有色金屬感應加熱的物理特性和新技術

編譯/李勇志·應達工業（上海）有限公司

熱溫成形除能夠快速形成高度復雜的幾何形狀之外，還可以提供大量的金屬晶粒流動和機械性能優勢，在擠壓和鍛造時，形成的纖維狀晶粒結構可以阻止裂紋的發展和改善沖擊和疲勞性能，常見的熱溫成形金屬材料中，碳鋼無疑是最常見的。但隨著鋁、鎂、鈦和超合金等有色金屬鍛件或擠壓件在汽車、鐵路、航空航天等行業的廣泛應用，有色金屬材料的需求量也越來越大。

溫度顯著影響合金的成形性及其形成優質產品的能力。多數碳鋼的熱成形溫度通常在1200 ～1300℃左右(溫成形應用的溫度可能要低得多)，但不同牌號有色金屬合金的目標溫度相差較大。在大多數應用中，客戶不會簡單地只要求提高工件的平均溫度，還會強調溫度均勻性。這些溫度均勻性要求，通常定義在某一方向（例如徑向均勻性、縱向均勻性等）或總體上。此外還有一些成形應用要求在加熱過程后達到一定的溫度不均勻性。例如大型鋁合金坯料的等溫正向擠壓，為了在成形過程中保持近等溫條件，通常需要一定的縱向溫度梯度，來提高產品質量和工具壽命。

材料性質的實際意義

鋁、銅、銀和鎂合金等感應加熱材料，不僅具有相對較高的導熱系數，還具有高導電性（即低電阻率）。因此，交流電帶來的集膚效應，在這些材料中將會非常顯著，感應產生的熱量會集中在接近材料表面的位置，φ100mm 坯料的鋁(Al6061)與奧氏體不銹鋼(SS304)放置在相同感應器和電磁場中的徑向功率密度，如圖1 所示。

圖1 不同材料徑向功率密度對比圖

當加熱材料的目標溫度接近其熔點時，靠近這些材料表面的磁通量線密度也會引起工件端部過熱的情形，如圖2 所示。這種現象是因工件末端的磁場線變形造成的。在靜態加熱系統中，可通過選擇合適的頻率、功率密度、線圈長度和線圈直徑來解決。在連續式加熱過程中，這種現象也須注意。盡管坯料是由端到端系統進料，但是坯料在某一瞬態生產條件下，仍會有明顯的電磁端部效應。

圖2 “端頭”局部過熱

由于材料中產生的溫度梯度會形成較大的熱應力，導致工件內部形成裂紋，如圖3 所示。當加熱大型工件或當工件組織處于“鑄造”狀態時，裂紋形成和擴展的風險尤其值得注意，因為鑄造材料的孔隙率和潛在的不均勻在本質上增加了這種可能性。

圖3 大塊鋁坯加熱出現徑向裂紋

由于這些潛在的問題，在選擇頻率、功率密度和加熱時間以及加熱設備的設計和控制時，就必須解決材料的局部過熱問題。

感應加熱的電磁效率本質上與負載（坯料、棒、管等）電阻相關，高電阻率材料具有更高的加熱效率。從圖1 中的兩個功率密度曲線對比可以看出，加熱過程開始時，單位長度鋁6061 坯料的總感應加熱功率約為同直徑不銹鋼坯料的四分之一，反映了感應加熱低電阻率合金的電磁效率低于高電阻率材料。與其他加熱該類型材料的方法相比，電磁感應加熱仍可提供顯著的效率優勢。

根據鋁、銅、銀和鎂合金的電子特性，一般需要相對較高的磁場強度來滿足生產率要求。有時為了獲得更大的電流透入深度，會使用非常低的頻率，此時的磁場強度會較大，電磁力也會非常高。在連續的坯料加熱過程中，當坯料接近并通過最終的線圈出口時，坯料端部的磁場會發生扭曲變形。如圖4 所示，在線圈的端部區域，磁場的徑向分量會對坯料產生顯著的縱向力。由于鋁、鎂等有色合金密度較小，摩擦力也較小。當縱向力超過摩擦力時，會將坯料從線圈中排出。在這種情況下，必須通過計算機仿真來考慮額外的設計方法或材料處理方案，以避免這種潛在的危險。

圖4 如果不考慮磁力，可能會導致坯料彈出

如上面所述，低頻電流使用在加熱低電阻率材料上有著諸多熱能優勢。除了這些熱能優勢之外，較低的頻率還可以顯著增加線圈功率因子。然而，在低頻率下，線圈電壓和每匝線圈的壓降較低，而線圈電流可能會相當高，因此可能帶來諸多潛在問題，包括線圈末端的線圈匝間作用的縱向電磁力增加，高傳輸損耗和負載匹配考驗等。為了避免這些缺點，在某些情況下使用多層式線圈可能具有較大優勢，如圖5 所示。

圖5 牢固的多層線圈結構

十八般兵器

一般是指“刀、槍、劍、戟，斧、鉞、鉤、叉，镋、棍、槊、棒，鞭、锏、錘、抓，拐子、流星”。

有色金屬感應加熱新技術

相比傳統加熱，感應加熱具有諸多優勢，具有更高的熱效率且易于實現自動化生產、設備占地面積小、能夠進行高精度實時調溫，利于生產工藝優化等。從材料角度講，鋁合金等有色金屬感應加熱具有加熱時間短、金屬氧化層薄、表層和內部同時升溫、易短時間減小心表溫差；可實現溫度梯度，進行等溫擠壓；每個坯料加熱時間和加熱溫度相同，坯料性能一致性高等優點。因此，有色金屬感應加熱技術的提高，對有色金屬行業具有重要意義。

零摩擦坯料梯度加熱

應達集團具有專利技術的零摩擦坯料梯度加熱系統，能夠實現對大直徑鋁合金坯料進行無摩擦的梯度感應加熱，如圖6 所示。

圖6 零摩擦坯料梯度感應加熱系統

通過特殊設計的上下料系統，可使大直徑鋁合金坯料在上料、加熱和下料過程中避免因摩擦而造成表面擦傷。同時，采用多模塊分區控制和溫度控制，在坯料長度方向上實現靜態梯度加熱，每100mm長度的溫度梯度可達15℃，且控溫精準，如圖7 所示。

多坯料動態梯度加熱

通過多區控制和合理的多層線圈設計，可實現多坯料的動態梯度加熱，如圖8、圖9 所示。采用多區控制對鋁合金坯料進行梯度加熱，一方面可以實現等溫擠壓，減少坯料加熱時間，避免晶粒粗大；另一方面還能減少Mg2Si 的析出，提高坯料的擠壓性能和產品質量。

圖7 分區控制與靜態梯度加熱

圖8 多坯料梯度加熱系統

圖9 分區控制與動態梯度加熱

計算機仿真及最優化技術

在選擇合適的感應加熱過程參數時，需考慮到有色金屬獨特的物理特性和溫度均勻性要求。坯料表面密集的磁通線和材料中可能引起的較大溫度梯度皆會導致局部過熱，進而產生熱應力而形成裂紋。在大多數有色金屬成形使用的感應加熱應用中，其主要目的為獲得特定溫度和溫度均勻性，即在徑向或縱向上或坯料體積內的最大容許溫度差。研究顯示在較低溫度的感應加熱應用中，對流損耗是熱損耗的主要形式。相比其他導熱性差的金屬材料，這些應用更容易實現坯料表面和心部溫度均勻。而采用計算機對有色金屬的加熱過程進行仿真，獲得最佳的電源配置和工藝參數，對于工藝最優化具有重要意義。

最優控制理論的交替方法可以應用于制定優化問題。這是設計有效的感應系統和開發過程控制配方強大的方法。該項方法和計算技術基于感應加熱期間控制瞬態熱傳遞過程的特定屬性。該方法在最佳控制過程結束時，在加熱的坯料內設置溫度分布的通用性特征。這些特征具有明確的物理意義，其嚴格的數學證明已有學者進行詳細的研究。

最優化設計和控制為實用、高效益的感應加熱過程提供了新的工具，與其他眾所周知的方法相比有著明顯的優勢。首先，它具有強烈的問題導向，并考慮到優化感應系統的所有基本物理特征。此外，它可以顯著減少現場分析模塊和目標函數評估的調用次數。

結束語

美國應達和印度應達已提供了數十臺感應加熱設備用于相關鋁、鎂有色金屬材料的鍛造加熱。在中國，由于有色金屬采用感應加熱的相關研究較少，絕大多數企業還是采用傳統的爐子來進行鍛造前加熱，但越來越多的企業也在積極探索采用感應加熱鋁、鎂合金材料。這項研究部分得到了俄羅斯聯邦教育科學部支持(政府合同項目部分，項目№10.3260.2017)。