CN1123842A - 互频感应炉式管材热处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种互频感应炉式管材热处理系统，是以需热处理的金属管材为炉体，管内装入渗透剂，管外有保温层和感应线圈，管口密封，管壁装有测温计，以互频电流为加热电源，配合适当的热处理工艺和工装辅助设备，能方便地实现钢材的正火、淬火、回火、渗碳、渗氮、碳氮共渗以及渗铝，渗硅等热处理。该系统投资少，设备简单，节能效果明显，便于各种现场实施，还适合于大、中、小各型管材的热处理。

Description

工频感应炉式管材热处理系统

本发明属于金属管材热处理领域，特别是属于加碳(氮)淬火技术领域。

各种低碳、低合金钢管在型材中约占10％以上，其中大量管材的工况恶劣。如大中型高温高压、中温中压燃煤电站锅炉中的一次风管，省煤器、过热器、空序器管束等，均处于高速煤粉(15～20m/s)和高速烟气的冲蚀之下，特别是弯头、进出口及炉壁等处，板易磨损而导致整个管材报废。

通过渗碳、渗氮热处理可大大提高低碳、低合金钢管的硬度和综合机械强度，提高其抗磨蚀、抗蠕变，抗磨蚀能力。目前的热处理工艺是将工件装入炉体加热处理，炉体有高频感应炉、中频感应炉、低频感应炉、火焰加热炉、电阻式盐溶炉、电阻箱式炉等，均因炉体小，对大型管材无法进行处理，更不能进行现场处理。若要建造大型工业窑炉及专用车间，投资巨大，作为管材用户厂家，既不现实又不经济。所以，目前几乎100％的国产大中型燃煤锅炉管材都未经专门热处理，其使用寿命仅为正常寿命的35％～60％，不仅造成大量钢材的浪费，还因管材磨损后的漏水，漏风、漏粉而导致停炉，造成巨大的电量损失。

本发明的目的在于提供一种投资少，设备简单，节能效果好，便于各种现场实施，并适合大、中、小各型管材的热处理系统。

本发明的目的是通过以下措施来实现的：以金属管材作为炉体，管内可装入渗透剂，管外有保温层和感应线圈，管口密封，管壁装有测温计，以工频电流为加热电源。

需热处理的金属管材本身就可以作为炉体，直接进行热处理，也可用一较大金属管材为炉体，小工件放入炉体中进行热处理。

渗透剂可以是渗碳剂、渗氮剂，渗铝剂、渗硅剂中的一种或几种，渗透剂可以是固体、液体或气体，在使用气体渗透剂时，炉体两端密封盖上设有进料管，排气管和测压计。

由于充当炉体的金属管材本身就是一个“铁芯”并兼一匝短路绕组，因此管外的感应线圈中有电流通过时，管树将产生感生电势E₂和感生电流I₂，并有下式：E₁/E₂＝N₁/N₂，其中E₁为感应线圈的绕组电势，N₁为感应线圈的匝数，N₂为管材绕组的匝数，并且N₂＝1所以有(1)式为：

    E₁/E₂＝N₁    …(1)并有(2)式：

    I₂＝I₁×E₁/E₂＝I₁×N₁    …(2)其中I₁为感应线圈的电流。

管材作为一匝短路绕组，其对于感生电流I₂的电阻R为(3)式：

    R＝ρ×π×D₂/(δ×L)    …，(3)其中ρ为管材的电阻率，D₂为管壁中径，L为感应线圈绕组排列总长，δ为电流透入管壁厚度，可接(4)式计算： $\mathrm{\δ}=50300=\frac{\sqrt{\mathrm{\ρ}}}{\mathrm{uf}}\·\·\·\left(4\right)$ 其中μ为磁导率，f为电流频率。

因此，感生电流I₂所作功率P_o可按(5)式计算：

    P_o＝I² ₂×R    …(5)或按(6)式计算：

    P_o＝I₂×E₂    …(6)

另一方面，管材的热容C按(7)式计：

    C＝M×c    …(7)其中M为管材质量，c为管材的比热容。

温升功率P′可按(8)式计算：

    P′＝C×Δ℃/Δt    …(8)其中Δ℃/Δt为温升速率(℃/s)。

传导热损耗按(9)式计算：

    H₁＝-K×A×dT/dx    …(9)其中H₁为热流率(J/s)，K为热导率(J/s.m².℃)，A为传导面积(m²)dT/dx为温度梯度

对流热损耗按(10)式计：

    H₂＝h×A′×ΔT    …(10)其中H₂为对流热流率(J/s)，A′为表面面积(cm²)，h为自然对流系数(cal/s.cm²℃)ΔT为表面与流体主体之温差(℃)

辐射热损耗按(11)式计算，

    H₃＝e×6×(T⁴ ₁-T⁴ ₂)    …(11)其中H₃为单位面积上的净辐射能(W/m²)，e为灰体辐射系数(0＜e＜1)，6为斯特藩一玻尔兹曼常数，6＝5.67×10^-3W/m²K⁴，T₁为物体温度(K)，T₂为包围物体的壁的温度(K)。

保温层表面温度t_B根据SDGJ59-84之设计技术规定，可按(12)式计算： $t_B=\frac{1000\×t/(\mathrm{\π}\×D_1\×\mathrm{\α})+t_0/(2\mathrm{\π}\×{\mathrm{\λ}}_1)\×1n(D_1/D)}{1/(2\mathrm{\π}\×{\mathrm{\λ}}_1)\×1n\left(D_{1}D\right)+1000/(\mathrm{\π}\×D_1\×\mathrm{\α})}$ …(12)，其中λ₁为保温层导热系数(kcal/m.h)，t为设备管道表面温度(℃)，t₀为环境温度(℃)，D为管材外径(mm)，D₁为保温层外径(mm)，α为保温层表面散热系数(kcal/m².h℃)，按(13)式计算： $\mathrm{\α}=10+6\sqrt{w}-----------------\·\·\·\left(13\right)$ w为环境平均风速(m/s)，室内取0。

这样，只要已知各种加热要求，管材性质和尺寸，所需功率即可计算出来。如加热功率P为温升功率P′加上各损耗功率之和∑P_H，见式(14)，

    P＝P′＋∑_PH        …(14)恒温功率P_h为各损耗功率之和∑P_H，即(15)式：

    P_H＝∑P_H    …(15)

视在功率P₅按(16)式计算：

    P₅＝P/cos∮    …(16)其中cos∮为功率因数。非闭合磁路的感应加热方式功率因数很低，一般在0.2～0.4左右，故需电源提供大量无功功率以克服空气磁阻，并增大线路损耗，因此应采取以下措施来提高功率因数：(a)改开式磁路为闭合磁路，但应避免或利用新增磁路的涡流损耗，功率因数cos∮可提高到0.7～0.9。(b)采用并联电容补偿，补偿后的功率因数设为cos∮₂，则补偿无功功率Q′(也即电容容量)按(17)式计算：

    Q＝P(tg∮-tg∮₂)    …(17)另外还应满足额定电压，频率和电容快速保护等要求。

由于温度的大幅变化，材料的导磁率υ，电阻率ρ均非常数，如温度从20℃升到居里点A₂以上的850℃时，45号钢在通过f＝50H_a的工频电流时，其磁导率υ从16降到1，电阻率ρ从0.2×10^-4Ω.m升至1.2×10^-4Ω.m，电流的透入深度δ从8mm增加到约78mm。因此，在计算管材电阻R和设计电容补偿时，应与这种变化相适应。

在计算出所需功率后，该功率应为感生电流所提供，即可等于P_o，再依式(5)，式(6)可得出感生电流I₂和感生电势E₂。如果用380/220V或110V电源供电时，感应线圈绕组电势E₁就等于相电压u_e，依式(1)和(2)即可求出感应线圈的匝数N₁和感应线圈的电流I₁。如果采用可调电源，则电流I₁或电压E₁是给定值，依式(1)或式(2)也可求出N₁。由于N₁系计算值，在制作线圈时，应做±5～10匝抽头，用于调整

感应线圈导线截面S可按式(18)计算：

    S＝I₁/i    …(18)其中i为经济电流密度(A/mm²)，如铜为7～10，铝为3～6。各线圈绕向应当一致，并考虑匝绝缘和线圈防过热等问题

如果用单相电源供电，线圈最好制成2n个(n为自然数)，以便通过改串、并联方式调整阻抗及电流I₁。

当加热功率p占供电容量之比较大时，应采用三相供电方式。先以Y形接线设计，确定E₁、I₁、N₁。当温度达居里点A₂(769℃)时，磁导率υ下降，电阻R上升，总功下降，此时改接线为Δ，已下降的功率将再提高

倍。

由于工件为非闭合磁路，故三相电源各相的磁偶合作用不同，负载情况也不相同，可采取下述措施使三相平衡，温度一致：a.各相的n个线圈交叉排列；b.中间相增加10～20％匝并作抽头，用以平衡各相阻抗。

本发明的热处理系统除漏磁损耗和感应线圈的铜耗外，全部电能在管材炉体中以内热方式转变成热能。而前两项损耗通常不到输入功率的1％，即感应加热效率大于98％，无大体积加热炉的巨大热容损失，这是绝大多数加热方式所不能比拟的。

本发明的热处理系统配合适当的热处理工艺和工装辅助设备，就能方便地实现钢材的正火，淬火、回火、渗碳、渗氮、碳氮共渗以及渗铝、渗硅等热处理。

因此，本发明的热处理系统投资少，设备简单，节能效果明显，便于各种现场实施，还适合于大、中、小各型管材的热处理。

图1为本发明的实施例示意图。

炉体(1)为燃煤锅炉一次风管弯头，材料为20号钢，内弧半径为1000mm，外弧半径为2000mm，管材外径为1000mm，壁厚为12mm，质量M为700kg，以甲烷和氨气为渗透剂，氮气为稀释剂进行碳氮共渗热处理，最高加热温度t为900℃，温升速率Δ℃/Δt为20℃/min，即0.33℃/s，能在任一阶段停留恒温。保温层(2)厚50mm，材料为硅酸铝耐火纤维，导热系数λ₁＝0.093W/m.K。所以，保温层外径D₁为1100nm，外表面积A′为10m²。

根据式(7)得弯头热容为C＝Mc＝350kJ/℃，据式(8)温升功率P′＝C×Δ℃/Δt＝117kW，取风速w为O，据式(12)和式(13)得保温层表面温度t_B＝153℃。

本例工件为全保温及隔热支撑，故热传导损耗为零。据式(10)对流热损耗为6.1kW，据式(11)幅射热损耗为5.2kW，故各损耗功率之和∑P_H＝11.3kW。

据式(14)得所需的加热总功率P＝128.3kW，据式(15)得所需的恒温功率P_h＝11.3kW。

据式(3)和式(4)得管材电阻R＝0.89×10^-4Ω，其中电阻率ρ取0.2×10^-4Ω.m。

再以P_o＝P＝128.3kW代入式(5)得所需的感生电流I₂＝37.968kA，再代入(6)，得E₂＝3.38V。

本例加热功率较大，应采用380/220V的E_A、E_B、E_C三相电源并作Y/Δ变换及恒温时单相电源变换。因此，E1为相电压，即220V，据式(1)得各相感应线圈的匝数N_1A＝N_1B＝N_1C＝65匝，据式(2)得各相电流I_1A＝I_1B＝I_1C＝194.7A。

恒温时使用380V的E_A-E_B相电源，且将N_1A、N_1B串联。此时的P_o＝P_h＝11.3kW，电阻率ρ取1.2×10^-4Ωm，R为5.34×10^-4Ω，据式(5)得恒温时所需的I₂＝4.6kA，据式(6)E2＝2.456V。而此时的N₁＝N_1A＋N_1B＝130匝，电路实际上的E₁为380V，据(1)式得所供的E₂′＝2.93V，所以管材中实际的感生电流I₂′＝E₂′/R＝5.5kA，则据式(2)得I₁′＝42.3A。电路实际生产的功率为I₁′×E₁＝16.1KW，略大于所需功率P_h的11.3KW，正合乎要求，并采用投一切方式恒温。

感应线圈(3)的导线截面S按式(18)得S＝I₁/i＝40mm²，其中I₁取加热时的最大电流为200A、i取5A/mm²。线圈(3)的绝缘采用聚酯绝缘漆涂覆加厚度为0.1～0.2mm的玻璃丝带半迭绕缠包。线圈为三线并排绕制且不少于两次换位，匝数为3×(60＋10)，并有抽头，线圈与保温层之间可采取泠却措施。

密封盖(4)上设有甲烷进料管(6)，氨气进料管(7)，氮气进料管(8)，调压及排气管(9)，压力表(10)，用以装入和排出渗碳渗氮剂。

测温计为Eu-2型热电偶(5)，共设10个。测量范围为0～1000℃。也可加上两只电接点温度计，以便实现A₂点(769℃)的自动切换及设定温度点的闭锁，达到恒温自动控制的目的。

图1中，11为耐火砖支撑柱，A₁、B₁、C₁和x、y、z分别为三个感应线圈(3)的接头，x′、y′、z′为三个线圈的中间抽头。

本例的无功补偿采用电容补偿方案，取补偿前的功率因数cos∮₁为0.3，则视在功率P₅按式(16)为428kVA。要求补偿后的功率因数cosφ₂＝1，则补偿后的视在功率P₅即为128.3kVA。因此，补偿无功Q按式(17)计，得Q＝408kVAR，可选用YL0.4-20-3电容器组7组，其容量Q为410kVAR，完全符合要求。

图2是本发明实施例的电气主接线图。

其中E_A、E_B、E_C为三相电源，O为电源中性线，D为总开关，RD为熔断器，K₁、K₂、K₃、K₄、K₅为开关，C为电容器组(共7组，只画出一组)，L_A、L_B、L_C为感应线圈。

合上K₁和K₂，闭锁K₃、K₄，负载为Y接线，用于A₂点以下的升温，合上K₁和K₃，闭锁K₂、K₄，负载为Δ接线，用于A₂点以上的升温合上K₄，闭锁K₁、K₂、K₃、则负载为E_A-E_B相接线，L_A与L_B串联，用于恒温。

Claims (4)

1、一种工频感应炉式管材热处理系统，其特征在于以金属管材作为炉体，管内可装有渗透剂，管外有保温层和感应线圈，管口密封，管壁装有测温计，以工频电流为加热电源。

2、根据权利要求1所述的工频感应炉式管材热处理系统，其特征在于需热处理的金属管材本身就可以作为炉体，直接进行热处理，也可用一较大金属管材为炉体，小工件放入炉体中进行热处理

3、根据权利要求1或2所述的工频感应炉式管材热处理系统，其特征在于渗透剂可以是渗碳剂、渗氮剂，渗铝剂，渗硅剂中的一种或几种，可以是固体、液体或气体。

4、根据权利要求3所述的工频感应炉式管材热处理系统。其特征在于在使用气体渗透剂时，炉体两端密封盖上设有进料管、排气管和测压计。