感应加热炉闭式冷却循环系统的应用

彭加利 ,李佳龙

(辽宁忠旺机械设备制造有限公司,辽宁 辽阳 111003)

铝棒在挤压成型的过程中需要感应加热炉对其进行加热。由于紫铜管的导电性能比较优良,是铝棒加热炉中的电缆、感应线圈等部件原材料[1]。加热铝棒过程中,电缆、感应线圈等部件通常是需要用水对其进行循环冷却。由于感应线圈、电缆等部件内径较小容易结垢堵塞,导致冷却不到位,从而导致设备烧坏[2]。

采用闭式冷却循环水系统对感应线圈、电缆等部件进行降温,水质不受大气污染,避免水质污染结垢,减少设备腐蚀,提高该设备的稳定性和安全性;同时闭式循环用水能够减少水分蒸发,从而节约用水,减少损耗[3]。因此研究闭式冷却循环系统的设计要点,对其在感应加热炉中的应用具有重要的意义。

1 研究方案设计

铝棒加热炉采用梯度加热的方式以减少能耗,其感应器结构形式采用六组加热线圈,每组多层线圈可单独控制加热[4]。对于根据铝棒挤压加热工艺需求,其铝棒加热炉的具体参数如表1所示。

表1 铝棒感应加热炉参数表

1.1 参数设计计算

1)总功率P的计算

根据实际生产的需求,铝坯料的平均比热容c=0.932 kJ/(kg·℃),初始温度差T-T0=520-20=500 ℃,坯料密度为p=2.7g /cm3,电效率取n=0.4;节拍t=180 s/根[5]。则总功率P计算过程如下：

1 140 kW

式中：T0为初始温度,取室温20 ℃;G为坯料质量,kg(铝合金的平均密度值取27.5g/cm3);n为电效率(铝合金感应加热取0.4)。

2)冷却总水量Q的计算

冷却水量计算需要按效率低的加热纯铝来考虑取η=0.4,那么总功率的60%可以粗略估算成冷却水需要带走的热量即ΔP=0.6P。其他部件(如晶闸管、电缆等)要带走额定功率10%左右的热量,即ΔP1=0.1P。在冷却水温升不超过20 ℃前提下,感应线圈加热过程中所需的理论冷却水量W1按下式计算：

33.7 m3/h

式中：W1为冷却水量(感应器所需),m3/h;k为安全系数,取k=1.15;cs为冷却水的比热容,取4.2kJ/kg ℃;p为冷却水的密度,g/m3;ΔT为冷却前后水的温差,取20 ℃。

按照上述计算过程可得出其他部件所需要的冷却水量W2=5.6m3/h;

理论计算后,实际生产增加安全系数。感应器的冷却水流量实际安全系数取2.0,而其他部件的量安全系数则要取到4.0。即冷却水实际总流量Q=Q1+Q2,取Q=90 m3/h。

3)换热面积A的计算

平均的温度差ΔT按照下式计算,参数如表2所示。

表2 换热器进出口参数表

按闭式内循环侧计算,其换热总量为

换热器按照水-水换热,传热系数取K=4 500W/(m2·℃),则换热面积A0为

根据经验,取1.2安全系数,因此换热面积A=1.2A0,A可选为62 m2。

4)水箱体积V的计算

按照水在冷却水管中循环一圈所需的水量来设计,循环一圈大概需要时间t为10 s,则可估算出所需水量V为

根据经验,取5安全系数,因此换热面积V=5V0,V可选为1.25 m3。

由上述计算得出总功率,冷却水总流量以及换热器换热面积等,可以根据此参数选取合适的水泵、水箱、板式换热器,可设计方案如图1所示。

图1 铝棒加热炉闭式循环系统图

1.2 冷却水的相关要求

1)冷却水的水质要求

参照国标GB/T 10067.1—2019,此循环水路中外部循环水路管径较大,采用工业水;内循环管径较小,为减少设备故障,故在闭式循环水冷系统中,采用纯净水,以满足生产的正常需求。

2)冷却水的温度要求

感应线圈进水温度应在20～30 ℃,此温度下金属管壁不会“结露”而影响绝缘。其出水温度应在40～50 ℃;此温度下能减少水垢的产生。

3)冷却水水压要求

在此循环系统设计过程中,循环系统的水压在0.2～0.7 MPa[1]。

2 系统设计要点

2.1 感应器线圈的制作要点

1)感应器线圈的制作流程

铝棒加热炉是在铝棒的外表缠绕绝缘的线圈,通过电磁感应加热,线圈制作是极其重要的[6],其加工制备的工艺流程如图2所示。

图2 感应器线圈的制作流程图

2)线圈的绝缘处理

线圈在制作过程中要清除毛刺、尖角以及退火后的氧化皮等,若处理不到位很容易导致感应器发生绝缘被击穿。感应加热炉因线圈靠近发热体,采用有机硅系列的复合绝缘制品,属耐热一级绝缘[7]。感应器线圈经过绝缘包扎和套装后,还要进行浸漆烘干处理,其目的是使漆液充分填补孔隙,线圈各匝间紧密黏合,形成一个完整的绝缘漆膜,以提高线圈的机械强度、绝缘以及防止受潮等性能。

为了使漆液便于浸渍,并且使线圈表面漆膜达一定厚度,对漆的黏度有一定要求。为了得到线圈表面 良好的漆膜,对线圈浸漆、滴干时间、烘干时干燥炉初始温度、升温速度、各保温阶段温度与时间的规定,均要经一定的选择。

为了获得良好的漆膜质量,烘干设备采用的是真空感应干燥炉,浸漆的关键是要把绝缘层浸透,烘干后形成整体。将以真空浸漆取代目前使用的常压浸漆,烘干后的线圈,提高漆膜的防潮性和机械强度,最后在线圈表面喷涂一层有机硅瓷漆[7]。感应器线圈的安装如图3所示。

图3 感应器线圈安装示意图

3)堵塞线圈处理

感应线圈由于其内径较小,生产过程中多次遇到线圈堵塞问题,遇到此类问题,若直接更换线圈,更换配件较多,时间较长,替换任务量大且成本高;采取水压疏通可以大幅节省时间,但若是压力没控制好,水垢会在推力作用下在线圈内部堆积、堵死,线圈会报废。通常最好的办法是酸碱疏通。酸碱反应可以用来去除水垢,疏通线圈。在堵塞的线圈内,倒入适量的酸碱(醋、小苏打等)静置一定时间后,水垢脱落来疏通管道[8]。

4)线圈维护

影响线圈使用寿命的因素除绝缘设计和制造工艺质量外,经常性的维护也是关键,特别是铝棒进入炉膛过程中,对线圈的磨损而引起接地短路,所以要经常检查并对松动件进行紧固,以达到预期效果。

2.2 循环水管路的设计要点

1)循环水管路直径d的计算

循环水系统的压力通常在0.2～0.7MPa,管路的流速一般为1.5～3.0 m/s[9]。管路直径计算按下式进行：

式中：d为管径,m;Q为循环水流量,m3/s;V为循环水流速,m/s。

管道材质的选择根据用途的不同有多种选择。闭式的循环冷却水系统中,常选取焊接无缝钢管。管径取DN100的无缝焊接钢管。

2)管道排气装置

管道安装焊接定位好后,需要进行通水试漏,初次通水中局部水流速度较快,没法及时排除全部空气,导致管中形成气阻,振响。严重时会影响到整个循环水系统平稳运行[9]。所以,在管道的高处(一般在末端)设置气体排出阀,同时可以按照2%向上坡度铺设水平管路,更方便管内的气体排出。

另外,在管道的最低点、感应炉水管进出口、水泵的进出口等部位装好手动阀,便于管道排水检修。循环水泵进出口必须有截止阀、过滤器,管路设计尽量防止管路应力传到水泵上,水泵进出口还需安装可曲挠橡胶接头。

3)管道铺设

管道铺设一般有两种方式：架空和埋低。本系统考虑到北方气候的影响,将水管埋在冰冻线(约1.2 m)以下。

2.3 水箱设计要点

闭式内循环中纯水存在一定损耗,需要及时补充,故水箱应装电动液位计,安装示意图如图4所示。其清理过程如下：

图4 水箱设计安装示意图

1)闭式水箱清理

闭式循环冷却水水箱在初次使用时用试漏,试漏完后边补水边清洗,然后排空以排出制作过程中存在的杂质,反复两次清洗后方可正常使用[3]。闭式循环冷却水水箱在使用过程中应经常冲洗,利用水箱放水阀门,边补边排进行冲洗,直至水质清澈、透明、杂物,关闭水箱放水阀。

2)水箱滤网堵塞处理

闭式冷却水补水水源可能携带颗粒,将水箱存水放空后进行检查及人工清理防止水源携带颗粒[8]。闭式冷却水系统管道及水箱均为碳钢材质且未经过酸洗钝化会存在氧化及锈皮脱落的情况。闭式冷却水泵入口设计滤网,在水箱出水管道上加装过滤器,以方便过滤杂质,及时清理。同时板式换热器、感应线圈每隔一段时间清理一次,做到防止系统存在循环死角。

2.4 系统仪表配置

闭式冷却循环水系统需要配制合适的仪器仪表来确保系统的安全。在此系统中,水泵的前后、感应线圈进出水口等部位安装电接触压力表、电接点温度计。实时监测线圈等核心部件的水压情况,确定其有无堵塞。在管道的尾端安装压力变送器,从而合理控制水压,确保系统水压恒定。

在厂房内部、外部进水管等部位安装温度传感器、便于外部冷却循环水路中冷却塔的稳定运行。水箱内部要设浮球液位计,便于水位的监测。

3 系统运行与维护

3.1 设备的安全性

感应加热需将铝棒加热到500 ℃,若出现系统停水,将导致系统没法及时冷却,会直接将铝棒烧坏,影响其性能;同时铝棒加热炉的炉体,线圈,炉门等部件也会在高温下烧坏。本冷却系统在内部循环设置备用水泵,避免因为水泵故障而影响生产。同时设置了柴油发电机和应急高位水箱作为在非计划停电情况下的紧急措施。

而外部循环采用消防安全水和自来水作为应急水源,配制应急水源切换阀门。在非计划停电情况下,可将水管连接到该应急水源,保证系统的运行平稳、安全。

3.2 设备环境影响

极端天气下水易冻结,对系统的安全影响极大。尤其是北方地区,冬季循环水结冰时有发生,更需重点防范[3]。本系统管道多采用埋地铺设,对于一些架空管道,大多采用管道包棉;同时系统冬季保持系统循环水流动,大大缓解循环水结冰的现象。

4 结 论

感应加热炉是铝棒挤压生产线上的核心设备,合理设计闭式冷却循环系统,极为重要。通过合理的操作流程和清洗方法,能够有效地解决感应线圈、水箱等部件的堵塞故障问题。通过实际设备运行,该闭式冷却循环系统能够满足车间生产要求,降低设备的故障率,满足铝棒加热炉冷却循环的工艺要求,提高感应加热炉使用稳定性,值得借鉴和推广。