电感应加热器在硅钢推拉酸洗机组上的应用

1 引言

硅钢作为电力工业的核心软磁材料，其冷轧过程中的边部裂纹问题严重制约成材率。传统推拉式酸洗机组因工艺限制，难以实现对带钢边部的定向温控。某钢厂引入的‌整板式感应线圈加热系统‌，在酸洗工序后增设电感应加热段，将带钢温度从 30% 提升至 80% 甚至更高，显著改善了硅钢边部塑性。本项目首次将 10kHz 超音频感应加热技术与推拉式酸洗工艺结合，为解决冷轧边裂问题提供了新思路。

2 电感应加热工作原理

电感应加热原理基于电磁感应现象。根据法拉第电磁感应定律，交流电通过线圈产生高频交变磁场，当金属导体置于该磁场内时，磁场穿透导体并诱导出涡流电流。‌这些涡流在导体的电阻作用下转化为热能，根据焦耳定律实现快速升温，整个过程无需直接接触加热源。

工件的发热由两种效应导致。由于导体有电阻，涡流流过导体时产生电阻热（焦耳热效应），实现从工件内部发热。对于铁磁性工件，在居里点温度以下其内部自发磁化形成许多磁畴结构。中高频交变磁场不断地对磁畴进行磁化，亦即改变磁畴的磁极方向。磁畴在改变其方向的时候与周围磁畴相互摩擦产生热量，称之为磁滞热效应，也会使得工件温度升高。具体机制为电流方向不断变化（通常由晶体管控制，每秒切换数百万次），导致金属内部磁畴重新排列并产生原子摩擦，从而在极短时间内达到高温。‌这种技术高效节能，一般能将 90% 以上的电能转化为有用热量，且线圈自身几乎不发热。优点包括：‌无接触加热‌：线圈与导体分离，减少能耗损失；‌快速升温‌：导体可在数秒内被加热至发红状态。

实际应用中，感应加热广泛用于电磁炉等设备，金属材质（如铁）因高电阻特性更易产生涡流，实现精准控温。

3. 电感应加热系统技术方案

3.1 系统设计要点

根据相关技术附件，本项目系统核心参数如下：

∙ 加热目标‌：硅含量 >2.2% 的高牌号无取向硅钢，规格1.8～3.0mm×850～1350mm

‌工艺要求‌：整板连续加热，入口温度 30% →出口温度 80% （偏差 ±5^∘C ），速度 ⩾72m/min

 产能要求：在推拉式酸洗机组卷曲设备前有限长度空间内设计感应加热器，实现机组产能最大化（同时与该厂冷轧机组能力匹配）。

∙ 关键创新‌：

1)‌边部温控设计‌：采用整板式感应线圈（ 2×400-500mm ），通过电磁屏蔽技术减少磁场泄漏，确保边部与中部温差 ⩽5^c 。

2)‌效率优化‌：整板式紫铜线圈配合 10kHz 频率（8-12kHz 可调），使电流透入深度δ 与带钢厚度比 ，耦合效率达 92% 。

3) 自动控制系统：自动控制系统具有机械设备、电源系统、红外温度检测系统、生产线前后工序等设备的联锁控制，并具备多种保护功能。电磁感应加热装置自身控制系统主要功能包括：逆变系统的锁相驱动控制、整流器调功控制和系统监控。

3.2 核心设备配置

水冷系统 双循环设计（外循环 60m³/h ，电导率 <10μS/cm ）

4. 边部加热降低边裂率的机理

4.1 硅钢边裂产生原因

硅钢边部裂纹主要源于冷轧时边部与中部塑性变形差异。具体表现为：

1)‌边部与中部变形抗力差异

硅钢（尤其硅含量 >2.2% 时）在冷轧过程中，边部区域因三维应力状态导致变形抗力高于中部，形成不均匀塑性流动。边部金属流动速度滞后于中部，产生附加拉应力，当超过材料断裂极限时形成微裂纹。

2)‌‌温度梯度效应

传统轧制时边部散热快，温度比中部低 30-50^∘C ，导致边部屈服强度升高约 15-20% 。低温区变形协调能力下降，加剧了应力集中现象。

3）‌织构不均匀性

硅钢轧制过程中边部晶粒取向与中部存在差异， {110}<001> 高斯织构在边部的强度比中部低约 12% ，降低了边部塑性。

4.2 温度梯度控制

相比较于原料卷常温状态下直接进行轧制，在硅钢原料上线轧制前，先对原料钢卷进行预热，可以大幅降低轧制过程中带钢边裂的产生。本项目通过：

1)‌轴向温度补偿‌：感应器进出口设置红外测温仪，实时反馈调节功率（ ±5% 闭环范围）。

2)‌‌径向透热优化‌： 10kHz 频率使热量从表层向边部深度渗透，减小内外层应力差。

4.2 工艺协同效应

1）‌酸洗- 加热联动‌：感应加热消除酸洗后带钢表面氢脆倾向。

2）‌轧制前预处理‌： 80% 出口温度使硅钢屈服强度降低约15% ，更适应后续轧制变形。

5. 工业应用效果

5.1 性能考核数据

5.2 经济效益

1）产能提升：与原酸洗机组匹配后，小时产量达 93 吨（ 2.3mm×1230mm 规格）

2）能耗对比：较燃气加热节能 31% ，吨钢电耗 ⩽18kWh

6. 结论

推拉酸洗机组出口通过新增电感应加热器装置，使得硅钢能够带温轧制，大幅降低了轧制边裂与生产事故。电感应加热器通过精准边部温控，使硅钢冷轧边裂率下降 40% 以上； 10kHz 超音频加热配合整板线圈设计，可实现 ±5^∘C 的温控精度。电磁感应加热技术凭借其快速响应、精准控温及非接触加热特性，成为现代硅钢高牌号无取向硅钢顺利轧制的关键突破点。

参考文献

[1] 安红亚，高朋，褚晓峰，王建，彭新宇 . 冷轧硅钢边裂产生机理的研究 [J]. 冶金与材料，2023,（3）:43-45.

[2] 张正贵，王大鹏 . 无取向硅钢的织构与磁性 [M]. 北京 :冶金工业出版社，2012.6.