锻造加热设备

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一般金属锻造坯料的加热温度，取决于金属的再结晶温度。锻造的 温度与金属的性质密切相关。钢的再结晶温度约在460~C左右。 300～800~C一般称为温锻；钢的热锻依据合金的差异一般界于 800～1200~C。而对于铝及铝合金，一般的锻造温度在400~C左右； 铜与铜合金的锻造温度在750～900℃ ；钛及钛合金的锻造温度， 通常都要高于IO00~C。 感应加热的现状及其发展的趋势 (1)感应加热炉的设计、制造，从技术方面讲，可以说已经完全 成熟。用于小规格钢坯锻压坯料加热，因其便于实现自动化、连续 化已经被普遍采用；用于有色金属挤压坯料的加热，即使是大规格 的锭坯，也有趋于采用工频感应加热的明显趋势。
2015
锻造加热设备
目 录
第一章： 第一章：请在此处输入您的标 锻造加热设备简介 题
Contents
第二章： 第二章：请在此处输入您的标 锻造加热设备技术 题
第三章： 第三章：请在此处输入您的标 锻造加热设备案例 题
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锻造加热设备简述
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锻造加热设备简介
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锻造加热设备技术
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锻造是一种借助工具或模具在中级或压力作用下加工金属机械零 件或零件毛坯的方法。与其他的几种加工方法相比，如铸造、机 械切割加工等等，锻造的优点是显而易见的。它主要表现在锻造 加工的生产率最高；锻件的形状、尺寸稳定性好，并且具有最佳 的综合力学性能；而且锻件韧性高、纤维组织合理，件与件之间 性能变化小；锻件的内部质量与加工历史有关，不会被任何一种 金属加工工艺超越。
感应加热没有诞生前，火焰炉是锻压工业加热的唯一选择。其实， 如果单纯从经济性来说，火焰炉要优于任何电加热包括感应加热 设备。这是因为，从电的发生到坯料被感应加热，经过了多次的 能量转换过程。而每次转换都伴随着损耗。
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以火力发电为例，从燃料燃烧获得的热能转换为机械能和电能会 损耗一部分能量；电能从发电厂出来到达感应加热设备的途中， 一部分电能在升、降压变压器、高、低压传输线中转变为热能而 消耗掉；剩下的电能在感应加热设备转变磁场能，磁场能转化为 热能使坯料加热，又带来新的损耗。 但是，在锻压工业中，坯料的加热采用感应加热相对于火焰炉加 热具有以下两个特点： 特点一：感应加热具有高达500-1000kW/m2的单位功率（由于 坯料中可建立起高的磁通密度和一定量的有效加热层深）和短的 透热时间（由于热发自坯料自身）。 这一特点给锻造坯料加热带来的好处是：
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（4）端部效应 分为坯料的端部效应和感应线圈的端部效应。 趋肤效应描述了金属坯料横截面上的磁场分布，而端部效应却显示 了坯料和感应线圈端部的磁场分布。它将影响沿坯料轴向的功率分 布及坯料加热温度的分布情况。 对于纵向磁场中的非磁性坯料，坯料的端部效应使坯料端部吸收的 功率增加，对于磁性坯料，端部效应使其吸收的功率增加还是降低， 取决于坯料的半径、材料特性、频率和磁场强度。 感应加热是上述四种效应的综合应用，感应器线圈系统的作用表现 为圆环效应，坯料系统表现为趋肤效应，两者之间是邻近效应和端 部效应。
对于Φ=Φmsinωt，角频率为ω=2πf，则感应电动势的有效值 为：
E=4.44f nΦm （1-2）
式中：f——电流频率
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将坯料视为只有一匝的闭合回路，当感应电动势产生时，该回路中 产生交变的自成环路的环流——涡流I2。感应加热中就是利用涡流 产生的热能来加热金属坯料。
焦耳效应可用下式表述：
Q=I22Rt（J） （1-3）
5、感应器由变压器隔离，非常安全。
6、环保：没有污染、噪声和粉尘。 7、适应性强：能加热各种形状不同的工件。
8、设备占地小，不足两平方米，方便客户最大限度利用生产空 间。
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我国工业取得了快速发展，它的发展极大地促进了锻压行业的发 展和技术进步。中国的锻件总产量排名世界第三,成为一个锻件 生产大国。锻造加热是整个锻造过程中的重要环节，其主要目的 是提高坯料塑性，降低变形抗力，使之易于成形并获得良好的锻 后组织。加热设备的正确选择对提高锻造生产效率，降低能源消 耗，减少环境污染，都有着直接的关系。目前，通常使用的感应 加热设备。 感应透热炉是一项新技术。加热时导体具有集肤效应，圆环效应， 邻近效应，端部效应等电流分布不均匀现象。增加了设计难度。 为充分发挥装置的效能，工程设计中必须注意用于感应加热的频 率从几赫兹(Hz)到几十兆赫兹(MHz)，依据工艺要求选择不同的 频率，一般而言，直径小的毛坯选择频率高，直径大的毛坯选择 频率低。
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（2）邻近效应 通以交流电流的相邻两金属导体的电流密度要重新分布。当 两导体的电流方向相反时，最大值出现在导体内侧，反之， 最大值出现在导体外侧。这种现象称为邻近效应。 邻近效应产生的原因：设在任何瞬间，两平行导体中的电流 方向相反（图1-5a），在导体之间由两电流所建立的磁场方 向相同，两导体间的总磁场增大，而两导体外侧的磁场减弱。 位于导体外侧的电流“线”比内侧电流“线”交链较多的磁 通，因而沿外侧的电流线比内侧感应的反电势大，外侧的电 源电势与反电势之和较内侧低，因此，导体外侧电流密度较 内侧小。
它反映了涡流在金属坯料中所产生热的速率与坯料的电阻和涡流的 平方成正比这样一种现象。 消耗于金属坯料中的功率为： P=EI2COSφ=4.44f nφmI2cosφ （1-4）
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当其它参数不变时，功率P与频率f成正比，因此，提高频率， 在相同体积中释放的能量增大，这就是感应加热中采用中、 高频率的原因。 感应加热的电磁效应 （1）趋肤效应 线圈导体中的交变电流和金属坯料内的涡流在其横截面上的 电流密度不均匀分布，最大电流密度出现在该横截面的表层， 并以指数函数规律向心部衰减，这种现象称之为趋肤效应。
二、机械部分
机械控制采用可编程序控制器（PLC）控制，控制度高， 动作准确，加热方式采用旋转行进增加了杆身温度的均匀 性。
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锻造加热设备优点： 1、与传统加热手段相比较（油、煤、气），具有环保、节能、 操作方便、劳动强度低的显著优点； 2、与可控硅中频相比较节能10%~30%，对电网没有谐波干扰； 3、与电阻炉相比较节能50%~60%； 4、对客户产品具有加热快、受热均匀、无氧化层、产品质量好 等优点；
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①加热速度快，即使在空气中加热坯料表面的氧化、脱碳 也非常少。锻后的零件有合理的流线分布，它可以使坯料 获得较高的疲劳性能。用火焰炉加热，其氧化皮量为3%4%，而用感应加热可控制在0.05%-0.5%；感应加热在加 热区没有燃料生成物，因而可以获得比较洁净的坯料，这 对坯料高品质制造是一个非常有益的因素。 ②短的加热时间有利于局部加热。加热区温度可以迅速建 立，温度过渡区比较窄，这既减少了电能的损耗，又有利 于有些局部加热工件的锻压成形。
如两平行导体的电流在任何瞬间方向相同（图1-5b）导体外 侧电流密度较内侧大。
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（3）圆环效应 当交变电流通过圆环形线圈时，最大电流密度出现在线圈导体的内 侧，这种现象即是圆环效应。 磁力线在环内较密集，环外分散，因此，外侧电流线较内侧穿透较 多的磁通，反电势大，所以，外侧的总电势和电流密度较内侧小。 圆环效应对圆柱体坯料外表面加热时起有利作用。这也是为什么坯 料在螺线管感应器内加热不必加导磁体的原因。而对于内孔加热或 平面加热时，圆环效应对加热是不利的，这时可利用导磁体改变磁 力线状态，把电流由内侧驱赶到外侧。
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③节能、节材。 ④短的加热时间，使感应加热便于提高生产率，降低生产成本。 ⑤加热速度快，加热时间短，所获得的奥氏体晶粒细。感应加热的 工件具有非常好的金相组织。 ⑥设备启动快。而火焰炉中有许多耐火材料，启动时吸收大量热能， 即装置的热损耗大。不工作时，也必须维持一定的温度。 ⑦加热速度快，氧化皮生成极少，使模具寿命延长（有资料表明， 仅由于感应加热氧化皮减少一项，可以使模具寿命提高30%）。
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趋肤效应产生的原因：当金属坯料两端施以交流电压U时，则在 金属坯料中建立起交变电场。由于电磁感应，坯料中电流所形成 的交变磁场又产生一个方向相反的感应电势e。由于坯料心部穿 透的磁通比表面多，心部的感应电动势e1大于表面的感应电动 势e2，即U-e1＜U-e2，故表面电流密度i2＞心部电流密度i1。
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感应加热基于两个基本物理现象：法拉第电磁感应、焦耳效应。 当线圈中通过交变电流I1，则在线圈周围空间建立交变磁场。处 于该交变磁场中的金属坯料内产生出感应电动势E。
①电源 ②涡流 ③金属坯料 ④感应线圈
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法拉第电磁感应定律确定： 式中：E ——感应电动势、n ——感应线圈匝数 Φ——磁通量、t ——时间 式中的负号表示感应电动势的方向与磁通量变化率的方向相 反。
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锻造加热生产线工艺流程
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锻造加热毛坯生产工艺流程
钢棒剪切下料 *:端面角度/毛刺
中频感应棒料加热 *:温度
四工步锻压成型 *:尺寸/表面质量
正火热处理 *:温度曲线/金相组织
抛丸处理 *:表面氧化皮残留物
质量检验 *:尺寸/表面质量
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锻造加热设备组成部分： 一、电源部分 频率在超音频频段（20－30）KHZ之间加热电源可用全固 态IGBT超音频感应加热电源，全固态电源由于其设备占地 小节水性能好，整机效率高，输出电压安全系数高等诸多 优点。
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(2)低(工频)、中、高频的感应加热炉的适用范围不会发生重大的改 变。中、高频的感应加热设备主要用于金属的热处理(如表面淬火) 领域，以及金属的熔炼、合金生产过程。未见中、高频用于钢及有 色金属锻造坯料的加热领域的报导。主要是中、高频加热瞬时能量 释放过快，而向坯料中心热量传导缓慢。将依靠变频元件的进步， 进一步降低中、高频变频电源设备成本，提高运行的可靠性。 (3)感应加热设备电源部分的发展，中、高频感应炉，主要涉及 变流环节的结构和固体化元件的进步；工频感应炉的设计将更注意 三相的平衡技术(尤其是单相的感应加热炉)，并要致力于将功率因 数控制在电网允许范围之内(0．85～0．9)，以达到减少电网损失， 节约能源的目的。 (4)在锻压领域，不论任何感应加热设备，加热设备与主设备计 算机集中控制、集中显示、故障警报、协调运行的能力将会有进一 步提高。通过计算机将主机(如模锻、挤压设备)和加热设备，当然 也包括机组的其他辅助设备，将运行控制在最佳状态，无疑是工业 技术发展的重要目标。
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用于普通工件的感应加热电源控制系统示意图
高压桥
TA 656VAC
S300
低压桥
低压桥起动条件
逆变器
来自S300
负载电路
全控
来自S300
半控
IMF
来自S300
S300 S300MF
U
P.L.C.CABUET PROFIBUS
AL300
P2 JP24 JP23 J22
TF300
P1
S300A
J8
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金属坯料锻造前的加热必须配备加热设备。而加热设备的配 置主要取决于金属本身对加热温度的工艺要求，满足这些工 艺要求的热源有多种。原则上，凡是能使金属温度升高至锻 造工艺要求的热源都可以利用，但选择加热设备仍然要考虑 能源的经济性，加热设备建造的投入成本，加热温度控制的 可能性、稳定性，以及满足环保所提出的要求。 今日所称的锻造概念，包含自由锻、模锻、挤压、轧制、 冷镦、冷冲和辗扩等诸多工艺方法，除冷镦、冷冲在常温下 进行外，不论采用何种锻造方法，都要将欲进行锻造的金属 坯料进行预先加热，以使金属具有良好的塑性，较低的变形 抗力。经过锻造的金属，组织更为致密，具有更高的力学性 能。
锻造加热设备主要由变频电源和电磁 感应器组成。和其它加热炉比较，优 势明显。如升温速度快，加热时间短， 能成倍提高生产率；能与其它工艺设 备组成连续的生产线；加热效率高达 60~75%，较火焰加热效率20%、电阻 炉加热效率40%高出许多；感应加热 过程不产生烟气和烟尘，节能与环保； 自动化程度高，特别适合毛坯形状简 单，品种少，产量大的产品零件生产。 因其诸多的优势，正在快速的淘汰利 用火焰加热和电阻加热的装置，大量 用于热成型，毛坯锻造、热冲压、热 挤压轧制等热加工行业。它充分利用 的是许多产品通过金属加热到一定温 度，具有可塑性的特点，然后再利用 各种方式使金属轧制成希望的形状。