彭加利 ,李佳龍

(遼寧忠旺機(jī)械設(shè)備制造有限公司,遼寧 遼陽 111003)

鋁棒在擠壓成型的過程中需要感應(yīng)加熱爐對(duì)其進(jìn)行加熱。由于紫銅管的導(dǎo)電性能比較優(yōu)良,是鋁棒加熱爐中的電纜、感應(yīng)線圈等部件原材料[1]。加熱鋁棒過程中,電纜、感應(yīng)線圈等部件通常是需要用水對(duì)其進(jìn)行循環(huán)冷卻。由于感應(yīng)線圈、電纜等部件內(nèi)徑較小容易結(jié)垢堵塞,導(dǎo)致冷卻不到位,從而導(dǎo)致設(shè)備燒壞[2]。

采用閉式冷卻循環(huán)水系統(tǒng)對(duì)感應(yīng)線圈、電纜等部件進(jìn)行降溫,水質(zhì)不受大氣污染,避免水質(zhì)污染結(jié)垢,減少設(shè)備腐蝕,提高該設(shè)備的穩(wěn)定性和安全性;同時(shí)閉式循環(huán)用水能夠減少水分蒸發(fā),從而節(jié)約用水,減少損耗[3]。因此研究閉式冷卻循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn),對(duì)其在感應(yīng)加熱爐中的應(yīng)用具有重要的意義。

1 研究方案設(shè)計(jì)

鋁棒加熱爐采用梯度加熱的方式以減少能耗,其感應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式采用六組加熱線圈,每組多層線圈可單獨(dú)控制加熱[4]。對(duì)于根據(jù)鋁棒擠壓加熱工藝需求,其鋁棒加熱爐的具體參數(shù)如表1所示。

表1 鋁棒感應(yīng)加熱爐參數(shù)表

1.1 參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

1)總功率P的計(jì)算

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的需求,鋁坯料的平均比熱容c=0.932 kJ/(kg·℃),初始溫度差T-T0=520-20=500 ℃,坯料密度為p=2.7g /cm3,電效率取n=0.4;節(jié)拍t=180 s/根[5]。則總功率P計(jì)算過程如下：

1 140 kW

式中：T0為初始溫度,取室溫20 ℃;G為坯料質(zhì)量,kg(鋁合金的平均密度值取27.5g/cm3);n為電效率(鋁合金感應(yīng)加熱取0.4)。

2)冷卻總水量Q的計(jì)算

冷卻水量計(jì)算需要按效率低的加熱純鋁來考慮取η=0.4,那么總功率的60%可以粗略估算成冷卻水需要帶走的熱量即ΔP=0.6P。其他部件(如晶閘管、電纜等)要帶走額定功率10%左右的熱量,即ΔP1=0.1P。在冷卻水溫升不超過20 ℃前提下,感應(yīng)線圈加熱過程中所需的理論冷卻水量W1按下式計(jì)算：

33.7 m3/h

式中：W1為冷卻水量(感應(yīng)器所需),m3/h;k為安全系數(shù),取k=1.15;cs為冷卻水的比熱容,取4.2kJ/kg ℃;p為冷卻水的密度,g/m3;ΔT為冷卻前后水的溫差,取20 ℃。

按照上述計(jì)算過程可得出其他部件所需要的冷卻水量W2=5.6m3/h;

理論計(jì)算后,實(shí)際生產(chǎn)增加安全系數(shù)。感應(yīng)器的冷卻水流量實(shí)際安全系數(shù)取2.0,而其他部件的量安全系數(shù)則要取到4.0。即冷卻水實(shí)際總流量Q=Q1+Q2,取Q=90 m3/h。

3)換熱面積A的計(jì)算

平均的溫度差ΔT按照下式計(jì)算,參數(shù)如表2所示。

表2 換熱器進(jìn)出口參數(shù)表

按閉式內(nèi)循環(huán)側(cè)計(jì)算,其換熱總量為

換熱器按照水-水換熱,傳熱系數(shù)取K=4 500W/(m2·℃),則換熱面積A0為

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),取1.2安全系數(shù),因此換熱面積A=1.2A0,A可選為62 m2。

4)水箱體積V的計(jì)算

按照水在冷卻水管中循環(huán)一圈所需的水量來設(shè)計(jì),循環(huán)一圈大概需要時(shí)間t為10 s,則可估算出所需水量V為

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),取5安全系數(shù),因此換熱面積V=5V0,V可選為1.25 m3。

由上述計(jì)算得出總功率,冷卻水總流量以及換熱器換熱面積等,可以根據(jù)此參數(shù)選取合適的水泵、水箱、板式換熱器,可設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 鋁棒加熱爐閉式循環(huán)系統(tǒng)圖

1.2 冷卻水的相關(guān)要求

1)冷卻水的水質(zhì)要求

參照國(guó)標(biāo)GB/T 10067.1—2019,此循環(huán)水路中外部循環(huán)水路管徑較大,采用工業(yè)水;內(nèi)循環(huán)管徑較小,為減少設(shè)備故障,故在閉式循環(huán)水冷系統(tǒng)中,采用純凈水,以滿足生產(chǎn)的正常需求。

2)冷卻水的溫度要求

感應(yīng)線圈進(jìn)水溫度應(yīng)在20～30 ℃,此溫度下金屬管壁不會(huì)“結(jié)露”而影響絕緣。其出水溫度應(yīng)在40～50 ℃;此溫度下能減少水垢的產(chǎn)生。

3)冷卻水水壓要求

在此循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中,循環(huán)系統(tǒng)的水壓在0.2～0.7 MPa[1]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 感應(yīng)器線圈的制作要點(diǎn)

1)感應(yīng)器線圈的制作流程

鋁棒加熱爐是在鋁棒的外表纏繞絕緣的線圈,通過電磁感應(yīng)加熱,線圈制作是極其重要的[6],其加工制備的工藝流程如圖2所示。

圖2 感應(yīng)器線圈的制作流程圖

2)線圈的絕緣處理

線圈在制作過程中要清除毛刺、尖角以及退火后的氧化皮等,若處理不到位很容易導(dǎo)致感應(yīng)器發(fā)生絕緣被擊穿。感應(yīng)加熱爐因線圈靠近發(fā)熱體,采用有機(jī)硅系列的復(fù)合絕緣制品,屬耐熱一級(jí)絕緣[7]。感應(yīng)器線圈經(jīng)過絕緣包扎和套裝后,還要進(jìn)行浸漆烘干處理,其目的是使漆液充分填補(bǔ)孔隙,線圈各匝間緊密黏合,形成一個(gè)完整的絕緣漆膜,以提高線圈的機(jī)械強(qiáng)度、絕緣以及防止受潮等性能。

為了使漆液便于浸漬,并且使線圈表面漆膜達(dá)一定厚度,對(duì)漆的黏度有一定要求。為了得到線圈表面 良好的漆膜,對(duì)線圈浸漆、滴干時(shí)間、烘干時(shí)干燥爐初始溫度、升溫速度、各保溫階段溫度與時(shí)間的規(guī)定,均要經(jīng)一定的選擇。

為了獲得良好的漆膜質(zhì)量,烘干設(shè)備采用的是真空感應(yīng)干燥爐,浸漆的關(guān)鍵是要把絕緣層浸透,烘干后形成整體。將以真空浸漆取代目前使用的常壓浸漆,烘干后的線圈,提高漆膜的防潮性和機(jī)械強(qiáng)度,最后在線圈表面噴涂一層有機(jī)硅瓷漆[7]。感應(yīng)器線圈的安裝如圖3所示。

圖3 感應(yīng)器線圈安裝示意圖

3)堵塞線圈處理

感應(yīng)線圈由于其內(nèi)徑較小,生產(chǎn)過程中多次遇到線圈堵塞問題,遇到此類問題,若直接更換線圈,更換配件較多,時(shí)間較長(zhǎng),替換任務(wù)量大且成本高;采取水壓疏通可以大幅節(jié)省時(shí)間,但若是壓力沒控制好,水垢會(huì)在推力作用下在線圈內(nèi)部堆積、堵死,線圈會(huì)報(bào)廢。通常最好的辦法是酸堿疏通。酸堿反應(yīng)可以用來去除水垢,疏通線圈。在堵塞的線圈內(nèi),倒入適量的酸堿(醋、小蘇打等)靜置一定時(shí)間后,水垢脫落來疏通管道[8]。

4)線圈維護(hù)

影響線圈使用壽命的因素除絕緣設(shè)計(jì)和制造工藝質(zhì)量外,經(jīng)常性的維護(hù)也是關(guān)鍵,特別是鋁棒進(jìn)入爐膛過程中,對(duì)線圈的磨損而引起接地短路,所以要經(jīng)常檢查并對(duì)松動(dòng)件進(jìn)行緊固,以達(dá)到預(yù)期效果。

2.2 循環(huán)水管路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1)循環(huán)水管路直徑d的計(jì)算

循環(huán)水系統(tǒng)的壓力通常在0.2～0.7MPa,管路的流速一般為1.5～3.0 m/s[9]。管路直徑計(jì)算按下式進(jìn)行：

式中：d為管徑,m;Q為循環(huán)水流量,m3/s;V為循環(huán)水流速,m/s。

管道材質(zhì)的選擇根據(jù)用途的不同有多種選擇。閉式的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中,常選取焊接無縫鋼管。管徑取DN100的無縫焊接鋼管。

2)管道排氣裝置

管道安裝焊接定位好后,需要進(jìn)行通水試漏,初次通水中局部水流速度較快,沒法及時(shí)排除全部空氣,導(dǎo)致管中形成氣阻,振響。嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響到整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行[9]。所以,在管道的高處(一般在末端)設(shè)置氣體排出閥,同時(shí)可以按照2%向上坡度鋪設(shè)水平管路,更方便管內(nèi)的氣體排出。

另外,在管道的最低點(diǎn)、感應(yīng)爐水管進(jìn)出口、水泵的進(jìn)出口等部位裝好手動(dòng)閥,便于管道排水檢修。循環(huán)水泵進(jìn)出口必須有截止閥、過濾器,管路設(shè)計(jì)盡量防止管路應(yīng)力傳到水泵上,水泵進(jìn)出口還需安裝可曲撓橡膠接頭。

3)管道鋪設(shè)

管道鋪設(shè)一般有兩種方式：架空和埋低。本系統(tǒng)考慮到北方氣候的影響,將水管埋在冰凍線(約1.2 m)以下。

2.3 水箱設(shè)計(jì)要點(diǎn)

閉式內(nèi)循環(huán)中純水存在一定損耗,需要及時(shí)補(bǔ)充,故水箱應(yīng)裝電動(dòng)液位計(jì),安裝示意圖如圖4所示。其清理過程如下：

圖4 水箱設(shè)計(jì)安裝示意圖

1)閉式水箱清理

閉式循環(huán)冷卻水水箱在初次使用時(shí)用試漏,試漏完后邊補(bǔ)水邊清洗,然后排空以排出制作過程中存在的雜質(zhì),反復(fù)兩次清洗后方可正常使用[3]。閉式循環(huán)冷卻水水箱在使用過程中應(yīng)經(jīng)常沖洗,利用水箱放水閥門,邊補(bǔ)邊排進(jìn)行沖洗,直至水質(zhì)清澈、透明、雜物,關(guān)閉水箱放水閥。

2)水箱濾網(wǎng)堵塞處理

閉式冷卻水補(bǔ)水水源可能攜帶顆粒,將水箱存水放空后進(jìn)行檢查及人工清理防止水源攜帶顆粒[8]。閉式冷卻水系統(tǒng)管道及水箱均為碳鋼材質(zhì)且未經(jīng)過酸洗鈍化會(huì)存在氧化及銹皮脫落的情況。閉式冷卻水泵入口設(shè)計(jì)濾網(wǎng),在水箱出水管道上加裝過濾器,以方便過濾雜質(zhì),及時(shí)清理。同時(shí)板式換熱器、感應(yīng)線圈每隔一段時(shí)間清理一次,做到防止系統(tǒng)存在循環(huán)死角。

2.4 系統(tǒng)儀表配置

閉式冷卻循環(huán)水系統(tǒng)需要配制合適的儀器儀表來確保系統(tǒng)的安全。在此系統(tǒng)中,水泵的前后、感應(yīng)線圈進(jìn)出水口等部位安裝電接觸壓力表、電接點(diǎn)溫度計(jì)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)線圈等核心部件的水壓情況,確定其有無堵塞。在管道的尾端安裝壓力變送器,從而合理控制水壓,確保系統(tǒng)水壓恒定。

在廠房?jī)?nèi)部、外部進(jìn)水管等部位安裝溫度傳感器、便于外部冷卻循環(huán)水路中冷卻塔的穩(wěn)定運(yùn)行。水箱內(nèi)部要設(shè)浮球液位計(jì),便于水位的監(jiān)測(cè)。

3 系統(tǒng)運(yùn)行與維護(hù)

3.1 設(shè)備的安全性

感應(yīng)加熱需將鋁棒加熱到500 ℃,若出現(xiàn)系統(tǒng)停水,將導(dǎo)致系統(tǒng)沒法及時(shí)冷卻,會(huì)直接將鋁棒燒壞,影響其性能;同時(shí)鋁棒加熱爐的爐體,線圈,爐門等部件也會(huì)在高溫下燒壞。本冷卻系統(tǒng)在內(nèi)部循環(huán)設(shè)置備用水泵,避免因?yàn)樗霉收隙绊懮a(chǎn)。同時(shí)設(shè)置了柴油發(fā)電機(jī)和應(yīng)急高位水箱作為在非計(jì)劃停電情況下的緊急措施。

而外部循環(huán)采用消防安全水和自來水作為應(yīng)急水源,配制應(yīng)急水源切換閥門。在非計(jì)劃停電情況下,可將水管連接到該應(yīng)急水源,保證系統(tǒng)的運(yùn)行平穩(wěn)、安全。

3.2 設(shè)備環(huán)境影響

極端天氣下水易凍結(jié),對(duì)系統(tǒng)的安全影響極大。尤其是北方地區(qū),冬季循環(huán)水結(jié)冰時(shí)有發(fā)生,更需重點(diǎn)防范[3]。本系統(tǒng)管道多采用埋地鋪設(shè),對(duì)于一些架空管道,大多采用管道包棉;同時(shí)系統(tǒng)冬季保持系統(tǒng)循環(huán)水流動(dòng),大大緩解循環(huán)水結(jié)冰的現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

感應(yīng)加熱爐是鋁棒擠壓生產(chǎn)線上的核心設(shè)備,合理設(shè)計(jì)閉式冷卻循環(huán)系統(tǒng),極為重要。通過合理的操作流程和清洗方法,能夠有效地解決感應(yīng)線圈、水箱等部件的堵塞故障問題。通過實(shí)際設(shè)備運(yùn)行,該閉式冷卻循環(huán)系統(tǒng)能夠滿足車間生產(chǎn)要求,降低設(shè)備的故障率,滿足鋁棒加熱爐冷卻循環(huán)的工藝要求,提高感應(yīng)加熱爐使用穩(wěn)定性,值得借鑒和推廣。