感应加热在钛板轧前加热中的应用

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摘 要：感应加热技术在世界范围内已经得到广泛的应用。我国则改革开放之后开始发展感应加热技术，目前感应加热技术在棒材、管材加热，热处理、锻造等领域应用较多，关于板材特别是有色金属（如钛、锆等有色金属）板材加热应用的报道则相对较少，本文主要对感应加热在钛板坯轧前加热的应用进行阐述。

关键词：感应加热 感应加热电源 钛板轧前加热

一、概述

感应加热有以下特点：

（1）加热温度高、效率高、加热速度快。

（2）容易实现控制自动化。

（3）环境污染少，几乎没有噪声和灰尘。

（4）设备体积小、可节约场地。

（5）工件加热均匀，产品质量好。

感应加热的优点：

第一、是能耗低。感应加热炉的加热热效率可达到70%左右，各种室式炉只有30%左右。

第二、使用方便，操作简单，可长时间连续工作也可根据需要随时启停，可实现全自动或半自动加热。

第三、加热效率高，因而电能消耗少，工件变形小而且加热速度快，可使工件在极短的时间内达到所需的温度，从而使工件表面氧化和脱碳等加热缺陷降到很低程度。

第四、易于实现生产自动化，便于管理，提高生产效率。

第五、感应加热还具备电能利用率高、环保节能、安全可靠和作业环境好等优点。

二、研究背景

某有色材料生产厂家在钛板坯轧前加热设备为电阻炉，由于电阻炉加热效率低，加热、保温时间过长，导致钛板表面严重氧化，致使材料利用率降低，保温过程晶粒长大，影响成品板材质量。为提高产品原材料的利用率、提高产品质量、降低能耗，公司提出引进感应加热炉用于取代电炉，满足公司最大坯料（δ180*850*2200）轧前加热要求。

三、板坯轧制要求及其加热制度

钛及钛合金密度小、比强度高、耐热、耐低温性能好，具有优良的耐蚀性能，并且导热性能差、无磁、弹性模量低，具有很高的化学活性等。金属钛有两种同素异形态，低温稳定态为α-Ti，其晶格类型为密排六方晶系；高温稳定态为β-Ti，体其晶格类型为心立方晶系，相变温度为882.5℃。工业纯钛的单位压力随着加热温度升高明显降低（见表1）。当加热温度超过相变温度，引起β相晶粒迅速长大，对工业纯钛是有害的。如果不能保证主要变形在α相区完成，则会造成组织粗化，恶化产品性能。实践表明，在α相区轧制具有良好的工艺塑性，一次总加工率可达90%以上，同时有害气体对产品的污染程度也比β相区轧制的轻（见表3）。

钛是一种活性金属，钛在空气中受热很容易与氧发生反应，氧气进入钛表面晶格中，形成致密的氧化薄膜，这层氧化膜具有保护作用，这也是钛耐腐蚀的原因，但是随着温度的升高，当温度升高到500℃的时候，表面的氧化膜开始在钛中溶解，氧开始向金属内部晶格扩散，当温度高于700℃的时候，氧向金属内部的扩散加速，表面的氧化膜失去保护作用。致使钛表面的氧化物迅速增加，从而降低材料的利用率。因此合理的加热制度是提高材料利用率的关键因素。

见表2，当板坯厚度>150～200mm时，电阻炉加热所需时间显著增加，由于电阻炉是属于热传递式加热，材料芯表温差较大，必须经过长时间保温来实现匀热，匀热时间越长，则α相向β相转化程度越高，β相晶粒随着保温时间的增加而迅速长大，造成组织粗化而影响产品性能。

见表3，有害气体对钛及钛合金板坯的污染程度，随坯料的加热温度升高而增大。有害气体的污染所形成的吸气层显著降低板坯表面的塑性，严重影响着材料的表面质量。

综上所述钛板坯采用感应加热炉加热时，加热时间短，芯表温差均匀，板坯表面氧化层少，可以显著提高材料的利用率，提高产品质量、降低能耗。

四、变频电源功率及加热节拍计算

公司的轧机型号为2500mm三辊热轧机，主电机为1500KW交流电机，根据工艺要求，板材轧制起始温度840～880℃，完成一张坯料开坯的轧制时间约为10min。由于厂房供电最大容量为2500KW，为满足2500mm三辊热轧机及其附属设备的正常工作和厂房的日常用电，最多可提供800KW的供电容量用于感应加热设备的正常使用。

而感应加热设备功率的确定是需要被加热工件重量、加热节拍以及最高加热温度计算得出的，公式如下：

由于完成一张板坯的轧制所需时间为10min，受厂房供电条件影响，感应加热炉的最大功率为800KW，板坯从室温加热至轧制温度所需时间较长，无法满足轧机的满负荷工作，造成能源的浪费，通过上式可知，降低感应加热炉升温温差，可以显著提高感应炉加热效率，当起始温度升高至500℃时，加热节拍

满足轧机的正常轧制需要。

通过表3可知，板坯表面吸气层的厚度受加热温度的影响，在高温段的影响尤为严重，在低温段时则微乎其微，因此，可以采用电阻炉预热至500℃后转送至感应加热炉中升温至轧制温度的形式是可行的。

五、电源频率的选择

在各种感应加热应用中，穿透加热是感应加热中用途比较广泛的，主要用于各种金属热加工前的预热和热处理中的透热。其中最重要的热加工过程如锻造、挤压和轧制。选择穿透加热的频率主要考虑金属材料的加热深度，金属材料加热深度可以用临界频率表计算出来，对于薄板或者厚板等板材而言，其感应加热的临界频率是指当板厚大约是穿透深度的2.25倍时的频率。对于结构简单的工件加热，如棒材、板材等，其临界频率或最低频率F由下式给出

棒材：F=4*108ρ/μa2

板材：F=1.27*108ρ/μa2

式中：

a表示棒材的直径或者板材的厚度 （单位：cm）

μ表示工件相对导磁率

ρ表示工件的电阻率 （单位：Ω・cm）

金属材料的电阻率ρ随温度的变化而变化。因此，计算临界频率F时，所取的材料电阻率ρ是指金属材料感应加热最高温度时的ρ值。

已知板材厚度a=18cm

钛的导电性能较差，近视于不锈钢。若以铜的导电率为100%，则钛仅为3.1%。钛的导电性随温度的变化关系见图1。20℃时，工业纯钛的电阻率为0.556μΩ・m，在不同温度下，α-工业纯钛的电阻率可通过下式求得：

ρ=0.51+2.25*10-3t-8.6*10-10*t3

当t=860℃

求得ρ=0.51+2.25*10-3*860-8.6*10-10*8603

≈1.9μΩ・m=1.9*10-4Ω・cm

μ=1.00004H/m取1

Fc=1.27*108*1.9*10-4/182=74.5Hz

六、结论

根据公司的设备状况及厂房供电情况，技术人员与感应加热炉制造厂家沟通，制造厂根据公司提出的要求结合理论依据，最终选用变频电源型号为Lin-800KW/0.1KHz，变频范围为60～100Hz。其余的配套系统如低频耦合柜（图2）、低频感应器（图3）、炉体等均由制造厂设计制造，目前整套设备已经投入生产，基本达到公司提出提高原材料的利用率、提高产品质量、降低能耗的要求。

参考文献

[1]莫畏. 钛[M]北京.冶金工业出版社.2008.

[2]《稀有金属材料加工手册》编写组.稀有金属材料加工手册[M]北京.冶金工业出版社.1984.

[3]赵长汉 姜士林. 感应加热原理与应用[M]天津.天津科技翻译出版公司.1993.

[4]沈庆通 梁文林. 现代感应热处理技术[M]北京.机械工业出版社.2008.