专利名称：互频感应炉式管材热处理系统的制作方法
技术领域：
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δ=50300=ρuf···(4)]]>其中μ为磁导率，f为电流频率。
因此，感生电流I2所作功率Po可按(5)式计算Po＝I22×R…(5)或按(6)式计算Po＝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×(T41-T42)…(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tB根据SDGJ59-84之设计技术规定，可按(12)式计算tB=1000×t/(π×D1×α)+t0/(2π×λ1)×1n(D1/D)1/(2π×λ1)×1n(D1D)+1000/(π×D1×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α=10+6w-----------------···(13)]]>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∑PH，见式(14)，P＝P′＋∑PH…(14)恒温功率Ph为各损耗功率之和∑PH，即(15)式PH＝∑PH…(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＝50Ha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Po，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ue，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tB＝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∑PH＝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Ph＝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Po＝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EA、EB、EC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N1A＝N1B＝N1C＝65匝，据式(2)得各相电流I1A＝I1B＝I1C＝194.7A。
恒温时使用380V的EA-EB相电源，且将N1A、N1B串联。此时的Po＝Ph＝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＝N1A＋N1B＝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Ph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EA、EB、EC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)，LA、LB、LC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EA-EB相接线，LA与LB串联，用于恒温。
权利要求
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。
全文摘要
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。
文档编号C21D9/08GK1123842SQ9411300
公开日1996年6月5日 申请日期1994年11月30日 优先权日1994年11月30日
发明者曹家骏 申请人:曹家骏