SMS中頻感應電爐循環水系統設計探討

■ 李毅波

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水是中頻感應電爐“血液”，中頻感應電爐的IGBT和整流管等大功率元器件必須在水冷條件下工作，電熱電容器需要通水冷卻。另外，爐體的感應器線圈工作時的電流可達幾千安，自身電阻的發熱量，加熱的坯料溫度，決定了感應器線圈也必須通水冷卻。

我公司生產車間位于山里，由于工業用水水質比較硬，因此中頻感應電爐循環水結垢是一個無法回避的問題。我公司生產車間進口的德國SMS（西馬克）中頻感應電爐自調試運行以來，歷經多年數次改善，基本完善了循環水系統，如圖1所示。

中頻感應電爐水冷卻系統主要由內外兩個循環系統構成。

圖1 SMS中頻感應電爐循環水系統

1. 外循環系統

外循環主要冷卻感應器線圈和內循環水，加注軟化水，以潛水泵為動力，備用一臺，一個月切換一次，保證兩臺潛水泵能正常工作。需冷卻的水在水塔頂部通過管道向下噴灑，頂部有兩個很大的抽風機，把空氣抽出塔頂，從而利于空氣流動，加速水的降溫。在噴灑管道上方和下方都有曲折鏤空的PVC膠做的散熱板隔開，以增加水流的散熱時間。設計成如此形狀是因為雙曲線形狀有利于水和空氣進行對流交換熱量。即使在炎熱的夏季，外循環進水溫度也能保持在30℃以下。

當然，水溫并不是盲目地追求越低越好。因為感應器線圈上設計了若干個溫度傳感器，以監測線圈溫度，設計要求為5～55℃。在冬季，中頻感應電爐剛起動時，如果線圈檢測溫度低于5℃，溫度傳感器報警，設備將無法起動。常用的恢復方法是拔出溫度傳感器，稍微加熱使其溫度高于5℃即可正常起動。為此車間電工師傅做了一個改進，給風機加裝一個時間控制器，19∶00～23∶00點風機自動關閉，此時間段設備不生產，既節約了電能，又減少了排除故障時間，還不影響設備的正常使用。

中頻感應電爐正常工作時，外循環系統突然出現異常，如斷電、水泵跳閘等，最主要的是及時排出爐內熱料。打開自來水閥門，暫時可使用自來水對中頻感應電爐系統進行冷卻。一般只要及時排出熱料，感應器線圈還是可以繼續使用，并沒有那么脆弱，但是肯定影響線圈的使用壽命。

循環水水質硬度高，容易結成水垢，其附著性很強，導熱能力又差，會造成冷卻能力下降和故障率升高，進而造成水路接頭的堵塞與腐蝕，時間一長，水壓會撐破接頭，造成漏水，一旦水噴射到晶閘管上，會造成嚴重的短路問題，甚至可能影響到到上級電站。

水垢堵塞感應器線圈，疏通起來非常麻煩。輕微堵塞時，判斷出堵塞的位置，可使用濃度低的強酸灌入使其發生化學反應，這是臨時使用的辦法。堵塞嚴重時，必須破壞爐膛打結料，使用高壓水槍沖擊水垢，稍微疏通后，用低濃度強酸反復沖洗循環，再用鈍化劑使其內部產生保護層，可減輕再次腐蝕。但是每清洗一次，感應器線圈的壁厚會變薄一點，反復清洗會嚴重影響感應器的使用壽命。

以前一直使用的是往外循環水中加除垢劑和阻垢劑的辦法控制水的結垢，但是除垢劑和阻垢劑對水的污染較大，為此我公司在2016年加裝了一臺軟化水裝置（見圖2）。將循環水池的補水接入軟化水裝置，確保加入水池的都是硬度降低的軟化水。另外，計劃在外循環回水管道上引出一根管子到軟化水裝置上，確保在水的循環過程中不斷地進行軟化處理。

軟化水裝置的主要原理是當硬度較高的原水通過交換器的樹脂層時，水中的鈣、鎂離子被樹脂吸附，同時釋放出鈉離子，這樣交換器內流出的水就是去掉了高硬度離子的軟化水，當樹脂吸附鈣、鎂離子達到一定的飽和度后，出水的硬度增大，此時軟水器會按照預定的程序自動進行失效樹脂的再生工作，利用較高濃度的氯化鈉溶液(鹽水)通過樹脂，使失效的樹脂重新恢復至鈉型樹脂。

圖2 軟化水裝置

2. 內循環系統

內循環系統是設計一個3000L的全封閉水箱，加注的是純凈水，主要冷卻中頻電源柜，如銅排、電容等電氣元件。通過熱交換器用外循環水對內循環水進行冷卻，最熱時保證內循環進水溫度在25℃左右。內循環系統對水質有嚴格的要求，一般要求水的電導率低于10μS/cm，因此要求加入內循環的冷卻水必須是電導率、酸堿度合適的純凈水。由于中頻電源柜中存在直流高壓電，如果內循環水系統中電導率過高，直流高壓電會通過水中的鈉離子對銅管接頭進行電腐蝕，從而造成中頻感應電爐在使用中出現接頭被腐蝕斷裂的情況，水噴射而出，發生短路事故。

內循環水的另一個功能是水冷風機水的來源，主要冷卻逆變部分的IGBT，從內部和外部同時散熱，可使電源柜內保持在較低的溫度，電源柜內設計若干水冷風機，以內循環水作為風機水的來源，使電源柜內的溫度常年保持在25℃左右，有利于發熱元器件的散熱，但會出現電源柜內溫度低于水路循環水溫度的現象，凝結水滴在管壁上。因此要在電源柜內放置干燥劑，并定期更換，使電源柜內保持干燥狀態。

IGBT是固定在一塊水包上，有一個溫度傳感器監測溫度，當溫度高于50℃時，設備自動停機報警。同樣的情況也存在于其他的水冷裝置，比如電容和感應器線圈上。

但是像國產的年代較老的中頻感應電爐，沒有溫度監測裝置，晶閘管附近水路堵塞后，會造成晶閘管溫度特別高，輕則影響門極響應，重則燒壞晶閘管。

3. 結語

中頻感應電爐的水溫度過高、壓力過大時，都會對中頻感應電爐的運行產生影響，如不能及時處理，會給設備埋下安全隱患，因此要求中頻感應電爐冷卻水系統一定要工作可靠，一旦出現水管接頭漏水，水噴射在晶閘管等電器元件上，就會發生嚴重的短路事故，造成無法估量的損失。