平流型小功率感應器的改進與應用

李 瑛，徐 鵬

（株洲冶煉集團股份有限公司，湖南株洲 412004）

·機械設備·

平流型小功率感應器的改進與應用

李 瑛，徐 鵬

（株洲冶煉集團股份有限公司，湖南株洲 412004）

介紹了株洲冶煉集團股份有限公司90 kW平流型小功率感應器的主要技術改進方向，包括感應器熔溝設計改進、感應器制作方法及耐火材料的選型的改進等。對改進后新型感應器與老式感應器的功率進行了測試對比，經過改進后90 kW感應器的功率得到一定的提高，并對感應器使用壽命的影響因素進行了分析。

感應器；熔鋅電爐；熔溝；耐火材料

由于工頻有芯感應爐具有閉合磁路，并具有電效率和功率因素高、熔池保溫好、熱效率高、設備投資額低等優點，已被廣泛應用于電解陰極鋅片的熔鑄、熱鍍鋅、鑄造鋅合金等行業中。隨著我國熔鋅工頻有芯感應爐技術飛速發展，近年來，雖然株洲冶煉集團股份有限公司成功引進了60 t－1 200 kW以及45 t－900 kW的大型感應熔鋅爐，但90 kW對接式感應器的老式傳統電爐目前還有6臺在使用，共計有36臺感應器，承擔著大量生產任務。由于該種傳統的感應器都采用內置鋅環作熔溝，通過水玻璃料搗筑制成的，并且感應器與熔池的內襯整體搗筑。在使用過程中，感應器耐火材料爐襯易開裂而漏鋅，感應器使用壽命不長直接影響電爐的壽命，維護費用高；一方面感應器的實際功率低，達不到90 kW；另一方面更換感應器勞動強度大，存在一定的安全隱患。在目前條件下，很有必要研發使用壽命長并且實際功率能達到90 kW的感應器，這是一個簡便易行、又降低生產成本的措施。

1 平流型小功率感應器的改進

1.1 感應器殼體的設計

按照感應器可拆的技術要求，設計制作可拆卸式平流型小功率感應器殼體，該種感應器不直接焊接在電爐殼體上，而是作為感應電爐的一個部件，通過一個連接法蘭與感應電爐連接，法蘭設有定位銷和緊固螺釘，加工時采用專用模板，保證其相對位置的尺寸精度，確保感應器損壞能隨時拆卸更換，對生產的影響可縮短到8 h以內。拆卸式感應電爐運用感應體拆卸技術則從根本上解決了感應器損壞而死爐的問題，設計的感應器結構示意圖如圖1所示。

圖1 有芯感應電爐感應器結構示意圖

1.2 感應器熔溝的設計

感應器是有芯感應爐的關鍵技術所在，其中熔溝是核心技術之一，研究表明熔溝的形狀對爐子的有效功率、爐襯的壽命等因素有重要影響。感應器熔溝截面積通常呈矩形或長圓形，其截面的徑向厚度（b溝）和軸向高度（a溝）按下式計算：

式中：δ透為熔溝內金屬在液態時的電流穿透深度，計算公式如下：

式中：ρ金為熔溝金屬的電阻系數／Ω·cm（20℃，Zn的電阻系數為（6.0～6.2）×10－6）；μ為熔溝金屬的相對磁導率，熔融金屬取1；f為電源頻率／Hz，工業頻率為50 Hz。

對熔煉鋅金屬而言，徑向厚度（b溝）和軸向高度（a溝）通過計算并根據經驗值［1］取如下值較為合理：

小功率單溝感應器一般設計為“U”型熔溝，其結構示意圖如圖2所示。

圖2 “U”型熔溝結構示意圖

1.3 爐襯耐火材料的選擇

感應器熔溝對爐襯耐火材料要求較高，需具備良好化學穩定性、高的機械強度、低的熱膨脹系數、高的抗熱震穩定性、高的致密度以及低的金屬潤濕性等性能。傳統老式感應器常用的爐襯材料是干式搗打料和水玻璃料，而這兩種材料的強度不夠，容易龜裂而漏鋅，從而縮短了感應器的使用壽命。隨著科學技術的進步，研發的耐火材料種類不斷增多，出現了高強度的高鋁質和剛玉質低溫澆注料，這兩種耐火材料施工工藝簡單，結構力強，防鋅滲漏能力強，是用作感應器爐襯的優良耐火材料，用該材料制成的感應器使用壽命可以提高數倍以上。

1.4 感應器爐襯的搗筑及烘烤

老式感應器采用預處理的鋅環制作熔溝的方法，是采用工藝復雜且常溫易固化分層的水玻璃耐火混凝土搗筑而成的。而改進的新型感應器則是將熔溝設計成空心木模安裝在感應器殼體內，適用于熱起熔，當爐襯烘烤到預定溫度時，即可向爐內灌以金屬液，使金屬液進入熔溝迅速形成二次回路。選用低水泥澆注料作爐襯材料，搗筑的感應器聯成一個整體，混凝土沒有任何分層，熔溝耐火料填充完好。感應器搗筑完，自然干燥7 d左右，在木模內穿電阻絲，按照烘烤曲線通電烘烤，邊烘烤木模邊炭化，最后木模完全炭化，然后用高壓風吹出熔溝內的碳渣，制作出空心結構且熔溝壁光滑平整的感應器熔溝。熔溝烘烤方式如下：每小時升10℃至120℃，保溫24 h；從120℃開始每小時升溫10℃至200℃，保溫24 h；再從200℃開始每小時升溫10℃至350℃，保溫24 h。

2 功率測試及分析

2.1 功率測試

新型感應器與老式功率測試對比見表1。

表1 新型感應器與老式功率測試對比表 kW

從表1的實驗數據可以得出如下結論：新型可拆卸式感應器由于改進了熔溝截面積及爐襯材料等，功率有了較大的提高，與老式感應器相比其功率提高了16.26%。

2.2 感應器功率影響因素

對于改進后的感應器功率的提高，主要是從溶溝體積設計的合理性、耐火材料厚度設計的合理性以及感應器殼體設計的合理性和安裝等方面進行分析。

2.2.1 熔溝體積對功率的影響

熔溝體積和感應器的功率的關系可以由下式說明：式中：P效1為每個感應器的有效功率／kW；P溝0為熔溝功率密度／kW·cm－3，鋅為0.035～0.05 kW／cm3。

對于確定的耐火材料及確定的金屬熔體，功率密度是個確定值，即熔溝體積與感應器的功率是正比函數關系。當感應器功率一定，熔溝體積越大，熔溝內熔融金屬的流速就越慢，影響熱交換而降低熔化能力；如果熔溝體積太小，在熔體流動的過程中，熔體中的渣易堵塞熔溝，造成局部高溫影響感應器的壽命。

2.2.2 耐火材料厚度對功率的影響

一般來說，對于直徑及線圈匝數一定的感應器，感應器爐襯的厚度（即感應器內壁到熔溝的距離）越厚，透磁阻力越大，實際有效功率就越小；感應器爐襯的厚度越薄，透磁阻力就越小，實際有效功率就越大。但爐襯太薄，爐襯易開裂形成裂漏，影響感應器的壽命。所以實際設計制作感應器時，爐襯內壁厚度一般保證70～80 mm為宜。

2.2.3 漏磁對感應器功率的影響

漏磁是影響感應器有效功率的重要因素之一，為了解決漏磁的問題，主要從設計和安裝兩個方面改進。設計制作殼體時在感應器殼體的壓板及底板處開槽，以阻斷磁力線；安裝底板的槽及殼體的檔板時，聯接部位一定要組裝絕緣板，以阻斷磁力線。通過上述兩種方法可有效解決感應器漏磁的問題，減少功率損失，提高有效功率。

2.3 感應器壽命影響因素

2.3.1 耐火材料對感應器壽命的影響

耐火材料的性質決定了感應器是否容易裂漏。常用的耐火材料有干式搗打料、水玻璃料、高鋁質低溫澆注料及剛玉質低溫澆注料。老式感應器常用干式搗打料及水玻璃料，這兩種耐火材料做成的爐襯容易產生裂漏，使用壽命短，對于合金爐平均使用壽命在6個月以下。新研發的感應器所使用的耐火材料為高鋁質低溫澆注料及剛玉質低溫澆注料，這兩種耐火材料在施工時熔溝不采用預處理的鋅環，而只能用木模做熔溝。該種耐火材料燒結后結構致密強度高，不易產生裂漏，感應器使用壽命可以提高到一年以上。

2.3.2 溫度對感應器壽命的影響

感應器的工藝溫度一般控制在440～500℃，太高或太低都會影響爐襯的壽命。溫度太高，爐襯開裂形成裂漏，影響感應器壽命；溫度低鋅液流動性差，熔渣易堵塞熔溝，在爐內溫度升高的情況下，熔溝局部溫度過高而導致裂漏。生產實踐證明：鋅錠爐鋅液面穩定，爐內溫度均勻，感應器使用壽命長；而合金爐鋅液面不穩定，爐內溫度變化大，感應器熔溝溫度變化大，感應器使用壽命比鋅錠爐短。因此，控制爐內溫度穩定是延長感應器使用壽命的關鍵因素之一。

3 結 語

1.通過從感應器殼體的設計和安裝、感應器的熔溝截面積、耐火材料的選型以及爐襯厚度設計等方面的技術改進，新型感應器功率提高了16.26%。

2.選用高鋁質澆注料或剛玉質澆注料能有效地延長感應器的使用壽命，爐襯厚度合理設計為70～80 mm，既可以減少功率的損失又能提高感應器的壽命。

3.除了從技術改進方面來提高感應器的壽命外，還應通過控制爐內溫度穩定、合理的進料、防止放炮、精心烤爐等方面以及通過精心操作和維護來提高感應器的使用壽命。

4.生產實踐證實，改進后的90 kW新型感應器在一定程度上節約了生產成本，降低了工人勞動強度。

［1］ 《有色冶金爐設計手冊》編委會.有色冶金爐設計手冊［M］.北京：冶金工業出版社，2004.

The Improved Low Power Inductor Application in Zinc Smelting Induction Furnace

LIYing，XU Peng
（Zhuzhou Smelter Group Co.，Ltd，Zhuzhou 412004，China）

This paper introduces the key technology improvement of the 90kW low power inductor，including the improvement ofmelting channel，the design of inductor structure and the selection of inductor refractories，in Zhuzhou Smelter Group Company.There is a power test comparison of the improved inductor and the old one，and the power of the improved one is fairly enhanced，then it analyzes some factors influencing the service life of the inductor.

inductor；zinc smelting induction furnace；melting channel；inductor refractories

TH7

：A

：1003－5540（2014）06－0068－03

2014－10－09

李 瑛（1966－），男，高級工程師，主要從事冶煉技術研究和管理工作。