西北鋁業(yè)有限責任公司 甘肅隴西 748111

1 序言

感應(yīng)加熱主要用于熔煉、焊接、熱處理、熱鍛件、鑄錠加熱、金屬加工前預(yù)熱等熱加工工藝，這種加熱技術(shù)也適用于包裝和固化的許多其他應(yīng)用領(lǐng)域。由于工頻感應(yīng)爐采用了電磁場、熱場數(shù)字化計算技術(shù)，可編程控制器集中監(jiān)控技術(shù)，因而具有電熱總效率高，可滿足不同鋁合金錠加熱溫度的要求，溫度控制方便，且加熱溫度控制精度高，易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點。目前，工頻感應(yīng)加熱技術(shù)已大量應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，而且隨著感應(yīng)加熱理論和技術(shù)的不斷進步，自動化的感應(yīng)加熱成套設(shè)備已經(jīng)大量涌現(xiàn)，展示了越來越廣泛的應(yīng)用前景[1]。

但是隨著工頻感應(yīng)加熱爐在空心鑄錠加熱生產(chǎn)中的不斷應(yīng)用，感應(yīng)加熱暴露出了箱式電阻加熱爐所不存在的缺陷。例如，在生產(chǎn)7A04合金，φ95mm×25mm管材時，鑄錠經(jīng)感應(yīng)加熱后沿長度方向上出現(xiàn)尾端溫度高于前端溫度，以及表面裂紋、過燒等大量廢品；在低倍試片上存在明顯的色差，嚴重時試片上有許多像年輪一樣的環(huán)形紋路，產(chǎn)生許多環(huán)形不合層，以及低倍裂紋等缺陷，已嚴重影響到產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)的生產(chǎn)效益。通過對感應(yīng)加熱爐的生產(chǎn)操作，加熱功率選擇、加熱及保溫時間等工藝參數(shù)進行工藝研究，找出不同的工藝參數(shù)對產(chǎn)品質(zhì)量的影響因素。

2 試驗方法

本試驗選用36MN鑄錠工頻感應(yīng)加熱爐，直徑為320mm的感應(yīng)圈進行試驗研究。該感應(yīng)圈有效長度1400mm，分6個加熱區(qū)，每區(qū)可獨立調(diào)功能，可以實現(xiàn)平行加熱和梯度加熱。一般情況，從進料端到出料端，1～3區(qū)設(shè)定為預(yù)加熱區(qū)，4～6區(qū)設(shè)定為加熱區(qū)；加熱爐具有9檔功率可調(diào)，隨加熱檔位（1～9檔）增大，加熱功率減?。蛔畲蠹訜峁β蕿?00kW；允許加熱鑄錠最高溫度550℃；在鑄錠出料端由邊緣和中心兩只熱電偶進行控溫，控溫精度為±5℃。通過選擇不同的加熱檔位和加熱保溫時間，考察工藝參數(shù)對鑄錠質(zhì)量的影響。

實測鑄錠溫度，用TES1310TYPE-K型手持式表面溫度計測量。

試驗所用材料為7A04合金，化學成分符合GB/T 3190—2008《變形鋁及鋁合金化學成分》要求。鑄錠規(guī)格為φ312mm×97mm×650mm，在455～465 ℃下均勻化處理24h。擠壓管材為φ95mm×25mm。

感應(yīng)加熱后的鋁錠均采用相同的擠壓工藝參數(shù)：擠壓速度0.5～2mm/s，擠壓筒溫度400～450℃，鑄錠設(shè)定溫度430℃；同時對所試驗的管材100%進行低倍組織檢驗。在試驗過程中，對鑄錠加熱后發(fā)現(xiàn)表面有裂紋及過燒鑄錠未進行擠壓。

3 試驗結(jié)果

3.1 不同加熱檔位對管材質(zhì)量的影響

分別選用加熱檔位為4、5、6、7檔，加熱保溫時間為20～32min進行試驗（為保證不同檔位加熱溫度一致，設(shè)定不同檔位的加熱時間不一致），當儀表顯示鑄錠內(nèi)外溫差≤20℃時出爐。試驗結(jié)果見表1。從表1中可以發(fā)現(xiàn)，當加熱檔位≤5檔時，加熱后鑄錠表面或管材低倍組織出現(xiàn)裂紋。

表1 不同加熱檔位對應(yīng)的試驗結(jié)果

當鑄錠在4檔加熱時出現(xiàn)了表面裂紋，其鑄錠加熱后的裂紋如圖1所示中箭頭指向區(qū)域。管材低倍組織中內(nèi)壁圓周出現(xiàn)環(huán)形裂紋（見圖2a）或放射性裂紋（見圖2b），且裂紋在內(nèi)壁5mm處開始出現(xiàn)環(huán)形裂紋。

圖1 鑄錠加熱裂紋

圖2 管材低倍裂紋

3.2 不同保溫時間對管材表面質(zhì)量的影響

加熱檔位選用方案一中優(yōu)選出的最佳加熱檔位6檔，在其他工藝條件不變的情況下，改變加熱保溫時間進行試驗。一是為了驗證其加熱檔位的穩(wěn)定性；二是考察加熱保溫時間與鑄錠斷面上以及低倍組織中存在的色差、多層環(huán)形紋路、多層環(huán)形開裂等缺陷產(chǎn)生的關(guān)系，試驗結(jié)果見表2。從表2可看出，加熱時間≤5min，管材低倍組織有色差；當加熱時間＞20min時，管材低倍組織出現(xiàn)年輪狀或開裂；當加熱時間＞50min時，鑄錠表面局部熔化，出現(xiàn)過燒。

表2 不同的保溫時間試驗結(jié)果

保溫時間為1min時，管材低倍試片中顯示在邊緣≤8mm寬度范圍顏色發(fā)白，其余顏色發(fā)暗，即存在加熱不透現(xiàn)象，其低倍組織情況如圖3a所示。當鑄錠保溫時間≤5min時，擠壓的管材低倍試片銑床加工后還沒有進行酸洗，能夠明顯的看到色差，如圖3b所示。

圖3 鑄錠保溫

從低倍試片中看到其色差隨著保溫時間的延長中間黑色部分逐漸縮小，當加熱保溫時間9min＜t≤20min時，低倍試片上看不到色差，如圖4a所示。

當加熱保溫時間在20min＜t≤30min時，低倍試片上又出現(xiàn)新的缺陷。該缺陷的外形特征為像年輪一樣的許多環(huán)形紋路，且環(huán)形紋路隨著保溫時間的延長層數(shù)越來越多，但不是沿圓周均勻分布，只有在距內(nèi)壁邊部5～10mm存在，其余部分沒有該缺陷，如圖4b所示。

當鑄錠保溫時間超過30min時，鑄錠經(jīng)長時間的反復(fù)加熱保溫，鑄錠內(nèi)部溫度高于邊緣溫度，沿長度方向上中間溫度開始高于前端溫度，尾端溫度接近于前端溫度。由于鑄錠加熱保溫時間過長，導(dǎo)致鑄錠溫度過高，所以擠壓后的鑄錠尾端分層更加嚴重，可看到明顯的環(huán)狀開裂，如圖4c所示。

在生產(chǎn)中加熱到溫的鑄錠，由于設(shè)備故障導(dǎo)致無法正常生產(chǎn)時，在爐內(nèi)停放長達1h，中途反復(fù)加熱、保溫2次，當鑄錠出爐后，發(fā)現(xiàn)尾端已過燒，第二個鑄錠的頭端也已過燒。

圖4 不同保溫時間對應(yīng)的鋼管、鑄錠

4 結(jié)果分析

4.1 不同的加熱檔位（功率）對產(chǎn)品質(zhì)量的影響

從前述結(jié)果可以看出，當加熱檔位≤5檔時，就出現(xiàn)了低倍組織裂紋，以及鑄錠表面裂紋。其加熱檔位≥6檔時低倍組織中沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。從表1中還可以看出，隨著鑄錠加熱檔位的降低，其相應(yīng)的加熱功率也就變大了，在同樣的工藝條件下，加熱功率越大，內(nèi)外表溫差到達≤20℃所用的時間越短，即其加熱速度越快。因此加熱功率的大小和加熱速度的快慢成正比，為了防止鑄錠和低倍組織裂紋，對7A04合金鑄錠加熱時不能采用快速加熱，只能選用不小于6檔的加熱功率進行加熱。

通常選擇加熱功率主要考慮兩個因素：生產(chǎn)能力（生產(chǎn)效率）和所需溫度及均勻性，其中材料的生產(chǎn)能力，直接決定整個加熱功率的大小；加熱過程中溫度的均勻性受電源頻率和功率兩方面的影響。從試驗情況來看，加熱功率的大小還要考慮鋁及鋁合金的特性。

鑄錠裂紋產(chǎn)生的主要原因是由于鑄錠放到感應(yīng)器內(nèi)，在通入工頻（50Hz）交流電的空心銅管纏繞的線圈中產(chǎn)生交變磁場，故在鑄錠中產(chǎn)生出同頻率的感應(yīng)電流。這種感應(yīng)電流在鑄錠中的分布是不均勻的，在表面強，而在內(nèi)部很弱，到心部接近于0，利用趨膚效應(yīng)[2]，可使工件表面迅速加熱，而心部溫度靠熱傳導(dǎo)進行升高，其升高的速度與表面相比很小。由于內(nèi)外表面溫差較大，所以擠壓時金屬流動不一致產(chǎn)生了裂紋。加熱功率越大、鑄錠直徑越大、合金化程度越高，裂紋傾向性就越大，其表面和心部的溫度差越大，越容易產(chǎn)生鑄錠開裂。

4.2 鑄錠加熱保溫時間對低倍組織的影響

鑄錠置于感應(yīng)加熱爐進行加熱時要經(jīng)過升溫、均溫和保溫三個階段。在加熱檔位、擠壓速度、擠壓溫度設(shè)定相同的情況下，從表2、圖3、圖4可以看出，保溫時間過短，制品會有色差存在；當鑄錠在感應(yīng)爐內(nèi)經(jīng)過多次升溫和均溫，鑄錠處于長時間的保溫，停止加熱，再加熱、保溫，加熱及保溫時間超過50min時，還會導(dǎo)致鑄錠局部過燒，其過燒部位在鑄錠的尾端，其緊靠的第二個鑄錠的前端也發(fā)生了過燒。因此，鑄錠加熱保溫時間的長短，對7A04的低倍組織影響很大。保溫時間過長或過短都不利于產(chǎn)品質(zhì)量，只有在6～20min的區(qū)間內(nèi)才能夠保證其制品質(zhì)量。

管材在距內(nèi)壁5mm范圍內(nèi)產(chǎn)生環(huán)形裂紋，應(yīng)該與其感應(yīng)加熱的趨膚效應(yīng)和透入深度有關(guān)[3]。渦流的理論透入深度△（單位：cm）為

式中ρ——材料的實時電阻率（Ω·cm）；

μ——材料的相對導(dǎo)磁率；

f——工作頻率（Hz）。

由此可知，其感應(yīng)電流高度集中在鑄錠表面的一定深度內(nèi)，鑄錠加熱主要在透入深度△范圍內(nèi)進行，在△深度以外，感應(yīng)電流及其產(chǎn)生的熱量都很小，鑄錠直徑越大，在靠近中心部位時已經(jīng)遞減為零。鑄錠心部溫度是靠從鑄錠的表面到中心，逐漸傳導(dǎo)過來的。

鋁屬于非磁性材料，即鋁錠的相對導(dǎo)磁率μ=1，工頻感應(yīng)加熱爐的工作頻率50Hz。由上式可知，鑄錠加熱深度主要是由合金的實時電阻率來決定的，其透熱深度是隨著電阻率的大小在不斷變化的。感應(yīng)加熱透入深度隨著鋁錠材料的電阻率的增加而增加的，鋁的電阻一般隨溫度的增加而增加。因此，當鑄錠心部和表面溫度達到基本均勻一致后，鑄錠還處于長時間的保溫加熱會形成多層環(huán)形缺陷，當溫度恒定在一定值時，其有效透入深度也就恒定，此時繼續(xù)長時間的反復(fù)加熱，將會導(dǎo)致分層現(xiàn)象產(chǎn)生。

5 結(jié)束語

1）防止鑄錠和低倍組織裂紋，對7A04合金鑄錠加熱時不能采用大功率加熱，只能選用小功率進行加熱；考慮生產(chǎn)效率最大化，7A04合金加熱時應(yīng)選用的加熱檔位應(yīng)≥6檔。

2）在感應(yīng)加熱鑄錠時，除了考慮生產(chǎn)效率、加熱溫度及均勻性外，還要考慮不同合金的特性。

3）合理控制加熱保溫時間，才能保證產(chǎn)品質(zhì)量，其保溫時間應(yīng)控制在6～20min。

4）當設(shè)備發(fā)生故障不能及時進行擠壓生產(chǎn)時，感應(yīng)爐應(yīng)立即停止加熱；另外，鑄錠在爐內(nèi)停放不應(yīng)超過1h以上。