CN107866443B - 一种镁合金轧制时板带在线加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镁合金轧制时板带在线加热装置，包括感应加热装置、燃气加热装置以及安装在镁合金轧制入口与出口处的红外测温仪，红外测温仪用于实时监测镁合金在线温度，与感应加热装置、燃气加热装置的控制系统相连接，通过设定目标温度来闭环控制整个加热系统，感应加热装置采用中频感应加热方式，包括变频装置、感应加热的炉体和炉前控制装置；燃气加热装置包括燃烧室、打火电极、打火控制系统和分气缸，感应加热的炉体与燃气加热的燃烧室上下分布，待轧镁合金板带从二者中间穿过并进入轧辊进行轧制。本发明可快速、高效地将镁合金温度控制在最佳轧制温度范围之内，同时可改善待轧镁合金板带的温度均匀性，达到板型控制的目的。

Description

一种镁合金轧制时板带在线加热装置

技术领域

本发明涉及镁合金薄板轧制成型的加工装备，具体是一种镁合金轧制时板带在线加热装置。

背景技术

镁合金是结构材料中最轻的金属，近年来已经逐渐被应用到航空航天、国防军工、汽车、电子通讯等领域，同时这些领域对其性能及效率的要求也在不断提高。传统的铸造镁合金已经渐渐无法满足要求，而通过挤压、锻造、轧制等工艺生产的变形镁合金产品具有更高的强度、更好的延展性、更多样化的力学性能。其中，轧制作为镁合金塑性加工的重要手段得到了长足的发展。

镁合金为密排六方结构，特别是其轴比c/a＝1.624,接近理想的轴比c/a＝1.63，因此多晶镁合金一般只能通过基面滑移和孪晶进行塑性变形，独立滑移系少，其室温下的塑性变形主要由基面上的两个独立的滑移系来执行，而根据Von Mises判据，一般多晶体材料至少要5个独立的滑移系开动才能进行稳定的塑性变形。室温下，镁合金基面上滑移系数目远远不能满足Von Mises判据要求，所以镁合金在外力作用下晶粒间变形协调能力不足，室温下变形困难，塑性、韧性差。

变形温度是影响镁合金的塑性变形能力的关键因素，温度高于225℃，非基面滑移系开动所需的临界分切应力大大降低，因而会激活棱面和锥面滑移，这使镁合金呈现明显的延性转变，塑性显著提高。另一方面，镁合金的固态成形是一个复杂的高温塑性变形过程，镁合金在高温变形过程中发生动态再结晶，再结晶产生了新晶粒使材料细化，同时又消耗了形变中产生的畸变能，这些大大改善了镁合金的进一步变形能力，通过晶粒细化，变形过程中除晶粒发生变形拉长外，还会发生显著的晶界滑移、转动和转动，从而塑性大大提高，甚至获得超塑性。由此可见，选择合理的热加工参数，细化再结晶晶粒对镁合金轧制有重要的意义。

镁合金塑性成形对温度特别敏感，其塑性成形温度区间较窄，一般在300～450℃的区间内，当成形温度低时，镁合金的变形能力差，易产生冷裂纹；温度过高时，合金中的某些低熔点相可能在成形的过程中熔化，在应力作用下易产生热裂纹，此外，成形温度过高也会造成零件显微组织的晶粒粗大，直接影响材料服役的性能。

电磁感应加热技术是一种新型的加热技术，其依靠高频交变电流感应磁场，而高频交变磁场又在工件中产生涡流的机理来实现工件的迅速发热，从而达到加热的目的。与传统的接触式加热相比，感应加热装置，其安全可靠、环保、节能、高效、智能可控性等优点使其被广泛应用在航空航天、汽车制造、有色金属铸造、金属表面的淬火及回火等各个领域。

将一个线圈通以交变电流，在线圈周围便会产生交变磁场，若再将一导体(工件)置于该交变磁场中，则导体中将产生感应电流，感应电流的频率与线圈中电流的频率相同。由于零件本身有阻抗，当有电流通过时便会发出热量，所以感应加热时零件是依靠在其自身中流通的感应电流(涡流)产生热量而被加热的。但导体中通过交变电流时会产生“集肤”效应，使截面上电流的分布不均匀，即表层的电流密度大，而心部的电流密度小，并且这种不均匀程度随电源电流频率的增大而增大。

根据感应加热电源电流频率的不同，可将感应加热分为低频感应加热、中频感应加热、超音频感应加热、高频感应加热、超高频感应加热，随电源电流频率的提高，加热效率提高但加热层深度减小。

感应加热中，因“集肤”效应以及涡流的分布状况知板式工件的表层温度最高向内渐弱，基本上热传导作为板式内部的辅助加热方式。其次就是由于线圈拓扑结构以及磁场的分布误差性不可能致使板面每一点的温度都是均衡的，因此这就需要靠辅助的热传导方式来解决在误差允许的范围内让板式工件的表层温度达到均衡性分布。

感应加热“临近”效应指通以不同电流方向的导线之间的相互作用的效应，其能够影响磁场强度大小。板式工件与感应线圈间隙小，则临近效应明显，远则相反。两者越近，由右手定则知两者磁场矢量叠加越大，则感应的涡流也越大。两者大于一定间距则可忽略临近效应，这在设计感应线圈间距以及和板式工件间距时提高理论参考。

电磁感应加热系统中，影响到电磁、磁热耦合的参数因子众多。其中包括驱动频率、线圈结构、线圈电流密度、线圈电感量、磁场强度、漏磁、线圈与感应工件间距、工件自身的相对导磁系数、电阻系数、线圈及工件的集肤效应和透析深度、外界空气对其热对流等等因素。因此实际感应加热系统中，众多参数制约着电磁感应加热的效率和效果。众多参数中，对电磁热耦合的效果影响最大的参数是电流交变频率、线圈结构、线圈和工件之间间距、电流密度，以及磁场强度。

燃烧器是使燃料和空气以一定方式喷出混合燃烧的装置统称。按照一次空气类型可将燃烧器分为扩散式燃烧器、大气式燃烧器、完全预混式燃烧器。其中，扩散式燃烧器按照燃烧所需空气供给的动力又可分为自然引风式和强制鼓风式，自然引风式扩散燃烧器依靠自然抽力、靠扩散作用供给空气，多用于民用，强制鼓风式则依靠鼓风机供给空气，多用于工业；按照部分预混燃烧方法设计的燃烧器称为大气燃烧器，燃气在一定压力下，以一定速度从喷嘴喷出，依靠燃气动能产生的引射作用从一次空气口吸入一次空气，在引射器内燃气与一次空气混合，经头部火孔流出而燃烧，按照气体压强可分为低压引射式和高压引射式；完全预混式燃烧器是按照完全预混方法设计的燃烧器，使燃气与空气充分预先混合，再经燃烧器火孔喷出进行燃烧，具有火焰短、燃烧热强度大、燃烧温度高的特点。

镁合金板带轧制时温度必须达到一定范围，但同时镁合金待轧板带温度的均匀性也必须严格控制，温度不均会使轧制时镁合金板带出现边浪、中间浪、两肋浪等板型缺陷，致使板子轧制失败。由于轧辊及镁板不同部位的热量散失速度有差别，因此对板子局部加热就成为镁板轧制的重点。

目前，对镁合金轧制时温度的控制已成为刻不容缓的任务。

发明内容

为解决上述现有技术中的缺陷，本发明提供了一种镁合金轧制时板带在线加热装置，可快速、高效提升镁合金板带温度将镁合金温度控制在最佳轧制温度范围之内，同时本装置还可改善待轧镁合金板带的温度均匀性，起到控制板型的目的。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种镁合金轧制时板带在线加热装置，该加热装置位于轧机前两牌坊之间，包括感应加热装置、燃气加热装置以及安装在镁合金轧制入口与出口处的红外测温仪，所述红外测温仪用于实时监测镁合金在线温度，与感应加热装置、燃气加热装置的控制系统相连接，通过设定目标温度来闭环控制整个加热系统，所述感应加热装置采用中频感应加热方式，包括变频装置、感应加热的炉体和炉前控制装置，所述变频装置包括电源耦合模块和电磁耦合模块，所述电磁耦合模块位于轧制线上方，所述燃气加热装置包括燃烧室、打火电极、打火控制系统和分气缸，燃气通过分气缸进入燃烧室，通过打火控制系统进行通气量大小的控制，打火电极位于燃烧室内，被耐高温陶瓷包裹，两边电极被长腿陶瓷包裹通向燃烧室外从而与打火控制系统的控制线在燃烧室外连接，所述燃烧室位于轧制线下方，待轧镁合金经两者联合加温后进入轧辊进行轧制。感应加热的炉体与燃气加热的燃烧室上下分布，待轧镁合金板带从二者中间穿过并进入轧辊进行轧制。

优选地，所述电磁耦合模块的感应线圈拓扑结构为矩形。

优选地，所述电磁耦合模块通过液压缸或电动机驱动而上、下移动。

优选地，若干燃烧器排列为m行n列的点阵结构，燃气通过分气缸7进入各炉盘。

优选地，所述燃烧室包括由上盖与主体通过夹具连接构成的箱体结构，该箱体结构内设有若干燃烧器，且每个燃烧器上均设有打火电极。

优选地，所述上盖选用有磁性、耐磨、耐高温的马氏体不锈钢，且上盖上分布众多小圆孔。

优选地，所述主体选用有磁性、耐腐蚀、耐高温的铁素体或铁素体—奥氏体不锈钢，且主体上方布置有若干横、纵交叉的加强筋，下部底板由间距较大的n列钢板构成。

优选地，所述燃烧器采用部分预混或完全预混式燃烧器，燃烧器的引射器形状为“倒 L”型，一次空气进风口位于燃烧室之外，同时该燃烧器的喷嘴为平焰喷嘴。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)创造性的将感应加热与火焰加热联合应用于镁合金板材加热，安全、方便、高效的实现了工业镁合金板带可逆轧制；

2)通过对待轧镁合金板带不同区域实行差别化加热，达到通过温度控制板型的目的；

3)从感应加热的“集肤效应”、“临近效应”等基本理论出发，提出了感应线圈矩形拓扑结构及感应线圈升降机构；

4)考虑到材料电磁感应系数对感应加热效率的影响，对燃气加热燃烧室各部分材质提出了明确要求；

5)从力学、燃烧等角度考虑，优化了燃烧室箱体的具体机械结构；

6)燃烧器采用最合理的构造与燃烧方式，使燃烧充分、安全；

7)通过选用合适的打火方式、控制器、报警器等辅助设施使点火安全可控；

8)拥有调节功率、调节感应加热器与待轧镁合金板带距离、调节燃气量大小等多种调节加热速度的措施；

9)该系统可通过红外测温仪来方便的实现温度自动化控制。

附图说明

图1为本发明实施例镁合金轧制时板带在线加热装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中的矩形拓扑感应线圈布置平面图；

图3为本发明实施例中焰气加热装置燃烧室的爆炸视图。

图4为本发明实施例中某种符合要求的燃烧器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1-图4所示，本发明实施例提供了一种镁合金轧制时板带在线加热装置，该加热装置位于轧机前两牌坊之间，包括感应加热装置、燃气加热装置以及安装在镁合金轧制入口与出口处的红外测温仪，所述红外测温仪用于实时监测镁合金在线温度，与感应加热装置、燃气加热装置的控制系统相连接，通过设定目标温度来闭环控制整个加热系统，所述感应加热装置的加热电源频率选用中频(2.5～10kHZ)，对应待轧镁合金板带厚度为1～8mm。根据感应加热知识，电源频率越高则对应的加热厚度越小，使用过程中可根据板带厚度适当调节电源频率，另外通过控制感应加热电源功率大小来调节加热量，所述感应加热装置包括变频装置、感应加热的炉体和炉前控制装置，所述变频装置包括电源耦合模块3和电磁耦合模块2，所述电磁耦合模块2位于轧制线上方，所述燃气加热装置包括燃烧室5、打火电极11、打火控制系统6和分气缸7，燃气通过分气缸7进入燃烧室5，通过打火控制系统6进行通气量大小的控制，打火电极11位于燃烧室内，被耐高温陶瓷包裹，两边电极被长腿陶瓷包裹通向燃烧室外从而与打火控制系统6的控制线在燃烧室外连接，所述燃烧室5位于轧制线下方，待轧镁合金经两者联合加温后进入轧辊进行轧制。感应加热的炉体与燃气加热的燃烧室上下分布，待轧镁合金板带从二者中间穿过并进入轧辊进行轧制。所述电磁耦合模块2的感应线圈拓扑结构为矩形，可避免圆形或椭圆形拓扑结构的中间死区问题，同时改善镁板温度的均匀性。所述电磁耦合模块2通过液压缸或电动机驱动而上、下移动，控制感应线圈与镁板之间的距离，以充分利用电磁感应的临近效应，控制加热速度及效率、同时调整感应加热的电源耦合模块使其逆变器工作在谐振状态，使系统功耗最小。另一方面，炉体的升降功能可方便现场维护，出现轧制问题时可及时处理。若干燃烧器排列为m行n列的点阵结构，具体数量可根据实际情况布置，燃烧室内个燃烧器单独控制，可实现对镁合金板带的局部加温，起到提高温度同时控制板型的目的，由于镁合金及轧辊边部散热较快，因此通常将燃烧室内边部燃烧器的出气量提高稍大于中间燃烧器，燃气通过分气缸7进入各炉盘。

所述燃烧室5包括由上盖8与主体9通过夹具10连接构成的箱体结构，该箱体结构内设有若干燃烧器12，且每个燃烧器12上均设有打火电极11，燃烧器通过燃气管道与分气缸相连，打火电极通过耐高压控制线与控制箱相连。所述上盖8选用有磁性、耐磨、耐高温的马氏体不锈钢，且上盖8上分布众多小圆孔。所述主体9选用有磁性、耐腐蚀、耐高温的铁素体或铁素体—奥氏体不锈钢，且主体9上方布置有若干横、纵交叉的加强筋，下部底板由间距较大的n列钢板构成。耐高温使燃烧室在热应力循环作用下应用较长时间，燃烧室采用磁性材料可提高待加温镁合金板带的磁通量，提高加热效率，另外燃烧室上表面经常与镁合金板带接触摩擦，其耐磨性能要较好。所述燃烧器12采用部分预混或完全预混式燃烧器，燃烧器的引射器14形状为“倒L”型，一次空气进风口15位于燃烧室之外，如此可保证有充足的一次空气供应量，同时垂直与地面的引射器避免了燃烧器回火情况的发生；另外该燃烧器的喷嘴13为平焰喷嘴，再加上盖板的作用，在保证加热效率的情况下，使燃气加热更加均匀，同时避免明火直接加热镁合金边部毛刺而导致的起火现象。

实施例

假设待轧镁合金板几何尺寸1600×4mm，行进速度1000mm/min,经过在线加热装置后温度由100℃提高到220℃，下面通过具体设备规格型号及操作步骤来说明本发明的设计及使用方法。

感应装置采用晶闸管式中频感应加热装置，变频器型号GPS/500/1S，采用压力为0.1～0.2MPa水冷方式冷却，感应器采用平板多层式并在其内部增加磁轭装置，线圈结构见图2，感应器几何尺寸1900*750*400,电源最大功率800kW。感应器加热炉体采用 20mm酚醛玻璃丝板无磁性，其上有吊钩装置，该箱体上方连接两直径40mm的矩形螺纹的丝杆，并用一电机通过涡轮蜗杆减速器带动与丝杆配合的螺母转动，最终实现感应箱的上下移动；焰气加热采用天然气，气体压强4000pa，天然气通过分气缸分别于燃烧器相连接，燃烧器采用头部为多孔盘状的结构，倒L型引射器的混合管规格Φ50×400mm，燃烧器喷头17带有二次空气进风口，同时每一喷头17都带有若干出气口，其出口方向趋于水平，安装时即调整燃烧器的调风板16到合理位置。点火控制器采用YHG-103型点火控制器，其点火电压可达1.6kV，整个燃气管道采用1/2英寸管径的管道连接。火焰加热设备燃烧室规格1800×1300×260mm，两端通过螺栓连接固定于轧机牌坊上，燃烧室内均匀布置4行×4列＝16套燃烧器，燃烧器距离上盖板距离180mm。燃烧室箱体的盖板与主体之间用拉扣式夹具相连，具体结构见图3中10所示。焰气加热燃烧室箱体的盖板采用12Cr12型马氏体不锈钢，主体部分采用10Cr17铁素体不锈耐热钢。选型完毕后将中频感应加热装置的炉体与焰气加热装置的燃烧室安装在轧机两牌坊中待轧镁合金板带入口处，并将相应的配套辅助设施放置于轧机周围合适位置。将两台高性能红外测温仪的探头放置在镁合金轧制前后入口、出口处，并将显示装置放置在合理位置。

本实施例工作时依次将中频感应加热、燃气加热各燃烧器打开，观察镁合金板带轧制前后温度，设置好感应加热频率后通过调节中频感应的加热功率、感应加热炉体高度、燃气加热进气量大小来控制待轧镁合金板带温度，同时观察板型通过局部调整燃烧器进气量大小来控制板型，当出现中间浪时将中间列燃烧器进气量减小，出现边浪时将两侧边燃烧器进气量减小。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种镁合金轧制时板带在线加热装置，该加热装置位于轧机前两牌坊之间，其特征在于：包括感应加热装置、燃气加热装置以及安装在镁合金轧制入口与出口处的红外测温仪，所述红外测温仪用于实时监测镁合金在线温度，与感应加热装置、燃气加热装置的控制系统相连接，通过设定目标温度来闭环控制整个加热系统，所述感应加热装置采用中频感应加热方式，包括变频装置、感应加热的炉体和炉前控制装置，所述变频装置包括电源耦合模块(3)和电磁耦合模块(2)，所述电磁耦合模块(2)位于轧制线上方，所述燃气加热装置包括燃烧室(5)、打火电极(11)、打火控制系统(6)和分气缸(7)，燃气通过分气缸(7)进入燃烧室(5)，通过打火控制系统(6)进行通气量大小的控制，打火电极(11)位于燃烧室内，被耐高温陶瓷包裹，两边打火电极被长腿陶瓷包裹通向燃烧室外从而与打火控制系统(6)的控制线在燃烧室外连接，所述燃烧室(5)位于轧制线下方，待轧镁合金经两者联合加温后进入轧辊进行轧制，感应加热的炉体与燃气加热的燃烧室上下分布，待轧镁合金板带从二者中间穿过并进入轧辊进行轧制；

所述感应加热装置的加热电源频率选用中频为2.5～10kHZ，对应待轧镁合金板带厚度为1～8mm；

所述电磁耦合模块(2)的感应线圈拓扑结构为矩形。

2.如权利要求1所述的一种镁合金轧制时板带在线加热装置，其特征在于：所述燃烧室(5)包括由上盖(8)与主体(9)通过夹具(10)连接构成的箱体结构，该箱体结构内设有若干燃烧器(12)，且每个燃烧器(12)上均设有打火电极(11)。

3.如权利要求1所述的一种镁合金轧制时板带在线加热装置，其特征在于：所述电磁耦合模块(2)通过液压缸或电动机驱动而上、下移动。

4.如权利要求2所述的一种镁合金轧制时板带在线加热装置，其特征在于：若干燃烧器排列为m行n列的点阵结构，燃气通过分气缸(7)进入各炉盘。

5.如权利要求2所述的一种镁合金轧制时板带在线加热装置，其特征在于：所述上盖(8)选用有磁性、耐磨、耐高温的马氏体不锈钢，且上盖(8)上分布众多小圆孔。

6.如权利要求2所述的一种镁合金轧制时板带在线加热装置，其特征在于：所述主体(9)选用有磁性、耐腐蚀、耐高温的铁素体或铁素体—奥氏体不锈钢，且主体(9)上方布置有若干横、纵交叉的加强筋，下部底板由间距较大的n列钢板构成。

7.如权利要求2所述的一种镁合金轧制时板带在线加热装置，其特征在于：所述燃烧器(12)采用部分预混或完全预混式燃烧器，燃烧器的引射器形状为“倒L”型，一次空气进风口位于燃烧室之外，同时该燃烧器的喷嘴为平焰喷嘴。