烘爐電源在合金熔化爐中的應用

唐亞洲，唐亞軍，徐曉亮

（杭州四達電爐成套設備有限公司，浙江杭州 311305）

0 引言

目前我國是世界上最大的鋼鐵生產國。廢鋼是目前唯一可以逐步代替鐵礦石的鋼鐵生產優質原料。在鑄造行業內以廢鋼為原料的合金熔化爐的發展朝著更大容量、快速熔化、更節能的方向發展，表1 是幾種主流的合金熔化爐的主要參數對比。采用大容量的合金熔化爐更能節能減排，但是使用電源柜的功率會成倍增加。而合金熔化爐冶煉過程中，必需先使用坩堝做為模具用爐襯料進行筑爐，然后對爐襯進行烘烤，才能開始冶煉[1]。烘爐一般以坩鍋加輕料為負載，合金熔化電源柜提供電源進行加熱操作。隨著爐體容量的加大，烘爐所需負載功率與合金熔化電源柜的功率不匹配現象更加嚴重，同時烘爐過程占用了大量熔化生產時間,為解決此問題需要專門為烘爐提供單獨電源。

表1 主流合金熔化爐參數

1 大型合金熔化爐的烘爐過程

以90t 不銹鋼合金熔化爐為例介紹大型合金熔化爐烘爐過程。90t 合金爐一般是一電二爐。換爐主要原因是爐襯長時間受到鐵水的侵蝕而失去作用。還包括下面幾種爐襯損壞的原因：烘爐過快造成爐襯燒結裂紋；不連續生產反復的驟冷驟熱；熔化過程中噴爆等事故；加料損傷等情況[2]。一般不銹鋼合金熔化爐采用中性電熔剛玉材料，該材料具有良好的化學穩定性、耐熱溫度高達1850℃、耐熱震性好、耐充刷等優點，一般壽命可達到120 爐到150 爐，是酸性材料壽命的二倍多。雖然中性材料較貴，但能減少打爐次數，更好保護爐體，提高產品質量[3-5]。一般采用干法打結爐襯。中性材料一般對烘爐要求比較嚴格，圖1 是烘爐曲線。烘爐的目的是讓爐襯材料燒結好，形成一定厚度的燒結層。正確的烘爐能提高爐襯的使用壽命。

圖1 90t 合金熔化爐中性材料烘爐曲線圖

烘爐一般分成四個階段：初加熱階段；中間保溫階段；升溫熔化階段；后期保溫階段。

1.1 烘爐初加熱階段

此時需要對爐襯進行緩慢的加熱從而排除水氣，持繼時間需要10h，溫升速度保持100℃/h，使用熱電偶監測溫升過程。此階段一般通過電源柜提供電源進行加熱，但存在功率太大加熱速度過快，幾分鐘就達到目標溫度，爐內溫度透熱不夠，溫度分布極不均勻，而且要頻繁的啟停電源柜比較費人力。溫升過快會造成爐襯形成裂紋，爐襯壽命減少[6]。一般用戶會選擇外拉電加熱裝置或者采用煤氣燃燒加熱爐襯的方法。面對90t 大容量的熔化爐，使用外拉電加熱設置提供電源，需要大功率的加熱設備，對線路、安全用電環境都是考驗。一般都會選擇煤氣在熔化爐中燃燒，從而加熱坩堝與廢料，達到爐襯加熱的目的。使用煤氣加熱，升溫連續，加熱比較均勻，也容易控制，是烘爐初加熱比較好的手段。由于烘爐使用的次數少，頻率低。采用煤氣加熱，必然需要煤氣管道，增加平時安全維護工作。隨著鋼鐵行業綠色發展概念的興起，趨向少用或者不用煤氣等不可再生資源。匹配用電的小功率的烘爐電源柜就顯的有必要了。

1.2 烘爐中間保溫階段

排除水氣后進入燒結準備階段。此階段需要至少4h。此時只要保持爐膛溫度在1000℃。可以使用電源柜進行加熱。通過溫度監測，選擇啟動或停止電源柜加熱。因為只是保溫功能，所需功率不是很大，如果有烘爐電源也可以采用烘爐電源柜。

1.3 烘爐升溫熔化階段

此時需要電源柜對爐膛內的合金料進行加熱熔化，隨著溫度的升高，爐料開始熔化，需要在6h內熔化完成，并添加爐料完成滿爐鋼水的熔化。升溫熔化階段是爐襯形成燒結層的關鍵時期。熔化過程需要電源柜提供較大功率，此時金屬液的電磁攪拌力增大，由于燒結層初次形成，因此對爐襯的沖擊很大。隨著沖擊的發生，容易造成部分位置被嚴重侵蝕而使得爐襯壽命減少。因此電源柜的功率不能開的太高，一般不超過額定值的70%左右。由于功率未到額定值，電源柜的功率因素比較低，無功損耗大。為了減少電磁攪拌的影響，可以使用其他爐熔化的金屬液倒入需要烘爐的爐體[7]，從而減少電源柜大功率對爐襯的影響，也可以減少烘爐的無功損耗。

1.4 烘爐后期保溫階段

當金屬熔化液體充滿整個爐體，并且金屬液體的溫度達到1750℃時，按照烘爐工藝的要求進行后期的保溫燒結階段，此階段需要用電源柜進行加熱。通過快速熱電偶與金屬液體接觸來測試溫度值，跟據溫度值來啟動電源柜對爐體金屬液體加熱達到對爐襯料的烘烤。

2 烘爐電源在合金熔化爐的應用

2.1 烘爐電源存在的作用

烘爐一般需要24h 以上，在一電二爐的合金熔化爐系統中如果一只爐襯需要烘爐操作的話，電源柜只能給需要烘爐襯的爐使用。如果有烘爐電源的存在，烘爐使用烘爐電源進行操作，熔煉使用電源柜進行操作互不影響。一次烘爐操作可以節省24h 的熔煉時間，以90t 爐為例，一爐1.5 h計算，可以多熔煉1440t 合金。如果以24h 生產計算，換爐周期150 爐，一個月可多生產4320t 合金，一年大約多生產51840t 合金。相對于增加烘爐電源設備的成本是非常的劃算。烘爐電源能夠提高設備的使用率，提高生產產量。

烘爐電源專為烘爐設計，相對于電源柜的功率一般較小。烘爐時對溫度的加熱更為精準，功率因素比電源柜高，無功損耗低。對烘爐的四個階段都能用的到，并且還有突出優點：（1）不需要外拉電加熱或者煤氣，節能環保；（2）初始烘干過程中溫升好控制，有利于爐襯排出水氣；（2）操作相對于電源柜加熱保溫頻次少，節省人力；（3）熔化過程中功率較小，電磁攪拌對爐襯的影響小；（4）滿爐熔化后的保溫中，功率因素高，更節能。

2.2 烘爐電源與合金熔化爐的組成

通過新一代的換爐開關系統，把電源柜、烘爐電源與兩個爐體進行聯接。如圖2 所示。換爐開關采用PLC 控制，換爐操作可以通過上位機界面操作，換爐過程只要25s 能完成。由于換爐開關采用了自動化控制，爐體是烘爐或者是熔煉都能在界面實時顯示，方便操作人員進行選擇。烘爐電源與電源柜之間的自鎖功能也能通過PLC 通過位置信號進行控制。

圖2 烘爐電源聯接結構示意圖

3 烘爐電源的設計

烘爐電源系統由變壓器、烘爐電源柜、電容柜三部分組成，如圖3。為實現烘爐電源的功能，需要跟據爐料（熔化合金）的情況考慮設計。以合金熔化90t 爐為例進行計算。

3.1 烘爐電源功率的計算

烘爐過程中，初始加熱階段與升溫熔化階段消耗的功率最大，分別計算這兩個階段的功率來選擇烘爐電源的功率。爐料以不銹鋼1Cr13 為例，烘爐初始加熱階段，相當于加熱爐，爐料溫度從室溫加熱到1000℃計算爐料加熱有效功率 P21（kW)。

式中,C 為爐料的比熱容（kW·h/kg）;G 為生產率（kg/h）；t1為爐料加熱前的溫度（℃）；t2為爐料加熱以后的溫度（℃）。不銹鋼1Cr13 的比熱容0.1849×10-3（kW·h）/kg，烘爐初始加爐料約60t，初始加熱10h，生產率為6000kg/h，爐料加熱前的溫度取室溫20℃，爐料加熱以后的溫度1000℃。計算得出加熱爐料的有效功率P21為1087.21 kW。加熱所需的功率P2（kW）,還需加上加熱損失所消耗的功率，這里一般用式（2）計算爐料加熱所需功率[8]。

加熱爐料所需功率P2由有效功率P21乘1.2倍得到1304.65 kW。

升溫熔煉階段計算功率需要知道爐料的物理參數，表2 列出了幾種不銹鋼的物理特性方便計算[9]。

表2 不銹鋼的物理參數

升溫熔化階段所需的有功功率:

式中,C1為爐料固態平均比熱[kJ/（kg·℃）]；T1為爐料熔化溫度及與初始溫度之差（℃）；Qr 為爐料的熔化潛熱（kJ/kg）；C2為爐料液態平均比熱[kJ/（kg·℃）]；T2為爐料澆注溫度及與熔化溫度之差（℃）；G 為電爐額定容量（kg）；η 為感應器的總效率，熔煉鑄鋼η=0.65～0.70；t 為加熱時間（s）。

以不銹鋼1Cr13 為例，為了方便計算取表2碳含量為0.3%鋼種的物理參數最接近。爐料固態平均比熱0.700kJ/（kg·℃），爐料熔化溫度1510 ℃，初始溫度1000℃，爐料的熔化潛熱272.0 kJ/kg，爐料液態平均比熱0.816kJ/（kg·℃），爐料澆注溫度1750℃，電爐此時容量60000kg,感應器總效率0.70,加熱時間21600s，代入公式3 計算額定功率約為3273.17kW。

由于熔化過程還需加料30t。30t 料的初始溫度為20℃代入式(3)，計算得到了30t 料所需的額定功率約為2997.70kW。因此，熔化過程中總的有效功率約為6270.87kW。

對比升溫初始加熱階段與升溫熔化階段所需功率，選擇合金熔化爐總有效功率為6300kW。

合金熔化爐之無芯感應爐的電流頻率下限頻率fzx（Hz）由式(4)得出。

式中，y 為爐料的液態電阻系數（Ω·cm）;d2為爐料的平均直徑（cm）。選擇電流頻率都得大于最低下限頻率。

在實際應用中頻率的選擇一般再結合經驗值如“新版無心感應電爐頻率選擇圖”,對應的90t 的爐子的推薦值是90Hz～180Hz。頻率越高啟動越容易，單位功率密度的攪拌作用越小。在對應的推薦值是取下限還是上限，一般還要考慮爐料的成份，上限熔化鋼且熔化溫度高，下限熔化鐵。合金熔化爐選擇150Hz。考慮到攪拌力烘爐電源選250Hz，在頻率選擇的有效區間內[10]。

由式（5）攪拌力公式得出，在爐料性質相同下，攪拌力與加熱功率成正比，升高電源頻率，攪拌力減輕[11]。因此提高頻率是減少攪拌力的方法。

式中，F0為攪拌力（kg/cm2）;μr為爐料的相對磁導率（約為1）；ρ 為爐料電阻率（Ω·cm）;f 為烘爐電源工作頻率（Hz）；P 為有功功率（kW）;D 為爐坩堝內徑（cm）;H 為爐料熔體高度（cm）。

此時的烘爐的攪拌力是合金熔化爐的攪拌力的0.77 倍。

由此我們可以得出烘爐電源柜兩個重要參數。有功功率6300kW，系統頻率250Hz，以此來來配置烘爐柜各元器件。

3.2 烘爐電源整流變壓器的容量配置

為了減少諧波的干擾，熔煉整流變壓器與烘爐整流變壓器要獨立配置。變壓器過大會造成資源浪費，過小會使烘爐電源過早限流導致系統電效率與熱效率受損[12]。一般整流變壓器按照經驗公式（6）計算[13]：

式中，S 為整流變壓器容量（kVA）；P 為烘爐有功功率（kW）。

得到烘爐電源變壓器容量7800kVA。

考慮到大型合金熔化爐熔煉變壓器配置，烘爐變壓器的一次側電壓為35kV，二次側電壓一般跟據烘爐功率與熔化速度配置，因為烘爐功率小一般選用整流變壓器二次側電壓為1100V 等級，12 脈沖的變壓器。烘爐電源采用并聯逆變器結構經過電感濾波后的直流電壓近似值用式（7）計算。

式中，Ud為整流線路輸出直流電壓（V）；Ul為整流變壓器二次側線電壓（V）。

逆變電壓即電容工作電壓有效值用式（8）計算。

式中，UC為電容工作電壓（V）;Ud為整流線路輸出直流電壓（V）;cosφ 為逆變觸發超前近似值，參見表3（因為頻率是250Hz，選近型值=30）。

表3 晶閘管逆變觸發超前近似值

參數代入（7）、（8）計算得出電容工作電壓1840V。

3.3 烘爐電源電容器的計算

由于爐體是感性負載，為了提高烘爐電源的功率因數，必須增加電容器進行無功補償。常用的補償方式有串聯補償、并聯補償和串并聯補償方式。串聯補償方式是電容器與爐體線圈串聯聯接，此方式特點啟動容易，但負載適應差、短路沖擊電流大。并聯補償方式是電容器與爐體線圈并聯聯接，此方式特點是結構簡單，負載適應性強，過流值相對較小，但啟動相對串聯方式要困難，現廣泛應用在加熱與小型熔化爐中。串并聯方式是電容器一半與爐體線圈串聯，一半與爐體線圈并聯，結構如圖3。此方式即有串聯結構啟動容易的特點，又有并聯結構負載適應性強，過流值相對較小的特點。同時相對于并聯補償結構爐體電壓升高一倍，電流大大減少由電流所產生的損耗大大減少。串并聯補償方式已廣泛的應用在大型合金熔化爐系統之中。

圖3 電容串并聯補償結構示意圖

串并聯補償結構中,C1、C2的電容值相等，總電容量C 由式（9）計算。

式中，C1為并聯電容值（F）;C2為串聯電容值（F）。

跟據公式（10）、（11）計算電容值C。

式中，QC為補充容量（kVar）；P 為有功功率（kW）；φ1為自然功率因素角，爐料為鋼或鐵的cosφ1取0.05～0.25；φ2為補償功率因素角，補償到cosφ2值取0.92；C 為烘爐電源總電容值（μF）;f 為供爐電源頻率（Hz）；U 為電容器的端電壓（V）。代入公式（10）、（11）可求得 總電容C=11288μF，從而得到C1=C2=22576μF；根據計算所得可以參考系統電壓、電容量選擇合適的電熱電容器。

4 結論

烘爐電源應用能夠提高設備利用率、節約能源，特別適合單套鑄造合金熔化企業進行連續生產。并已匹配各種容量20t、60t、90t 多家鑄造合金熔化系統中，產生良好的經濟與節能效果。