感應加熱在ESP中的應用

孟令學

(六安鋼鐵控股集團特鋼有限公司 安徽省六安市237400)

1 感應加熱在ESP軋線上應用優點

ESP生產線，在無頭生產模式下，連鑄機通過鑄坯、中間坯及成品帶鋼與地下卷取機連續相接數小時。由高效連鑄機連續澆注的高質量鑄坯經過3機架大壓下軋機軋制成厚度為8～20mm的無頭中間坯。該無頭中間坯通過帶保溫罩的輥道運送至電感應加熱爐，電感應加熱爐以高效、準確、動態在線和靈活的方式將無頭中間坯加熱至要求的1100～1200°C。電感應加熱爐后設置有夾送輥除鱗箱。無頭中間坯經過除鱗后進入5機架精軋機組，軋制成目標厚度的帶鋼。帶鋼經過輸出輥道和層流冷卻后得到理想的微觀組織結構。在輸出輥道的末端、卷取機之前，高速飛剪將無頭帶鋼進行分卷，然后在地下卷取機上進行卷取。ESP生產線設備配置見圖1。

ESP生產線無頭軋制模式下可以生產厚度為0.8～4.0mm全寬度帶鋼，半無頭軋制模式下可以生產厚度為3.5～6.0mm全寬度帶鋼。

上述的無頭軋制模式對超薄熱軋帶鋼(UTHS)生產專門進行了優化以便能連續優質地生產出傳統的帶鋼厚度并獲得優化的收得率(無頭尾)。通過消除帶鋼頭部穿帶和甩尾過程，實現在全寬度范圍軋制厚度為1mm以下的帶鋼。

電感應加熱爐位于ESP軋線的中間部分，精軋機前，在軋線中起到至關重要的作用，其相對于煤氣等傳統加熱手段而言具有以下優點：

圖1 ESP生產線設備配置圖

(1)具有精確的加熱深度和加熱區域,并易于控制。

(2)易于實現高功率密集,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,在加熱過程中不易摻入雜質。

(5)工件材料耗損小,氧化鐵皮生成少。

(6)作業環境符合環保要求。

(7)易于實現加熱工程自動化。

(8)設備占地小，節約軋線空間[1]。

ESP電感應加熱爐全長僅11m左右，共計12個單元，可將高速運行的板坯快速升溫最高300℃左右。高效節能的電感應加熱爐是ESP軋線核心設備之一，是無頭軋制工藝得以實現的必要條件。

2 感應加熱工作原理

感應加熱的基本工作原理為電磁感應。在被加熱金屬件外繞上一組感應線圈，當線圈中流過某一頻率的交流電流時，就會產生相同頻率的交變磁通，交變磁通又在金屬件中產生感應電勢，從而產生感應電流(渦流)，產生熱量，實現對工件的加熱。感應加熱方式是通過感應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部轉化為熱能。感應線圈與金屬件并非直接接觸，能量是通過電磁感應傳遞的。因而，把這種加熱方式稱為感應加熱[2]。

根據受熱工件纏繞感應線圈方式的不同，電感應磁場在加熱金屬的磁場分布方向會不同，將其分為橫磁與縱磁兩種，詳見圖2。

圖2 縱磁與橫磁磁感線及感應電流分布圖

縱磁(左上圖)：磁場方向與板坯運動方向平行；勵磁電流環板坯；

橫磁(右上圖)：磁場方向與板坯運動方向垂直；勵磁電流分布在上下兩個線圈；兩個線圈平行布置于板坯上下；

3 橫縱磁電感應加熱爐在ESP應用對比

橫縱磁場兩種加熱方式在應用中各有優缺點，其比較分析見表1。

3.1 縱向磁場

3.1.1 優點

(1)其顯著優點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)自動化控制方面簡單，易操作，能輕易實現溫度閉環控制。

(3)設備結構簡單，能長時間穩定運行，突發狀況少，維修方便，備件周轉速度快，適應工廠連續作業生產模式。

表1 橫縱磁場優缺點對比

3.1.2 缺點

(1)縱向磁場在中間坯厚度方向加熱不均，進而形成軋后帶鋼厚度方向上組織分層，不利于最終產品性能控制。

(2)磁場加熱深度上，隨著中間坯厚度逐漸變薄，理論上要求加熱深度應隨著中間坯變薄而變淺，從而達到更好的加熱效果。在其他條件不變的前提下，就要求磁場頻率變高。而由于中間坯變薄，LC震蕩回路中L值變小，因而實際磁場頻率是在降低的。故而縱向磁場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越低[3]。

(3)耐火材料防護方面，由于縱磁狀態下的磁場決定加熱線圈必須環繞中間坯，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，由于縱磁要求磁場頻率較高，高頻率大功率，因而在電氣柜功率器件設計選型上要求較高。

3.2 橫向磁場

3.2.1 優點

(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中間坯，故而中間坯在厚度方向是整體同時加熱，不存在加熱深度問題。有利于保持厚度方向上的溫度均勻性。

(2)電氣方面，由于橫向磁場要求頻率較縱向磁場低的多，在電氣設計上降低難度，有利于設備穩定運行。

(3)橫磁狀態下的磁場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，使得系統在不同厚度下的中間坯均可以達到較高的加熱效率。效率的提高意味著能耗降低，節約軋制成本。

(4)在薄規格帶鋼軋制過程中，縱磁效率要隨著規格的變薄而逐漸降低，其平均熱能轉換效率在75%左右，而橫磁由于可以調節氣隙大小，使得效率較高，平均效率在90%左右。以ESP為例，在產線達到相同規格產量下，縱磁加熱爐的日平均電能消耗要比橫磁加熱爐高約9萬度電。

3.2.2 缺點

(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，使得生產帶鋼的質量受到影響。

(2)由于橫向磁場需要設計線圈上下移動裝置來保證加熱效率，故而負載結構設計較復雜，故障點多，運行不穩定。

(3)自動化連鎖控制較多，操作較復雜，維護不方便。

(4)設備維修周期長，備件周轉需求量大。

綜上所述，縱磁與橫磁皆有其優缺點，現場實際選型時需要綜合考慮實際需求來選定。

4 感應加熱在ESP應用過程中的問題及建議

ESP生產線運行以來，電感應加熱爐在應用中出現過多種問題，針對這些問題，現場經過討論及驗證，提出以下幾點改進措施及建議。

4.1 縱磁薄規格加熱效率低問題

縱向磁場主要缺點為薄規格時加熱效率偏低，無法適應多規格鋼種軋制。特別是隨著軋制規格變薄后效率快速降低，導致出口溫度無法達到設定值。可采取改變頻率的方法來改善這種現象。由于現場負載線圈不易調整，可采取切換電容組的方式來調節不同規格下磁場頻率，確保加熱效率。

4.2 橫磁邊部高溫高問題

為消除橫磁邊部溫度過高，可采取錯位加熱法及邊部磁場分散法。

(1)錯位加熱法，將加熱線圈制作小于帶鋼，使得僅在帶鋼一邊過熱，同時相鄰兩組加熱爐錯位分布，將過熱部分平均，因而經過多組之后的帶鋼在橫向上得到均勻的溫度分布，見圖3。

圖3 錯位加熱法線圈布局圖

(2)邊部磁場分散法，設計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倒走，使得在帶鋼邊部的磁場減弱，加熱效率降低，但整體溫度均勻，見圖4。

圖4 邊部磁場分散法設計圖

(3)兩種方法各有優缺點：

錯位加熱法可以有效消除溫度不均勻，但需要配套相應的液壓系統，同時一旦生產帶鋼規格變動，其位置分布需要另行調整。

邊部磁場分散法效果好，但不易設計實現，同時調試難度較大。目前未有實際案例。

4.3 現場環境影響問題

作為電氣設備，電感應加熱爐對于水汽及氧化鐵皮雜質反應敏感，現場存在水汽及氧化鐵皮會直接影響電感應加熱爐的使用壽命。而因工藝要求，電感應加熱爐后必需設置除鱗箱對帶鋼進行除鱗處理，從而導致電感應加熱爐后面直接與除鱗相連，常年水汽較多，同時水汽中多攜帶氧化鐵皮粉末，影響電感應加熱爐的穩定運行。

為消除環境影響，要做到以下兩點：

(1)電感應加熱爐區域封水處理，阻擋除鱗反水及清理周圍空氣中的水汽。土建設計時就要考慮到該區域內的排水及防水設計，阻斷除磷與電感應加熱爐之間的聯系，確保加熱爐處于干燥清潔的環境內。

(2)優化設備爐體結構設計—密閉式，確保爐體上銅排等帶電部分受到完全封閉的保護，避免空氣中的氧化鐵皮粉堆積后引起爐體短路。

5 總結

橫縱磁場在ESP產線的應用各具有優缺點，縱向磁場的溫度均勻性、設備的穩定性，橫向磁場的高效率，在實際選型時要綜合考慮產線的需求。

結合當前鋼鐵行業轉型升級的總體要求，節能環保成為制約鋼鐵行業發展的主要瓶頸。而電感應加熱爐以其熱轉換效率高、零污染綠色環保、精準溫度自動控制等顯著特點，使得該技術在無頭軋制生產線及常規薄板坯連鑄連軋生產線的應用中有極大的發展前景。在以溫度為核心的ESP生產線中，隨著溫度控制技術的發展，感應加熱在微觀結構等產品性能開發方面將會發揮更重要的作用。