中频感应炉结构选择及节电途径探讨
中频感应炉结构选择及节电途径探讨
李琨1，2，3，张乐乐1，童斌斌1，庞河临1，陈 彤1，张攀辉1
(1．西安电炉研究所有限公司，陕西 西安 710061；2，陕西省四主体一联合电炉工程技术中心，陕西 西安 710061；3．中冶电炉工程技术中心，陕西 西安 710061)
来源：《工业加热》
中图分类号：TF748．52 文献标志码：A 文章编号：1002-1639(2022)06-0007-03
Discussion on Structure Selection of Intermediate Frequency Induction Furnace and Ways to Save Electricity
LI Kun1，2，3，ZHANG Lele1，TONG Binbin1，PANG Helin1，CHEN Tong1，ZHANG Panhui1
( 1. Xi'an Electric Furnace Research Institute Co. Ltd. ，Xi'an 710061，China； 2. Shaanxi Province Four Main Body One Joint Electric Furnace Engineering Technology Center，Xi'an 710061，China； 3. MCC Electric Furnace Engineering Technology Center，Xi'an 710061，China)
冲天炉在以往的铸造生产、熔化铸铁中使用频繁，但其加热效率低、热损较大，且受制于环保政策要求现已逐步被淘汰。中频感应熔炼炉的脱颖而出，极大地改善了加热速度慢、热损失高及效率低等问题，在一定程度上节约能源、节省成本、提高生产效率、净化车间环境等。在铸铁工艺过程中，若用冲天炉得到的铁液往往含硫量较高［1－2］。
机械设备和电气设备是中频感应炉的两大主要组成部分。倾炉机构和水冷系统属于比较重要的机械设备，而中频电源、电气控制保护系统及补偿电容组是中频感应炉的核心电气设备。不同的系统参数、选型将直接关系到熔炼装置的能力、效率及指标，因此，正确地选择熔炼设备配置参数，对生产的综合效益影响很大，在选择中频感应熔炼炉结构时，应全面考虑投资预算、产能要求、质量参数、综合效益等各项基础指标，设备投产后的综合效益是根本依据。
1 中频感应炉用电条件及产能要求
1.1 中频感应炉进线电压
一般情况下，若中频电源的功率小于1000kW，应遵循三相五线制，即采用工业用电(三相、50Hz、380V)配备六脉冲单整流中频电源；相反，若大于1000kW，一般需要使用配备十二脉冲双整流的660V标准进线电压。大功率中频电源会产生干扰电网的谐波，选择十二脉冲双整流是为了提高进线电压从而提高额定工作电压，与此同时获得较为平整的直流电流［2］。必要时，在输入端配置谐波滤波和功率因数补偿设备或静止无功功率补偿设备(SVC)等，以满足电网的电能质量要求。此处要强调的是，如果选用480V、575V或690V等非标准电压等级，将会为后期零配件的选择带来困扰，是不可取的。
进线电压是相对而言地，并不是越高越好。如果一味通过高电压低电流实现节能，将会导致铜排线缆疲乏，设备及电子元器件寿命缩短。
1.2 中频感应炉变压器容量
基于功率因数和安全余量，整流变压器容量应该是电源功率的1.08～1.15倍，取决于电源类型。可控硅晶闸管(SCR)全桥并联逆变中频电源是目前国内感应熔炼行业普遍使用的，其变压器容量大约是电源功率的1.2倍。对于IGBT半桥串联逆变中频电源，其既具有高输入阻抗，也具有低导通压降，且稳定、节能。“一拖二”即根据生产要求一台炉子用于熔炼，一台用于保温，这有利于提高电气设备的利用率和生产效率。当两台炉体同时工作时，此时的变压器容量能够达到中频电源功率的1.1倍，相对而言利用率有所提高。需要特别注意的是，整流变压器尽量专机专用，即中频电源和整流变压器配套使用，这样有利于减少谐波对电网产生干扰［2－4］。
1.3 中频感应炉产能要求
一般而言，通过日需铁液质量和单件产品质量，可以确定中频感应熔炼炉的总容量，从而根据总容量选择合适的中频电源。因感应加热设备属于非标产品，目前遵循行业惯例，感应熔炼行业中频电源的选型配置如表1所示。
表1 中频电源选型配置表
|
序号 |
总容量/t |
频率/Hz |
功率/kW |
|
1 |
0.15 |
1000 |
75 |
|
2 |
0.25 |
1000 |
125 |
|
3 |
0.50 |
1000 |
250 |
|
4 |
0.75 |
1000 |
375 |
|
5 |
1.0 |
1000 |
500 |
|
6 |
1.5 |
1000 |
750 |
|
7 |
2 |
500 |
1000 |
|
8 |
3 |
500 |
1500 |
|
9 |
5 |
500 |
2500 |
|
10 |
8 |
250 |
4000 |
|
11 |
10 |
250 |
5000 |
|
12 |
12 |
250 |
6000 |
|
13 |
15 |
250 |
7500 |
|
14 |
20 |
250 |
10000 |
按照行业惯例，感应熔炼炉功率与总容量之比称为感应炉的功率密度。功率密度也是中频感应熔炼炉的一项重要指标，其理论最佳值一般为600～800kW/t。由中频电源选型配置表计算可知:行业普遍的选型配置，其功率密度相对理论最佳值而言偏低。
炉体容量一定时，功率密度越低，则熔化工时越长，熔化效率越低。因此，在炉体总容量不变时，若将功率密度提高100kW/t及以上，则每炉次熔化时间将大大缩短。然而，较高功率密度会产生剧烈地电磁搅拌，这将导致设备和炉衬的寿命大打折扣。因此，企业若能在炉衬材料、筑炉方法以及熔炼工艺方面有所突破，熔炼效率将会大大提高。
2 中频感应炉结构的选择
2.1 中频感应炉炉壳选择
炉体整体刚性、漏磁影响、线圈性能、水路监测和漏炉报警等问题是设计中频无心感应炉时需要考虑的关键点，并针对这些问题制定可靠有效的安全措施。根据不同工序灵活调节变频装置的输出功率，按照工艺要求调节各炉子的功率分配。水冷电缆的连接结构也应确保导电良好、无水泄露、连接可靠等［5］。按照感应熔炼行业惯例，以液压缸为倾炉装置的钢结构感应熔炼炉称之为钢壳炉；同样的，以减速机为倾炉机构的铝合金结构感应熔炼炉称之为铝壳炉。以容量1t的铸铁熔炼炉为例，列举钢壳炉与铝壳炉的区别如表2所示。
表2 钢壳炉与铝壳炉的区别
|
对比项目 |
钢壳炉 |
铝壳炉 |
|
外壳材质 |
钢结构 |
铝合金结构 |
|
倾炉装置 |
液压缸 |
减速机 |
|
漏炉报警 |
有 |
无 |
|
液压泵 |
有 |
无 |
|
磁轭 |
有 |
无 |
|
炉盖 |
有 |
无 |
|
电耗/kW·h·t-1 |
580 |
630 |
|
寿命/年 |
10 |
4－5 |
|
价格 |
高 |
低 |
由表2可以发现，钢壳炉坚固耐用、安全可靠、寿命长、能耗低并且配备由矽钢片制成的磁轭。感应线圈工作时会产生大量磁力线，但部分磁力线会通过炉壳发散出去，即漏磁。因钢壳炉具有磁轭结构，可有效地对磁力线屏蔽和发射，从而减少漏磁，使感应熔炼热效率大大提高。铝壳炉虽成本低廉，但其倾炉机构安全性能较差，炉壳在高温下易发生氧化、变形，造成金属韧性疲乏甚至炉壳出现裂痕。
对铝壳炉而言，其炉壳一般由铝合金铸造，重量和厚度均较小［3］。铝壳炉本身价格较为低廉，作者认为只图价格低廉，忽略安全、能耗、寿命的选择是不可取的。
上文说到，钢壳炉的磁轭结构可以有效地减少漏磁，因此，钢壳炉结构中最重要的便是磁轭。钢壳炉的磁轭一般是由冷轧硅钢片叠装加紧而成，此冷轧硅钢片应具有明显的高导磁率和Z11取向。安装时，应由两侧的不锈钢夹紧并焊接固定，当工艺需要时可配备水冷装置。设计磁轭时，其形状、结构、截面积和尺寸应能屏蔽磁力线减少漏磁、防止炉壳发热，同时应有利于硅钢片的冷却和散热、减少噪声和可靠支撑感应线圈。磁轭的设计还应考虑感应线圈的拆装、维修和观察是否方便。磁轭内弧面弧度与感应线圈外弧面弧度相同，此时磁轭正好紧贴于感应线圈外侧面，并且能够最大限度地屏蔽磁力线发散，减少漏磁［2－3］。
2.2 中频感应炉炉衬的选择
感应加热设备的炉衬是保障装置可靠、耐用和节能的重要部件之一，通常由耐火层和保温层组成，也可部分采用整体成型制品。
炉衬材料和制品应具有较好的耐火度和保温性能，与此同时还应有较高的机械强度、较小的膨胀系数、良好的化学稳定性、电气绝缘性能及耐急冷急热性能。合理的炉衬厚度设计可在一定程度上减少热损失，提高热效率，但也不能过度蓄热，否则将导致感应加热电效率降低。一般采用低蓄热量、热导率的耐火纤维、泡沫轻质砖和纳米孔硅质材料等。值得注意的是，选择炉衬材料时，应避免加热元件、熔液或炉内特殊气氛与直接接触的炉衬发生反应［5－6］。
2.3 中频感应炉铜管、铜排及可控硅选择
可控硅整流元件简称可控硅，可控硅是具有三个PN结、四层结构的大功率半导体器件，因其结构简单、功能性强、体积小，又称为晶闸管。然而不同厂家生产的可控硅产品，其质量和寿命一般是参差不齐的。质量良好的可控硅具有高的温度敏感度，快速响应且故障率低。由此，建议选择知名厂家生产的可控硅产品，不仅质量可靠有保障，而且性能稳定、寿命长。
不同规格型号的感应线圈冷挤压铜管和铜排其价格、效果和寿命各不相同。按照行业惯例，感应线圈导体所用材质应为不低于T2的矩形、方形、圆形或其他形状铜管，且外表面采用静电喷涂进行绝缘处理，绝缘等级至少应达H级。一般为保护铜管的绝缘强度，可在其表面缠绕包扎一层无碱玻璃丝带或云母带，有需要时还可喷涂防潮绝缘瓷漆。考虑到感应线圈整体刚性、散热问题，可在线圈上下端增加不锈钢水冷散热管，这样既有利于线圈散热，也可提高线圈整体刚性。
2.4 中频感应炉电源柜、电容、电抗的选择
中频感应炉电源柜也是比较重要的电气设备之一，中频电源内部应装有短路保护的低压开关。选择电源柜时，各电气参数应紧扣生产工艺需要，尺寸、规格也应符合行业标准。
电容器的作用主要是进行无功补偿，因此必须配备满足要求的电容器组。按照行业惯例，一般电容补偿量是电源功率的18～20倍。硅钢片是电抗器的主要材料，但应选用正规厂家生产的全新的硅钢片产品，不能使用二手硅钢片。
成套的中频感应炉设备中，往往有大量的连接型水管，连接水管严格的讲应该用不锈钢材质制作。铜制的活结安装、拆卸较为方便，基本上不需维护，且有利于电流传输而且不会发生漏水，安全可靠，非常适用于水冷电缆。
除此之外，水冷电缆、连接铜排、电阻和电容等的选择也关系到设备整体的质量。对企业来讲，由元器件选择不当埋下的安全隐患最为致命。因此，企业在前期选择购置配套设备时，应重点关注零配件的结构和质量，而不是忽略质量聚焦低价，否则将会为后期的生产和维护留下隐患。
3 中频感应炉节电途径
本节根据中频感应炉的生产特点，从配料装料、熔炼时间、熔炼操作、供电方式等方面探讨中频感应炉生产过程节电途径与措施。
3.1 合理配料
感应熔炼每炉次的电耗很非常大，这就要求在熔炼前，必须要分析炉料成分，进行配料计算，合理搭配炉料，这样可以避免因炉料成分混杂使钢液报废或重新调整炉料成分。若盲目配料、加料熔炼，不仅会使钢液杂质含量升高，而且将导致熔炼工时增长，炉次、物耗和电耗随之增加。
因此，合理分类打包炉料、配料，有利于保证加料顺利，减少炉料消耗及每炉次电耗［7］。
3.2 合理选择熔炼作业方式
中频感应炉熔炼电耗与生产方式有很大的关系。感应炉的工作方式分为三种，连续作业、断续作业和间歇作业。众所周知，连续熔炼作业其电耗是最低的，断续熔炼次之，间歇熔炼电耗最高。因此，在条件允许的情况下，企业应尽可能连续作业，延长热炉熔炼时间，以达到节电效果。连续熔炼炉次多、总时间长，在产量一定时，冷炉熔炼频率低、次数少，也有利于延长炉衬寿命。
3.3 合理进行熔炼操作
炉料的熔炼速度和熔炼时间取决于是否科学、合理的配料装料。中频感应加热时，因磁力线在坩埚中、下部位的分布密度比较大，故装料时应使坩埚中、下部的堆积密度越大越好。熔炼时，磁力线穿过炉料间隙的概率小，所以感应加热效率高，熔炼速度快，熔炼时间短。
加料时，应尽可能地保持钢液温度，为了避免温度差造成钢液结壳，炉料应采用少量多次的方式加入，同时应积极捣料，防止出现“驼峰”、“搭棚”，否则炉内温度局部过高，将大大缩短炉衬寿命。熔炼炉渣具有很好的裹覆保温作用，可以减少高温钢液的辐射热损失。因此，熔化期应加强造渣并合理利用。
合理的供电方式也必不可少。刚通电时往往存在电流冲击的现象，导致电能利用率低。可先以六成功率加热，等电流冲击停止后，快速调至满功率熔炼。此外，合理控制出钢温度，选择筑炉材料等也可达到节电效果［8］。
4 结语
中频感应炉因投资少、回报快及热效率高等优点被广泛运用于熔炼工艺。然而感应熔炼高电耗一直是众多企业备受关注的问题，也是感应熔炼行业亟待解决的节能焦点问题。文章浅析了中频感应炉的用电条件、产能要求、结构选择方案，以及从筑炉材料、供电制度、配料装料、熔炼时间和熔炼操作等方面提出了几条了节电建议。因笔者经验有限，文章所述仅供参考。
参考文献
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［2］鲁延辉.中频炉研究[J].现代商贸工业，2010(19):264-266.
［3］郭建平.中频感应炉生产的节电途径[J].铸造设备研究，2005(4):25-27.
［4］肖连华，曹瑞荣.中频感应电炉经济运行的技术管理实践[J].铸造设备与工艺，2017(1):10-12.
［5］国家标准化管理委员会.10067.1-2019电热和电磁处理装置基本技术条件[S].北京:中国标准出版社，2019.
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［7］张利.中频加热电源在铸造熔炼炉中的应用研究[D].青岛:山东大学，2008.
［8］王伟，高世红.感应炉节电的主要措施[J].哈尔滨轴承，2007，28(4):63－64.
