空冷式感應爐熔煉鋁合金的實驗研究

榮 軍，李 娟，宋利明

(東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110819)

感應加熱是一種利用電磁感應電流(渦流)產生熱能的電加熱形式，具有加熱速度快、熱量損失小、污染低、加工質量高等優(yōu)點［1］.感應加熱時，感應線圈中因交流電流較大而產生大量的熱，必須對線圈冷卻以保證其不因高溫而損壞.工業(yè)生產上，主要是線圈內通水冷卻，即水冷式;這種冷卻方式具有裝置復雜、水資源耗量大和安全維護繁瑣等問題.相比之下，采用銅絞線的空氣冷卻方式即空冷式則具有結構簡單、維護方便、不消耗水資源等優(yōu)點，尤其對于中小規(guī)模生產時其優(yōu)勢更加明顯.

目前，空冷式絞線線圈感應加熱爐的工程應用鮮有報導，有關空冷式感應加熱爐的基礎研究還處于剛剛起步階段［2，3］.本文首先研制了一臺空冷式感應加熱試驗裝置，然后在此試驗裝置上對鋁合金物料進行加熱并熔煉，以探索空冷感應加熱爐的可行性，為空冷式感應加熱爐的工程化運用與推廣奠定良好的理論基礎.

1 實驗原理裝置

當交流電流過感應線圈時，在其周圍激起交變磁場，使在其附近的金屬物料或金屬坩堝本身產生強大的感應電流.同時，金屬物料或金屬坩堝本身具有電阻.根據(jù)熱電轉換定律，電能在坩堝或物料中轉化為熱能.利用此熱能可實現(xiàn)對金屬的加熱和熔煉.

圖1 空冷感應加熱實驗裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of the air－cooling induction heating equipment

圖2 空冷感應加熱爐爐體及坩堝給料、出料實驗裝置結構圖Fig.2 Induction furnace and sealing parts

圖3 空冷感應加熱爐及坩堝給料、出料實驗裝置實物圖Fig.3 Photo of the experimental induction furnace and sealing parts

基于此，研制了空冷式感應加熱實驗裝置，其基本原理圖如圖1，結構圖如圖2，實物圖如圖3.試驗裝置主要由高頻感應加熱電源、空冷感應加熱爐、金屬坩堝、給料裝置、出料裝置及檢測系統(tǒng)等組成.空冷感應加熱爐的爐體主要呈圓筒包層結構，由內向外依次為金屬坩堝、保溫材料、感應線圈、風扇支架、冷卻風扇及接線盒.實驗裝置從上到下為進料裝置、空冷感應加熱爐、出料裝置和底座平臺.在金屬坩堝的下部設有由封頭裝置控制的鋁合金液出料口.不排放金屬液時，出口處于閉合狀態(tài)，排放時，打開封頭，鋁合金液在重力作用下流出.感應線圈呈圓形螺線管狀包圍在坩堝外部，螺線之間有一定間隙，線圈材料為多股銅絞線.當感應線圈通電工作時會產生大量的熱，為保證線圈在可靠的溫度下工作，必須采取措施對線圈進行散熱.本實驗裝置采用空冷技術，使用風扇對線圈強制空冷散熱.有多個小型風扇固定在線圈外圍的支架上，呈上下兩行均勻分布，風扇工作時，可分組或統(tǒng)一控制向線圈強制吹風.爐體尺寸等主要技術數(shù)據(jù)見表1.

表1 感應爐的主要規(guī)格數(shù)據(jù)Table 1 Induction furnace size data

本實驗用電源為感應加熱專用電源，主要由逆變器、諧振單元和感應器組成.其中逆變器將工頻交流電變換成幾千Hz的中頻交流電.感應加熱電源的諧振頻率可根據(jù)被加熱對象和工藝的不同而作調整，本實驗采用的感應加熱電源諧振頻率在10 kHz左右［4］.諧振單元連接于逆變器和感應器之間，將高壓變成隔離并進行阻抗匹配.為了監(jiān)測坩堝外壁溫度，在坩堝外壁上從上到下布置了4個熱電偶，分別標記為上、中上、中下、下，每個熱電偶間距10 cm.在坩堝內裝有測量物料溫度的熱電偶，在絞線中心裝有熱電阻檢測絞線溫度.本實驗采用的澆注模具是45#普碳鋼材質標準模具.實驗時被加熱熔化的金屬物料為鋁合金，保護氣體為氬氣.

2 實驗內容與操作步驟

將鋁合金物料裝入感應加熱爐的坩堝內加熱熔化，熔化的鋁合金液在重力的作用下從坩堝下部的排放出口流出至模具中澆注成鋁合金錠，見圖4.

主要操作步驟如下:(1)檢查實驗裝置并啟動檢測系統(tǒng)，設置實驗數(shù)據(jù)間隔;(2)將鋁合金物料放入坩堝內，記錄放入物料的質量;(3)對實驗裝置進行氣密性檢查，確認氣密性正常后，通入氬氣作為保護氣體;(4)開啟電感線圈冷卻風扇;(5)啟動感應電源，設定頻率、加熱功率，加熱物料使其熔化，隨時觀察檢測數(shù)據(jù)的變化，爐料溫度控制在660～680℃之間;(6)將鋁合金液溫度升至750℃，物料全部融化后，停止感應加熱.將封門打開，使液態(tài)鋁合金流出，澆注到模具中;(7)關閉保護氣體，待爐溫降至規(guī)定溫度后，關閉檢測系統(tǒng)及冷卻風扇.

實驗過程中定時記錄感應電源的電流、電壓及頻率，坩堝內物料、坩堝外壁、感應線圈和環(huán)境的溫度等數(shù)據(jù).

圖4 澆注成型的鋁合金錠實物圖Fig.4 Photo of the casting aluminum ingots

3 實驗結果與分析

本實驗共做了4次，每次放入鋁合金物料約37 kg，澆注出來的鋁合金錠約32 kg.熔化澆注前后出現(xiàn)質量差的主要原因是為了防止熔煉殘渣排出，在出料口的結構設計及操作上使一部分鋁合金液留在坩堝內.每次實驗過程約進行4 h，鋁合金物料從加熱、熔化到澆注成錠，整個過程運行順利，實驗中未出現(xiàn)線圈溫度異常、物料不熔化等情況，線圈絞線中心溫度的變化范圍在20～62℃之間，處于可靠工作范圍內.實驗中采用若干個熱電偶對坩堝的內、外壁溫度、坩堝內爐料的溫度及坩堝內底部的溫度進行了跟蹤測試.4次實驗溫升曲線如圖5.

上述升溫曲線圖可以看出，坩堝內的鋁合金物料經(jīng)歷了固態(tài)加熱和熔化兩個階段，分別對應溫度曲線的升溫區(qū)和平臺區(qū).實驗數(shù)據(jù)顯示，鋁合金錠的熔化溫度為750℃左右，4次略有差別，這主要是由于在熔化過程中無攪拌等措施，鋁合金為自然熔化，爐內各處形態(tài)不均勻，物料溫度分布也不均勻所致.

圖5 4次實驗的爐內升溫曲線圖Fig.5 Furnace temperature curve of 4 experiments

溫升曲線圖還顯示在熔化階段，溫度出現(xiàn)短暫降低又很快升起的鋸齒狀，這是因為熔化過程中，鋁合金物料突然塌落到坩堝內壁中下處，導致溫度瞬間降低，待快速熔化后溫度又回升到平臺上.

在整個加熱過程中，坩堝外壁的溫度分布出現(xiàn)了兩個階段:一是在固態(tài)加熱階段，上部和下部溫度較低，中間溫度較高;二是在熔化階段坩堝外壁的整體溫度逐漸趨于一致.在開始加熱階段坩堝外壁上下部溫度較低是因為上下部爐體結構部件蓄熱以及散熱較強等原因;當鋁合金物料處于熔化并進入比較穩(wěn)定狀態(tài)時，由于鋁合金液的流動性及良好的傳熱，使坩堝的整個外壁溫度趨于一致，溫度分布均勻，且絞線溫度遠低于漆包線耐熱溫度.綜上可見，爐體設備工作正常.

提供的總能量為總輸入能量，總輸入能量分為有效熱和損失熱兩部分.本測算定義的有效熱包括坩堝、保溫材料、爐體結構的蓄熱以及鋁合金物料吸收的熱量，損失熱包括感應線圈、爐體保溫材料、爐蓋及排放出口、爐體結構平臺等散失的熱量.

采用正平衡法時，熱效率為有效熱與總輸入能量之比;反平衡算法，熱效率為總輸入能量減去散失熱量，所得的差值與總輸入能量之比.

表2 電磁感應爐熱效率實驗測算數(shù)據(jù)Tabel 2 Induction furnace thermal efficiency

由表2可見，空冷感應加熱爐的熱效率在70%以上.比電阻爐和火焰爐效率高10% ～20%［5，6］.在感應加熱的過程中，能量以電磁波的形式傳遞，所受外界影響較小，能量損失少，因此提高了加熱效率.

采用空冷感應加熱爐對鋁合金的加熱、熔化及熔煉過程，感應線圈銅絞線中心最高溫度為62℃，遠低于漆包線的耐熱溫度.實驗過程中爐體設備穩(wěn)定運行，表明采用絞線線圈在空氣強制冷卻條件下實現(xiàn)感應加熱是可行的.

4 結論

(1)熔煉鋁合金的過程中，坩堝外壁溫度分布均勻，絞線溫度遠低于漆包線耐熱溫度，爐體設備工作正常;

(2)用空冷式感應加熱和熔煉鋁合金物料，其熱效率在70%以上，與火焰爐、電阻爐相比，節(jié)能效果顯著;

(3)空冷式絞線感應爐，與水冷式感應爐相比，具有結構簡單、維護方便、節(jié)約水資源等優(yōu)點.

綜上，空冷式感應加熱爐用于金屬物料的加熱和熔化基本可行.

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