感應加熱爐閉式冷卻循環(huán)系統(tǒng)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(yōu)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(huán)冷卻。由于感應線圈、電纜等部件內(nèi)徑較小容易結(jié)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(huán)水系統(tǒng)對感應線圈、電纜等部件進行降溫,水質(zhì)不受大氣污染,避免水質(zhì)污染結(jié)垢,減少設備腐蝕,提高該設備的穩(wěn)定性和安全性;同時閉式循環(huán)用水能夠減少水分蒸發(fā),從而節(jié)約用水,減少損耗[3]。因此研究閉式冷卻循環(huán)系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(jù)鋁棒擠壓加熱工藝需求,其鋁棒加熱爐的具體參數(shù)如表1所示。

表1 鋁棒感應加熱爐參數(shù)表

1.1 參數(shù)設計計算

1)總功率P的計算

根據(jù)實際生產(chǎn)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(jié)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(zhì)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(shù),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(chǎn)增加安全系數(shù)。感應器的冷卻水流量實際安全系數(shù)取2.0,而其他部件的量安全系數(shù)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(shù)如表2所示。

表2 換熱器進出口參數(shù)表

按閉式內(nèi)循環(huán)側(cè)計算,其換熱總量為

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

根據(jù)經(jīng)驗,取1.2安全系數(shù),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(huán)一圈所需的水量來設計,循環(huán)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(jù)經(jīng)驗,取5安全系數(shù),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(jù)此參數(shù)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(huán)系統(tǒng)圖

1.2 冷卻水的相關要求

1)冷卻水的水質(zhì)要求

參照國標GB/T 10067.1—2019,此循環(huán)水路中外部循環(huán)水路管徑較大,采用工業(yè)水;內(nèi)循環(huán)管徑較小,為減少設備故障,故在閉式循環(huán)水冷系統(tǒng)中,采用純凈水,以滿足生產(chǎn)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(jié)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(chǎn)生。

3)冷卻水水壓要求

在此循環(huán)系統(tǒng)設計過程中,循環(huán)系統(tǒng)的水壓在0.2～0.7 MPa[1]。

2 系統(tǒng)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(fā)生絕緣被擊穿。感應加熱爐因線圈靠近發(fā)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(jīng)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(guī)定,均要經(jīng)一定的選擇。

為了獲得良好的漆膜質(zhì)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(nèi)徑較小,生產(chǎn)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(jié)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(nèi)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(nèi),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(zhì)量外,經(jīng)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(jīng)常檢查并對松動件進行緊固,以達到預期效果。

2.2 循環(huán)水管路的設計要點

1)循環(huán)水管路直徑d的計算

循環(huán)水系統(tǒng)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(huán)水流量,m3/s;V為循環(huán)水流速,m/s。

管道材質(zhì)的選擇根據(jù)用途的不同有多種選擇。閉式的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)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(huán)水系統(tǒng)平穩(wěn)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(nèi)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(huán)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(tǒng)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(nèi)循環(huán)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(huán)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(zhì),反復兩次清洗后方可正常使用[3]。閉式循環(huán)冷卻水水箱在使用過程中應經(jīng)常沖洗,利用水箱放水閥門,邊補邊排進行沖洗,直至水質(zhì)清澈、透明、雜物,關閉水箱放水閥。

2)水箱濾網(wǎng)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(tǒng)管道及水箱均為碳鋼材質(zhì)且未經(jīng)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(wǎng),在水箱出水管道上加裝過濾器,以方便過濾雜質(zhì),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(tǒng)存在循環(huán)死角。

2.4 系統(tǒng)儀表配置

閉式冷卻循環(huán)水系統(tǒng)需要配制合適的儀器儀表來確保系統(tǒng)的安全。在此系統(tǒng)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(jiān)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(tǒng)水壓恒定。

在廠房內(nèi)部、外部進水管等部位安裝溫度傳感器、便于外部冷卻循環(huán)水路中冷卻塔的穩(wěn)定運行。水箱內(nèi)部要設浮球液位計,便于水位的監(jiān)測。

3 系統(tǒng)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(xiàn)系統(tǒng)停水,將導致系統(tǒng)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(tǒng)在內(nèi)部循環(huán)設置備用水泵,避免因為水泵故障而影響生產(chǎn)。同時設置了柴油發(fā)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(huán)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(tǒng)的運行平穩(wěn)、安全。

3.2 設備環(huán)境影響

極端天氣下水易凍結(jié),對系統(tǒng)的安全影響極大。尤其是北方地區(qū),冬季循環(huán)水結(jié)冰時有發(fā)生,更需重點防范[3]。本系統(tǒng)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(tǒng)冬季保持系統(tǒng)循環(huán)水流動,大大緩解循環(huán)水結(jié)冰的現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

感應加熱爐是鋁棒擠壓生產(chǎn)線上的核心設備,合理設計閉式冷卻循環(huán)系統(tǒng),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(huán)系統(tǒng)能夠滿足車間生產(chǎn)要求,降低設備的故障率,滿足鋁棒加熱爐冷卻循環(huán)的工藝要求,提高感應加熱爐使用穩(wěn)定性,值得借鑒和推廣。