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发布于 2016年11月30日
[摘要]随着中频感应熔炼炉功率密度的不断提高, 对炉子的安全性、炉衬寿命和噪音等要求越来越高, 炉体结构的合理性也越来越为人们所重视, 其中重型钢壳炉具有耐久性强、效率和生产率高、噪音小、易于维护检修等许多优点。
【】中频感应熔炼炉工作频率在50Hz-10kHz 之间,需用变频器予以调频。中频感应熔炼炉以其电效率和热效率高、熔炼时间短、耗电较省、占地较少、投资较低、生产灵活和易于实施过程自动化等, 比工频感应熔炼炉更有优势。它适合熔炼各种铸铁, 特别适合熔炼合金铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁,并对炉料的适应性较强, 炉料的品种和块度可在较宽范围内变动。中频感应熔炼炉具备其它铸铁熔炼用炉没有的优点, 使其近年来得到令人瞩目的发展,并在铸铁生产中广泛采用。
1、可控硅变频器
中频感应熔炼炉的发展得益于可控硅变频器的使用。这种变频器通过直流中间回路, 用电子装置将三相交流电频率转换为所需的频率, 其效率95%-98%。新一代变频器采用数控电子线路为变频器提供了各种控制调节和保护功能。中频感应熔炼炉使用的变频器额定功率不断提高, 9000kW 变频器连接在12t 的炉子上, 铁液的熔化率为18t / h; 将中频感应熔炼炉功率密度提高到1000kW/ t , 能使熔化期缩短到35min。感应熔炼炉的熔化率依炉子的容量而变化, 一般中频感应熔炼炉熔化铁液的熔化率为0.14-35t / h。例如, 使用2t 容量的炉子, 可得到2 -2.38t/ h 的熔化率, 使用12t 容量的炉子则可达到18-21t/ h 的熔化率; 而采用工频感应熔炼炉熔化冷料的熔化率是: 115t 炉为0.75t/ h、3t 炉为1.5t/ h、5t炉为2.5t/ h、10t 炉为4t / h。可见中频感应熔炼炉的熔化率远大于工频感应熔炼炉, 这就可在选择铸铁生产熔炼设备时以小代大, 使用较小容量的中频感应熔炼炉代替较大容量的工频感应熔炼炉, 既减少了占地面积, 又降低了投资, 也保证了铁液的连续供应, 对于连续作业、生产能力较大的铸铁生产厂家十分有利。将中频感应熔炼炉用于连续铸造和离心铸造球墨铸铁管生产的铁液熔炼, 以它代替冲天炉, 或与高炉、冲天炉进行双联, 其生产能力将可得到充分发挥。
中频感应熔炼炉电效率和热效率高, 不但提高了熔化率、缩短了熔化时间, 其单位电耗也相应降低。与工频感应熔炼炉相比, 其电耗可从700kW∙h/ t 降低到515-580kW∙h/ t。有关资料表明, 在考虑炉渣的熔化和过热所需能量损失的情况下, 中频感应熔炼炉冷启动时, 单位电耗为580kW∙h/ t , 热炉操作时,单位电耗为505- 545kW∙h/ t , 如果连续加料操作,则单位电耗仅为494kW∙h/t。
2、炉体结构
随着中频感应熔炼炉功率密度的不断提高, 对炉子的安全性、炉衬寿命和噪音等要求越来越高, 炉体结构的合理性也越来越为人们所重视, 其中重型钢壳炉具有耐久性强、效率和生产率高、噪音小、易于维护检修等许多优点。 重型钢壳炉与框架炉不同, 它有一个开有多个较大检查口的高强度环形钢壳, 炉子运行时, 检查口是关闭的, 检查时每个检查口均可打开。重型钢壳炉内部结构结实, 可以避免倾炉出铁浇注时可能引起的变形, 延长了炉衬寿命。而且由于封闭的坚固钢壳及其内部可增加吸音隔离材料, 使得工作噪音大大降低。结实的钢壳还能够有效地保护感应线圈避免飞溅金属的危险, 使炉子在运行过程中具有最大的安全性。为有效地隔热保温并提高炉衬寿命, 重型钢壳炉还于顶部和底部分别设置了冷却环, 起到了均匀炉衬温度、降低热膨胀作用。低能耗、高强度的不锈钢冷却环,大大提高了炉子效率。
重型钢壳炉不仅有坚固的钢壳, 而且设计了专门用于感应熔炼炉的厚壁管结构线圈, 并通过正确选择感应线圈的匝间距离, 使得线圈的转换效率最高、电阻最小。一方面, 厚壁管感应线圈载流面积大、壁厚均匀, 不易发生因电弧和膨胀引起的破坏; 另一方面, 线圈采用特殊的支撑系统, 每一匝都被牢牢锁紧, 刚性好, 减少了由于电磁力引起的震动, 大大延长了炉衬的使用寿命。另外, 这种感应线圈的周围覆盖了59%的磁轭, 有效地改变了磁场的分布; 同时,隔离缓冲垫也降低了噪音和振动, 增加了磁轭的效率。重型钢壳炉还采用感应线圈延伸并超过炉衬底部的加长线圈设计, 从而使得从炉体顶部到底部的炉料负载与磁场的藕合非常均匀, 提高了能量转换效率,也减少了因磁场产生的搅拌力对底部炉衬的影响。
3、生产
中频感应熔炼炉在生产安排上有较大的弹性, 熔化操作有较大的灵活性。工频感应熔炼炉, 要求不间断地工作, 每炉铁液也不宜倒空, 因为间断工作会增加冷启动, 而冷启动不但增加熔化时间和能耗, 而且每次都还必须使用启动块。中频感应熔炼炉在间断短时间使用时, 则不需使用启动块就可进行冷启动, 铁液也可从炉内倒空, 更换炉料十分方便, 利于实现短时间内的材质更换, 便于生产组织安排, 这对于主要承担一些非标准设备的制造, 而铸件需求量大、批量小、品种较多的钢铁冶金行业中的机修厂的生产创造了有利条件。
4、除渣与修炉
中频感应熔炼炉生产率高, 熔化期可缩短到35min 左右, 为了最大限度地利用炉子的功率, 必须尽可能快地除渣。利用撇渣器或人工除渣, 效果差、时间长、劳动条件恶劣。为此, 提出了将炉子后倾出渣的方法,即将炉体后倾20-25°, 通过炉体顶部后边的开槽把炉渣倒入运输车里。该方法既快捷又方便。中频感应熔炼炉工作一个炉役后, 必须进行修炉。为了缩短更换炉衬耐火材料的停炉时间, 必须采用机械化手段, 振动筑炉机和炉衬推出机就成了大型中频感应熔炼炉的主要配件。炉衬推出机可在炉衬耐火材料未完全冷却时将其推出, 进一步缩短了修炉时间, 改善了劳动环境。
5、双供电电源
中频感应熔炼炉的一个突破性发展是用一套供电系统向两台炉体供电, 实现了无生产间隔作业的工作制度。实践证明, 一台感应熔炼炉的总有效功率通常在整个熔化期不能充分利用, 在测定铁液温度、取样、除渣、出铁, 尤其在浇注的情况下, 都要降低功率或切断电源。如果浇注时间较长, 利用率只有50% 左右, 要想达到所需的生产率, 电源设备的额定功率须是利用率为90% 的118 倍。为了解决这个问题, 研制成功了一种双电源系统。该系统使用两个相同的换流器和电容器组, 每台炉体使用一组, 但都用共同的整流器和变压器来供电。每一个换流器均可单独控制, 能够将总有效功率以任意比例分配给两台炉体。这种系统除对一台炉体保温提供充足电力外, 其余功率都可用于另一台炉体熔化铁液。 这种电源能实现同时向两台炉体送电, 完全避免了切换开关或另加一套电源, 不必在熔炼过程中将电源切换到保温炉体上, 以便保持必要的浇注温度,从而实现了熔炼和保温两功能。当一台炉体处于维修状态时, 电源可与此炉隔离, 而只给另一台炉体供电, 也增加了安全性。
6、自动化程度
中频感应熔炼炉采用计算机控制系统, 自动化程度较高。大功率中频感应熔炼炉, 熔化期较短、过热率较大, 只有采用计算机控制系统, 才能发挥设备的潜力, 并对工厂和操作人员提供有效保护。目前, 大型中频感应熔炼炉已装备了比较完整的计算机辅助监视和控制系统, 其主要功能包括：
( 1) 当炉子坩埚中的铁液达到预编程温度时, 保证自动降低炉子功率;
( 2) 监测、计算和控制铁液温度;
( 3) 为新炉衬提供自动烧结程序;
( 4) 确定达到铁液要求的C、Si 及其它添加元素的数量;
( 5) 具有一台自动冷启动装置。
熔炼管理系统是通过易读的显示屏提供诊断结果和电源、炉体运行过程的各种信息的。如果非正常状态启动了报警系统, 熔炼管理系统将提供问题所在,并可将这些故障信息存储起来, 以便进行故障处理,也可与打印机相连接进行打印保留。通过熔炼管理系统, 可获得各种诊断信息, 并进行一系列其它功能的操作。
7、结语
中频感应炉的发展及其所呈现的优越性，给铸造生产注入了新的活力。中频炉具有体积小、重量轻、效率高及有利环境等优点，使其迅速取代燃煤炉、燃气炉、燃油炉及普通电阻炉，是新一代的金属加热设备。
众所周知，中频感应熔炼炉相比传统熔炼炉来说具有诸多优点：加热速度快、热损少、效率高、车间温度低、灰尘少、环保节能等。但我们如何为中频感应熔炼炉选择合适的中频感应电源呢？简单介绍如下：
1、变压器的选择
现阶段所使用的IGBT串联逆变中频电源，即一拖二电源，一台加热，一台保温，两台炉子同时工作，变压器容量=电源功率×1.1
2、输入电压的选择
一般来说对于1000KW以下的中频电源一般选择采用3AC380V，50Hz工业电源作为进线电源；对于1000KW以上的中频电源一般选择采用3AC660V，50Hz工业电源作为进线电源。
3、输出电压的选择
输出电压的选择原则是高效节能，但不能一味追求高效而提高电压，那会导致炉体的寿命缩短，高电压也会导致电气元器件寿命缩短，得不偿失，输出电压一般选择750V/375V。
4、输出功率及频率的选择
中频熔炼炉工作时感应线圈的磁场和流经熔化金属的电流两者共同作用下形成了作用于熔体顶部表面的力。因张力与重力方向相反, 故在其顶部形成如图 所示的“驼峰”，（中频熔炼炉的电磁搅拌作用形成）驼峰高度h 用下式计算
h=7050P/dHG√ρf
其中
h表示搅拌高度，H表示熔液高度，
P表示电源功率，d表示坩埚直径，
G表示坩埚内金属重量，ρ表示金属电阻率，
f表示中频电源输出频率。
1、可控硅变频器
中频感应熔炼炉的发展得益于可控硅变频器的使用。这种变频器通过直流中间回路, 用电子装置将三相交流电频率转换为所需的频率, 其效率95%-98%。新一代变频器采用数控电子线路为变频器提供了各种控制调节和保护功能。中频感应熔炼炉使用的变频器额定功率不断提高, 9000kW 变频器连接在12t 的炉子上, 铁液的熔化率为18t / h; 将中频感应熔炼炉功率密度提高到1000kW/ t , 能使熔化期缩短到35min。感应熔炼炉的熔化率依炉子的容量而变化, 一般中频感应熔炼炉熔化铁液的熔化率为0.14-35t / h。例如, 使用2t 容量的炉子, 可得到2 -2.38t/ h 的熔化率, 使用12t 容量的炉子则可达到18-21t/ h 的熔化率; 而采用工频感应熔炼炉熔化冷料的熔化率是: 115t 炉为0.75t/ h、3t 炉为1.5t/ h、5t炉为2.5t/ h、10t 炉为4t / h。可见中频感应熔炼炉的熔化率远大于工频感应熔炼炉, 这就可在选择铸铁生产熔炼设备时以小代大, 使用较小容量的中频感应熔炼炉代替较大容量的工频感应熔炼炉, 既减少了占地面积, 又降低了投资, 也保证了铁液的连续供应, 对于连续作业、生产能力较大的铸铁生产厂家十分有利。将中频感应熔炼炉用于连续铸造和离心铸造球墨铸铁管生产的铁液熔炼, 以它代替冲天炉, 或与高炉、冲天炉进行双联, 其生产能力将可得到充分发挥。
中频感应熔炼炉电效率和热效率高, 不但提高了熔化率、缩短了熔化时间, 其单位电耗也相应降低。与工频感应熔炼炉相比, 其电耗可从700kW∙h/ t 降低到515-580kW∙h/ t。有关资料表明, 在考虑炉渣的熔化和过热所需能量损失的情况下, 中频感应熔炼炉冷启动时, 单位电耗为580kW∙h/ t , 热炉操作时,单位电耗为505- 545kW∙h/ t , 如果连续加料操作,则单位电耗仅为494kW∙h/t。
2、炉体结构
随着中频感应熔炼炉功率密度的不断提高, 对炉子的安全性、炉衬寿命和噪音等要求越来越高, 炉体结构的合理性也越来越为人们所重视, 其中重型钢壳炉具有耐久性强、效率和生产率高、噪音小、易于维护检修等许多优点。 重型钢壳炉与框架炉不同, 它有一个开有多个较大检查口的高强度环形钢壳, 炉子运行时, 检查口是关闭的, 检查时每个检查口均可打开。重型钢壳炉内部结构结实, 可以避免倾炉出铁浇注时可能引起的变形, 延长了炉衬寿命。而且由于封闭的坚固钢壳及其内部可增加吸音隔离材料, 使得工作噪音大大降低。结实的钢壳还能够有效地保护感应线圈避免飞溅金属的危险, 使炉子在运行过程中具有最大的安全性。为有效地隔热保温并提高炉衬寿命, 重型钢壳炉还于顶部和底部分别设置了冷却环, 起到了均匀炉衬温度、降低热膨胀作用。低能耗、高强度的不锈钢冷却环,大大提高了炉子效率。
重型钢壳炉不仅有坚固的钢壳, 而且设计了专门用于感应熔炼炉的厚壁管结构线圈, 并通过正确选择感应线圈的匝间距离, 使得线圈的转换效率最高、电阻最小。一方面, 厚壁管感应线圈载流面积大、壁厚均匀, 不易发生因电弧和膨胀引起的破坏; 另一方面, 线圈采用特殊的支撑系统, 每一匝都被牢牢锁紧, 刚性好, 减少了由于电磁力引起的震动, 大大延长了炉衬的使用寿命。另外, 这种感应线圈的周围覆盖了59%的磁轭, 有效地改变了磁场的分布; 同时,隔离缓冲垫也降低了噪音和振动, 增加了磁轭的效率。重型钢壳炉还采用感应线圈延伸并超过炉衬底部的加长线圈设计, 从而使得从炉体顶部到底部的炉料负载与磁场的藕合非常均匀, 提高了能量转换效率,也减少了因磁场产生的搅拌力对底部炉衬的影响。
3、生产
中频感应熔炼炉在生产安排上有较大的弹性, 熔化操作有较大的灵活性。工频感应熔炼炉, 要求不间断地工作, 每炉铁液也不宜倒空, 因为间断工作会增加冷启动, 而冷启动不但增加熔化时间和能耗, 而且每次都还必须使用启动块。中频感应熔炼炉在间断短时间使用时, 则不需使用启动块就可进行冷启动, 铁液也可从炉内倒空, 更换炉料十分方便, 利于实现短时间内的材质更换, 便于生产组织安排, 这对于主要承担一些非标准设备的制造, 而铸件需求量大、批量小、品种较多的钢铁冶金行业中的机修厂的生产创造了有利条件。
4、除渣与修炉
中频感应熔炼炉生产率高, 熔化期可缩短到35min 左右, 为了最大限度地利用炉子的功率, 必须尽可能快地除渣。利用撇渣器或人工除渣, 效果差、时间长、劳动条件恶劣。为此, 提出了将炉子后倾出渣的方法,即将炉体后倾20-25°, 通过炉体顶部后边的开槽把炉渣倒入运输车里。该方法既快捷又方便。中频感应熔炼炉工作一个炉役后, 必须进行修炉。为了缩短更换炉衬耐火材料的停炉时间, 必须采用机械化手段, 振动筑炉机和炉衬推出机就成了大型中频感应熔炼炉的主要配件。炉衬推出机可在炉衬耐火材料未完全冷却时将其推出, 进一步缩短了修炉时间, 改善了劳动环境。
5、双供电电源
中频感应熔炼炉的一个突破性发展是用一套供电系统向两台炉体供电, 实现了无生产间隔作业的工作制度。实践证明, 一台感应熔炼炉的总有效功率通常在整个熔化期不能充分利用, 在测定铁液温度、取样、除渣、出铁, 尤其在浇注的情况下, 都要降低功率或切断电源。如果浇注时间较长, 利用率只有50% 左右, 要想达到所需的生产率, 电源设备的额定功率须是利用率为90% 的118 倍。为了解决这个问题, 研制成功了一种双电源系统。该系统使用两个相同的换流器和电容器组, 每台炉体使用一组, 但都用共同的整流器和变压器来供电。每一个换流器均可单独控制, 能够将总有效功率以任意比例分配给两台炉体。这种系统除对一台炉体保温提供充足电力外, 其余功率都可用于另一台炉体熔化铁液。 这种电源能实现同时向两台炉体送电, 完全避免了切换开关或另加一套电源, 不必在熔炼过程中将电源切换到保温炉体上, 以便保持必要的浇注温度,从而实现了熔炼和保温两功能。当一台炉体处于维修状态时, 电源可与此炉隔离, 而只给另一台炉体供电, 也增加了安全性。
6、自动化程度
中频感应熔炼炉采用计算机控制系统, 自动化程度较高。大功率中频感应熔炼炉, 熔化期较短、过热率较大, 只有采用计算机控制系统, 才能发挥设备的潜力, 并对工厂和操作人员提供有效保护。目前, 大型中频感应熔炼炉已装备了比较完整的计算机辅助监视和控制系统, 其主要功能包括：
( 1) 当炉子坩埚中的铁液达到预编程温度时, 保证自动降低炉子功率;
( 2) 监测、计算和控制铁液温度;
( 3) 为新炉衬提供自动烧结程序;
( 4) 确定达到铁液要求的C、Si 及其它添加元素的数量;
( 5) 具有一台自动冷启动装置。
熔炼管理系统是通过易读的显示屏提供诊断结果和电源、炉体运行过程的各种信息的。如果非正常状态启动了报警系统, 熔炼管理系统将提供问题所在,并可将这些故障信息存储起来, 以便进行故障处理,也可与打印机相连接进行打印保留。通过熔炼管理系统, 可获得各种诊断信息, 并进行一系列其它功能的操作。
7、结语
中频感应炉的发展及其所呈现的优越性，给铸造生产注入了新的活力。中频炉具有体积小、重量轻、效率高及有利环境等优点，使其迅速取代燃煤炉、燃气炉、燃油炉及普通电阻炉，是新一代的金属加热设备。
众所周知，中频感应熔炼炉相比传统熔炼炉来说具有诸多优点：加热速度快、热损少、效率高、车间温度低、灰尘少、环保节能等。但我们如何为中频感应熔炼炉选择合适的中频感应电源呢？简单介绍如下：
1、变压器的选择
现阶段所使用的IGBT串联逆变中频电源，即一拖二电源，一台加热，一台保温，两台炉子同时工作，变压器容量=电源功率×1.1
2、输入电压的选择
一般来说对于1000KW以下的中频电源一般选择采用3AC380V，50Hz工业电源作为进线电源；对于1000KW以上的中频电源一般选择采用3AC660V，50Hz工业电源作为进线电源。
3、输出电压的选择
输出电压的选择原则是高效节能，但不能一味追求高效而提高电压，那会导致炉体的寿命缩短，高电压也会导致电气元器件寿命缩短，得不偿失，输出电压一般选择750V/375V。
4、输出功率及频率的选择
中频熔炼炉工作时感应线圈的磁场和流经熔化金属的电流两者共同作用下形成了作用于熔体顶部表面的力。因张力与重力方向相反, 故在其顶部形成如图 所示的“驼峰”，（中频熔炼炉的电磁搅拌作用形成）驼峰高度h 用下式计算
h=7050P/dHG√ρf
其中
h表示搅拌高度，H表示熔液高度，
P表示电源功率，d表示坩埚直径，
G表示坩埚内金属重量，ρ表示金属电阻率，
f表示中频电源输出频率。
从上式可以看出，要得到较好的搅拌效果，就必须提高功率或降低频率，只有在一定功率下选择恰当的频率才能达到更好的搅拌效果。而判断熔炼效果的好坏主要指标为h/d，当熔化铁、钢、铜、铝时，h/d值为0.125～0.250,0.070～0.125,0.050～0.150,0.100～0.500，熔炼效果最佳。【】
