈等部件原材料[1]。加熱鋁棒過程中,電纜、感應線圈等部件通常是需要用水對其進行循環冷卻。由于感應線圈、電纜等部件內徑較小容易結垢堵塞,導致冷卻不到位,從而導致設備燒壞[2]。

采用閉式冷卻循環水系統對感應線圈、電纜等部件進行降溫,水質不受大氣污染,避免水質污染結垢,減少設備腐蝕,提高該設備的穩定性和安全性;同時閉式循環用水能夠減少水分蒸發,從而節約用水,減少損耗[3]。因此研究閉式冷卻循環系統的設計要點,對其在感應加熱爐中的應用具有重要的意義。

1 研究方案設計

鋁棒加熱爐采用梯度加熱的方式以減少能耗,其感應器結構形式采用六組加熱線圈,每組多層線圈可單獨控制加熱[4]。對于根據鋁棒擠壓加熱工藝需求,其鋁棒加熱爐的具體參數如表1所示。

表1 鋁棒感應加熱爐參數表

1.1 參數設計計算

1)總功率P的計算

根據實際生產的需求,鋁坯料的平均比熱容c=0.932 kJ/(kg·℃),初始溫度差T-T0=520-20=500 ℃,坯料密度為p=2.7g /cm3,電效率取n=0.4;節拍t=180 s/根[5]。則總功率P計算過程如下：

1 140 kW

式中：T0為初始溫度,取室溫20 ℃;G為坯料質量,kg(鋁合金的平均密度值取27.5g/cm3);n為電效率(鋁合金感應加熱取0.4)。

2)冷卻總水量Q的計算

冷卻水量計算需要按效率低的加熱純鋁來考慮取η=0.4,那么總功率的60%可以粗略估算成冷卻水需要帶走的熱量即ΔP=0.6P。其他部件(如晶閘管、電纜等)要帶走額定功率10%左右的熱量,即ΔP1=0.1P。在冷卻水溫升不超過20 ℃前提下,感應線圈加熱過程中所需的理論冷卻水量W1按下式計算：

33.7 m3/h

式中：W1為冷卻水量(感應器所需),m3/h;k為安全系數,取k=1.15;cs為冷卻水的比熱容,取4.2kJ/kg ℃;p為冷卻水的密度,g/m3;ΔT為冷卻前后水的溫差,取20 ℃。

按照上述計算過程可得出其他部件所需要的冷卻水量W2=5.6m3/h;

理論計算后,實際生產增加安全系數。感應器的冷卻水流量實際安全系數取2.0,而其他部件的量安全系數則要取到4.0。即冷卻水實際總流量Q=Q1+Q2,取Q=90 m3/h。

3)換熱面積A的計算

平均的溫度差ΔT按照下式計算,參數如表2所示。

表2 換熱器進出口參數表

按閉式內循環側計算,其換熱總量為

換熱器按照水-水換熱,傳熱系數取K=4 500W/(m2·℃),則換熱面積A0為

根據經驗,取1.2安全系數,因此換熱面積A=1.2A0,A可選為62 m2。

4)水箱體積V的計算

按照水在冷卻水管中循環一圈所需的水量來設計,循環一圈大概需要時間t為10 s,則可估算出所需水量V為

根據經驗,取5安全系數,因此換熱面積V=5V0,V可選為1.25 m3。

由上述計算得出總功率,冷卻水總流量以及換熱器換熱面積等,可以根據此參數選取合適的水泵、水箱、板式換熱器,可設計方案如圖1所示。

圖1 鋁棒加熱爐閉式循環系統圖

1.2 冷卻水的相關要求

1)冷卻水的水質要求

參照國標GB/T 10067.1—2019,此循環水路中外部循環水路管徑較大,采用工業水;內循環管徑較小,為減少設備故障,故在閉式循環水冷系統中,采用純凈水,以滿足生產的正常需求。

2)冷卻水的溫度要求

感應線圈進水溫度應在20～30 ℃,此溫度下金屬管壁不會“結露”而影響絕緣。其出水溫度應在40～50 ℃;此溫度下能減少水垢的產生。

3)冷卻水水壓要求

在此循環系統設計過程中,循環系統的水壓在0.2～0.7 MPa[1]。

2 系統設計要點

2.1 感應器線圈的制作要點

1)感應器線圈的制作流程

鋁棒加熱爐是在鋁棒的外表纏繞絕緣的線圈,通過電磁感應加熱,線圈制作是極其重要的[6],其加工制備的工藝流程如圖2所示。

圖2 感應器線圈的制作流程圖

2)線圈的絕緣處理

線圈在制作過程中要清除毛刺、尖角以及退火后的氧化皮等,若處理不到位很容易導致感應器發生絕緣被擊穿。感應加熱爐因線圈靠近發熱體,采用有機硅系列的復合絕緣制品,屬耐熱一級絕緣[7]。感應器線圈經過絕緣包扎和套裝后,還要進行浸漆烘干處理,其目的是使漆液充分填補孔隙,線圈各匝間緊密黏合,形成一個完整的絕緣漆膜,以提高線圈的機械強度、絕緣以及防止受潮等性能。

為了使漆液便于浸漬,并且使線圈表面漆膜達一定厚度,對漆的黏度有一定要求。為了得到線圈表面 良好的漆膜,對線圈浸漆、滴干時間、烘干時干燥爐初始溫度、升溫速度、各保溫階段溫度與時間的規定,均要經一定的選擇。

為了獲得良好的漆膜質量,烘干設備采用的是真空感應干燥爐,浸漆的關鍵是要把絕緣層浸透,烘干后形成整體。將以真空浸漆取代目前使用的常壓浸漆,烘干后的線圈,提高漆膜的防潮性和機械強度,最后在線圈表面噴涂一層有機硅瓷漆[7]。感應器線圈的安裝如圖3所示。

圖3 感應器線圈安裝示意圖

3)堵塞線圈處理

感應線圈由于其內徑較小,生產過程中多次遇到線圈堵塞問題,遇到此類問題,若直接更換線圈,更換配件較多,時間較長,替換任務量大且成本高;采取水壓疏通可以大幅節省時間,但若是壓力沒控制好,水垢會在推力作用下在線圈內部堆積、堵死,線圈會報廢。通常最好的辦法是酸堿疏通。酸堿反應可以用來去除水垢,疏通線圈。在堵塞的線圈內,倒入適量的酸堿(醋、小蘇打等)靜置一定時間后,水垢脫落來疏通管道[8]。

4)線圈維護

影響線圈使用壽命的因素除絕緣設計和制造工藝質量外,經常性的維護也是關鍵,特別是鋁棒進入爐膛過程中,對線圈的磨損而引起接地短路,所以要經常檢查并對松動件進行緊固,以達到預期效果。

2.2 循環水管路的設計要點

1)循環水管路直徑d的計算

循環水系統的壓力通常在0.2～0.7MPa,管路的流速一般為1.5～3.0 m/s[9]。管路直徑計算按下式進行：

式中：d為管徑,m;Q為循環水流量,m3/s;V為循環水流速,m/s。

管道材質的選擇根據用途的不同有多種選擇。閉式的循環冷卻水系統中,常選取焊接無縫鋼管。管徑取DN100的無縫焊接鋼管。

2)管道排氣裝置

管道安裝焊接定位好后,需要進行通水試漏,初次通水中局部水流速度較快,沒法及時排除全部空氣,導致管中形成氣阻,振響。嚴重時會影響到整個循環水系統平穩運行[9]。所以,在管道的高處(一般在末端)設置氣體排出閥,同時可以按照2%向上坡度鋪設水平管路,更方便管內的氣體排出。

另外,在管道的最低點、感應爐水管進出口、水泵的進出口等部位裝好手動閥,便于管道排水檢修。循環水泵進出口必須有截止閥、過濾器,管路設計盡量防止管路應力傳到水泵上,水泵進出口還需安裝可曲撓橡膠接頭。

3)管道鋪設

管道鋪設一般有兩種方式：架空和埋低。本系統考慮到北方氣候的影響,將水管埋在冰凍線(約1.2 m)以下。

2.3 水箱設計要點

閉式內循環中純水存在一定損耗,需要及時補充,故水箱應裝電動液位計,安裝示意圖如圖4所示。其清理過程如下：

圖4 水箱設計安裝示意圖

1)閉式水箱清理

閉式循環冷卻水水箱在初次使用時用試漏,試漏完后邊補水邊清洗,然后排空以排出制作過程中存在的雜質,反復兩次清洗后方可正常使用[3]。閉式循環冷卻水水箱在使用過程中應經常沖洗,利用水箱放水閥門,邊補邊排進行沖洗,直至水質清澈、透明、雜物,關閉水箱放水閥。

2)水箱濾網堵塞處理

閉式冷卻水補水水源可能攜帶顆粒,將水箱存水放空后進行檢查及人工清理防止水源攜帶顆粒[8]。閉式冷卻水系統管道及水箱均為碳鋼材質且未經過酸洗鈍化會存在氧化及銹皮脫落的情況。閉式冷卻水泵入口設計濾網,在水箱出水管道上加裝過濾器,以方便過濾雜質,及時清理。同時板式換熱器、感應線圈每隔一段時間清理一次,做到防止系統存在循環死角。

2.4 系統儀表配置

閉式冷卻循環水系統需要配制合適的儀器儀表來確保系統的安全。在此系統中,水泵的前后、感應線圈進出水口等部位安裝電接觸壓力表、電接點溫度計。實時監測線圈等核心部件的水壓情況,確定其有無堵塞。在管道的尾端安裝壓力變送器,從而合理控制水壓,確保系統水壓恒定。

在廠房內部、外部進水管等部位安裝溫度傳感器、便于外部冷卻循環水路中冷卻塔的穩定運行。水箱內部要設浮球液位計,便于水位的監測。

3 系統運行與維護

3.1 設備的安全性

感應加熱需將鋁棒加熱到500 ℃,若出現系統停水,將導致系統沒法及時冷卻,會直接將鋁棒燒壞,影響其性能;同時鋁棒加熱爐的爐體,線圈,爐門等部件也會在高溫下燒壞。本冷卻系統在內部循環設置備用水泵,避免因為水泵故障而影響生產。同時設置了柴油發電機和應急高位水箱作為在非計劃停電情況下的緊急措施。

而外部循環采用消防安全水和自來水作為應急水源,配制應急水源切換閥門。在非計劃停電情況下,可將水管連接到該應急水源,保證系統的運行平穩、安全。

3.2 設備環境影響

極端天氣下水易凍結,對系統的安全影響極大。尤其是北方地區,冬季循環水結冰時有發生,更需重點防范[3]。本系統管道多采用埋地鋪設,對于一些架空管道,大多采用管道包棉;同時系統冬季保持系統循環水流動,大大緩解循環水結冰的現象。

4 結 論

感應加熱爐是鋁棒擠壓生產線上的核心設備,合理設計閉式冷卻循環系統,極為重要。通過合理的操作流程和清洗方法,能夠有效地解決感應線圈、水箱等部件的堵塞故障問題。通過實際設備運行,該閉式冷卻循環系統能夠滿足車間生產要求,降低設備的故障率,滿足鋁棒加熱爐冷卻循環的工藝要求,提高感應加熱爐使用穩定性,值得借鑒和推廣。