韩 啸，王祝堂

(1.东北轻合金有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150060； 2.中国有色金属加工工业协会，北京 100814)

1 塞科/沃里克公司的3种新式炉

塞科/沃里克(Seco/Warwick)公司是举世闻名的美国材料热处理和热过程设备供应企业，中国20世纪80年代初期铝加工业引进的首台轧制扁锭推进式热轧预加热炉就是该公司的产品。现对该公司最近推向市场的带卷退火炉与热交换传热铝片可控气氛钎焊炉(CAB，aluminium brazing under controlled atmosphere)作一简介，它们都已取得专利，另外还介绍了立式淬火炉(VertiQuench furnace)。降低生产成本是企业追求的永恒话题，塞科/沃里克公司的上述产品都是秉着这种理念研发的。

1.1 带卷退火炉(Vortex furnace)

带卷退火炉有单卷的也有多卷批量的，是公司新近开发的旗舰产品，都有单卷冷却室。单卷处理的最大优点是能精准地控制各阶段的温度，从而保证了各卷温度的一致性，能确保材料具有稳定一致的性能，这对提高用户最终产品的经济性很重要。

1.2 热交换传热铝片可控气氛钎焊炉

随着电动汽车(EV)与氢-电混合动力汽车(HEV，hybrid-electric vehicle)时代的来临，塞科/沃里克公司研制成功一种万能铝合金可控气氛钎焊炉，钎焊各种各样的热交换器，如散热器(radiator)、加热器(heater)、冷凝器(condenser)、油冷器(oil cooler)、中间冷却器(intercooler)，可安装在现有生产线上，不用对现有生产线作大的更改。公司于2019年与一家汽车制造厂合作，进行了汽车电池冷却器钎焊试验，结果令人满意。

这种可控气氛钎焊炉在航空航天工业也获得广泛应用，用于2×××系及7×××系铝合金零部件的退火与人工时效，仅2019年就销售了6台。2×××系铝合金是一类Al-Cu-Mg系高强度合金，7×××系铝合金是超高强度铝合金，在航空航天工业有着广泛的应用，其材料与深加工产品都要经过退火与人工时效，有的甚至不止一次。

1.3 立式落底式铝合金件淬火、时效炉

立式落底式铝合金件淬火、时效炉早已在铝工业获得应用，在形式上并不新，但要炉温均匀精准却非易事。淬火随后进行人工时效，即把固溶处理、淬火与时效依次在同一炉内进行却前所未有。塞科/沃里克公司研发的这种三合一炉名为VertiQuench。它的各项性能和参数完全能满足AMS( Aerospace standards，美国航空航天标准)与CQI-9(汽车标准)的要求。

在这种炉的底部有固定的或可移动的淬火水槽或聚合物溶液槽，用于处理2×××系、6×××系、7×××系铝合金管材、无缝管材以及工件，还有特殊的安全保护设备，以防处理高镁含量铝合金时发生爆炸。按AMS标准，固溶处理时材料的转移时间应不大于5 s，VertiQuench炉内材料的下降速度很快，完全能满足这种要求。

2 热水预热挤压长锭技术

全球2020年生产约38 000 kt铝合金挤压材都是热挤压的，都要加热到350 ℃～500 ℃，耗费大量的能源。如何节能减排是铝工业面临的一项挑战。德国拉多尔夫泽尔市挤压技术公司(Extrutec GmbH in Radolfzell)研发的埃苏加热系统(ESU，eco shower unit)已在一些铝材挤压厂获得应用，效果良好。这是一套与长锭燃气加热炉连成一条线的节能水热装置。

铝合金有高的热导率，0 ℃～100 ℃时为238 W/(m·K)，可以在短时间内吸收大量热，升高温度，但是炉气能量密度(energy density)低，不能在短时间内使铸锭温度有较大上升，如果通过热交换器作用，这个设想就有可能实现。埃苏加热系统就是这样的节能减排装置：首先用360 ℃的燃烧炉气加热热交换器内的水，水温可以上升到90 ℃，在长锭通过喷淋室时，在4 min～5 min内被加热到90 ℃。从热交换器出来的烟气温度为120 ℃～130 ℃，而不是燃气炉平常排放烟气的250 ℃～300 ℃。采用埃苏加热系统可节能约15%。这不是一个小的百分数，对一个产量不大的挤压企业，其节能数量并不起眼，可是对一个大企业，就有不可小看的节能数量。

长锭经喷淋加热到90 ℃后，进入常规加热室或感应加热炉，加热到挤压温度后剪切成规定长度的坯料送入挤压筒。水是循环的，喷淋到长锭上被弄脏的水流入过滤器，滤清后循环使用，同时把铸锭表面洗得干干净净。

埃苏加热技术是一项前沿新技术，在德国凡是采用此技术的企业联邦环境部(Federal Ministry for the Environment)都给予一定奖励。该技术投资不大，可在投产后1 a之内收回投资，不但适用于新建挤压线，对现有的生产线也完全适用。

3 零摩擦锭坯感应加热法

美国新泽西州(New Jersey)感应热集团(Inductotherm Group)班雅罗感应技术公司(Banyard′s Induction Technology)新研发的零摩擦锭坯感应加热法是目前世界上最先进的。

铝及铝合金锭坯在挤压之前都必须预加热到一定温度。在中国仍以天然气加热为主，还有少数采用燃油加热的，工业发达国家几乎全采用电感应炉加热，在全世界不小于45 MN的挤压生产线大都用电感应炉加热，用燃油加热的仅是个别的。因为大挤压机的开工率往往在70%左右，有的甚至更低，当然达85%的也有。用天然气加热时间较长，一旦停机再开机所费时间长。用感应法加热很灵活。同时，由于对产品的质量要求日益提高，原有的加热方法已不能满足要求，需进行等温挤压，就必须对锭坯进行梯度加热，梯度加热方式有以下四种。

•永磁加热

永磁加热是一种较为先进的加热方式，是芬兰核物理学家P.Suonninen发明的，并于2011年获得专利，由中国上海锐曼能源科技有限公司2012获得中国市场独家经营权。它的基本原理是铝锭坯位于两个高速旋转的高性能永磁体之间，产生的交变磁场在锭坯中感应出涡流而被加热，锭坯是逐渐进入高速旋转磁场的，前端温度高，后端温度低，从而实现梯度加热。此法的优点是不排放污染物，能耗低，比传统感应加热效率高40%以上。

•单锭坯热剪加热

该法是中国佛山市郎盾铝加工设备有限公司研发的，能耗低，天然气消耗量20 m3/(t·Al)～24 m3/(t·Al)；可以实现梯度加热，采用德国自动化元件控制加热温度，使前端的温度高于后端的，形成20 ℃～50 ℃的温度梯度。

•电感应梯度加热

电感应梯度加热的基本原理与电感应加热原理相似，不过是将感应加热分成几段，其电压U前>U中>U后，锭坯按顺序由后向前推进，由于前端的电压高于后端的，所以前端的温度比后端的高，从而形成温度梯度。反向挤压锭坯多用此种加热方式。

•零摩擦感应加热

此种加热方式被认为是当前领先的，挤压温度始终保持在设定范围内，能确保挤压材料前后端的品质均匀一致，完全消除了撕裂等缺陷，同时在整个挤压过程中，各项工艺参数都处于自动化调控之下。

2019年9月，感应加热-焊接有限公司(Inductotherm Heating & Welding Ltd.)向丹麦通德市(Tonder in Denmark)海德鲁精密管材公司(Hydro Precision Tubing)交付了锭坯感应加热班雅得系统(inductotherm banyard)，它由2台零摩擦装置、多段感应加热线圈等组成，可加热直径229 mm的锭坯，功率750 kW。

零摩擦锭坯多段感应加热炉是感应加热集团(Inductotherm Group)的班雅得公司生产的，该集团在全世界有38个工厂，40个公司。2020年还向海德鲁铝业公司设在美国的克雷索纳(Cressona)挤压厂交付了一套这样的加热炉，可加热直径254 mm的锭坯。

4 节能40%的新型回转蓄热式烧嘴

在全世界几万台工业炉中，估计目前仍有约60%燃油或燃气的，它们用的燃烧嘴(简称烧嘴)对热效率与节能环保起着关键性的作用。好的烧嘴不但热效率高，油、气用量少，而且排放的温室气体少、质量高。笔者所指的温室气体质量是指除CO2外，其他危害严重的气体如噁暎等的含量。危害严重的气体含量低，燃烧就完全，烧嘴也就好。

德国贾斯珀(JASPER)公司新近开发的新型回转蓄热式烧嘴(new rotating regenerative burner)就是一种高效烧嘴，商品名称‘科布拉’(‘KOBRA’)。科布拉烧嘴已在欧洲钢铁与铝工业的一些炉上获得应用，效果很好，获得了40%节能效果，这可是了不起的成就。

科布拉烧嘴安装于炉墙上，它的关键构件是转子带动烧嘴旋转。它能回收废气中的热，将吸入的冷空气加热，从而达到节能目的。

科布拉烧嘴的维护工作量甚少，每年仅需维护一次，它是一种洁净的燃烧器，所积聚的尘埃与污物可用压缩空气进行清理。目前应用的科布拉系统的功率为500 kW与1.2 MW，正在设计小型的，如200 kW的。科布拉烧嘴的适应范围很广，所有的燃料都可以，它的运转很安全，在设计上对所有不安全因素都考虑相当周到，采取了必要的预防措施。

5 圆锭坯超导直流感应加热技术

中国江西联创光电超导应用有限公司等历时7 a研发的高温超导强磁场感应技术与装备已于2020年推向市场，受到一致好评。参与此技术与装备研发、制造、推广应用的单位有：联创光电超导应用有限公司、北京交通大学、上海超导有限公司、西安聚能股份有限公司、中船鹏力有限责任公司。

现在投产的这种装备是兆瓦级(MW)的，是高温超导直流感应加热领域功率最大者，技术全球唯一，在大容量金属加热设备发展进程中具有里程碑意义。它的革命性优点如下：

•经济效益显著，节能省电，加热成本下降50%。根据联创公司的数据，在铝挤压前的加热中，传统工频感应炉的锭坯加热费为260元/t，而超导直流感应加热的仅130元/t。

•高温超导直流感应加热无明火，不排放温室气体，安全可靠，对环境与电网友好。

•加热速度快，直径300 mm的锭坯可在5 min内加热到460 ℃，适于挤压所有变形铝合金的加热。

•温度控制精准、均匀，径向温差不大于1 ℃。可实现梯度加热，最大梯度可达80 ℃。由于温度控制精准，挤压材性能的一致性也有所提高。

•应用范围广，不但可在铝挤压与锻造方面广泛应用，而且适用于镁、钛材料加工锭坯的加热。此加热法还可以推广到单晶硅生长炉、超导污水处理、矿产品超导磁选等。

高温超导加热技术是一种高新技术，被认为是21世纪世界科技领域新的制高点之一，美国、日本、德国已建设了示范项目。中国在《十三五规划》《中国制造2025》等有关文件中，都将高温超导技术列为重点支持前沿技术。它完全克服了现有交流感应技术的局限性与不足之处：由于趋肤效应，导致圆锭的透热深度小，加热不均匀，且热效率低、成本高。

5.1 超导直流感应加热原理

通过超导磁体产生背景磁场，在加热区内形成直流气隙磁场，圆锭旋转切割磁力线，产生涡流(图1)被加热，形成高穿透深度、高能效、高均匀性、温度梯度可控的加热方式，获得高品质加热，为生产高品质挤压材与锻件奠定了基础。

图1 两种加热技术原理示意图Fig.1 Two heating technique principle diagrams

两种感应加热法的工艺参数比较见表1。由表中的数据可见，超导直流感应加热的优势极为明显：频率低，转速慢，维修简便；电流穿透深度几乎为常规法的7倍，不但可加热大直径锭，而且温度均匀得多，产品质量有一定的提升；加热效率提高了约一倍；电流损耗大幅度下降，超导加热时电机损耗约10%，比常规加热法铜线圈损耗约低40个百分点。制冷损耗约低5个百分点。

表1 两种加热法的工艺参数比较Table 1 Comparison between parameters of two heating processes

5.2 世界超导直流感应加热器运转概况

截至2019年，全世界投产的超导强磁低频直流感应圆锭坯加热器共有3台，其中一台在德国(720 kW)，一台在韩国(300 kW)。它们所加热的锭坯的最大直径为300 mm。可见他们在磁场强度、总功率、机械传动系统等方面尚未取得突破性进展；中国联创公司等研发的超导直流感应加热器功率达1 MW，可对大直径锭坯进行通体均匀加热，见表2。

表2 德国、韩国和中国超导直流感应铝锭坯加热技术参数Table 2 Parameters of German,Korean and Chinese superconducting DC induction heating technique for aluminum billets

由表2所列的数据可见，中国在铝锭坯超导直流感应加热器领域是世界领跑者，所有参数均居世界前列。可加热锭坯的直径为韩国加热器的1. 88倍，为德国加热器的2. 54倍；可加热锭坯的长度为韩国加热器的2.14倍，为德国加热器的2.17倍；特别是在加热生产能力方面，中国的达到5.7 t/h，为德国加热器产能的2.6倍，为韩国加热器产能的3.88倍。

5.3 中国超导感应加热装置

中国联创公司1 MW铝锭坯超导感应加热装置由三部分构成：超导磁体系统、机械传动系统、实时测控系统。它的技术参数：加热能效大于80%，径向热穿透深度不小于100 mm。加热均匀度不大于±5 ℃，温度梯度最大100 ℃/m，加热模式为同时加热2根圆锭，加热频率4 Hz～10 Hz。

•超导磁体系统。由超导磁体、低温制冷单元和铁心等组成，采用大口径传导式超导磁体技术和气隙可调铁心结构设计技术。

•机械传动系统。由变频电机、减速机、联轴器、顶紧装置、主轴箱和夹具等组成。采用顶力中转机构和大扭矩强顶力主轴技术。

•实时测控系统。采用PLC (可编程序逻辑控制器)作为控制核心，集机电控制、磁体励磁控制、参数监测和加热过程监控等功能于一体，实现了装置高度自动化。

•高温超导磁体系统(图2)。超导磁体的主要参数：铁心中心柱直径1 770 mm，气隙空间566 mm×566 mm×1 700 mm，中心磁场强度大于0.5T～1T，超导线圈励磁安匝数36. 5万，三段式螺管式结构。

图2 高温超导直流感应加热铝锭坯装置磁体系统Fig.2 Magnet system of high-temperature superconductive DC induction equipment for heating aluminum billet

•动力机械系统。锭坯获得的热功率来自电机输出功率，因此在设计动力系统时，电机的输出转矩特性和锭坯的负载转矩特性应相互匹配。

•可加热不同直径和长度的锭坯。由于铁芯系统是开放式的，以及液压自助式的抓手系统，因而可以加热长0.8 m～1.5 m的锭坯。切换机械抓手末端卡套，就可以加热直经200 mm～450 mm的任一种锭坯。

5.4 铝锭坯超导直流感应加热优点

•透热深度大，心表温差小。加热铝锭坯时，超导直流感应加热的穿透深度大于100 mm， 而常规感应加热的小于20 mm。超导感应加热频率为4 Hz～8 Hz，而常规感应加热的大于50 Hz。超导感应加热可实现对φ400 mm以上锭坯几乎整体均匀加热，而且特别适合于对加热不均匀敏感的2×××系及7×××系铝合金的加热，因为这些高强度铝合金在加热不均匀时易开裂。超导感应加热时，锭的心表温差都不大于1.2 ℃，例如直径220 mm锭的为-0.9 ℃～1.1 ℃；300 mm锭的为-0.6 ℃～1.2 ℃；446 mm锭的为-0.8℃～1.0 ℃。

•在锭坯均匀加热时，其轴向温度均匀度可达±5 ℃。

•在进行梯度加热时，锭坯轴向可实现10 ℃～40 ℃的梯度加热。

6 结束语

以上所介绍的高新热处理炉技术都是近两年来涌现的新技术、新工艺与新装备，都与节能减排和实现双碳目标有着密切的关系，都宜推广应用。装备都较简单，不用花大本钱，可效益都很好。大部分项目是国外开发的，有些需要引进，有些需付专利费，但有些可完全根据其原理自行研发，不需要花大力气。中国的圆锭坯超导直流感应加热技术是江西联创光电超导应用有限公司等几个单位历时7 a的研发成果，效果很好，希望获得较多的应用。