中頻感應爐結構選擇及節電途徑探討

李 琨，張樂樂，童斌斌，龐河臨，陳 彤，張攀輝

(1.西安電爐研究所有限公司，陜西 西安 710061；2，陜西省四主體一聯合電爐工程技術中心，陜西 西安 710061；3.中冶電爐工程技術中心，陜西 西安 710061)

沖天爐在以往的鑄造生產、熔化鑄鐵中使用頻繁，但其加熱效率低、熱損較大，且受制于環保政策要求現已逐步被淘汰。中頻感應熔煉爐的脫穎而出，極大地改善了加熱速度慢、熱損失高及效率低等問題，在一定程度上節約能源、節省成本、提高生產效率、凈化車間環境等。在鑄鐵工藝過程中，若用沖天爐得到的鐵液往往含硫量較高[1-2]。

機械設備和電氣設備是中頻感應爐的兩大主要組成部分。傾爐機構和水冷系統屬于比較重要的機械設備，而中頻電源、電氣控制保護系統及補償電容組是中頻感應爐的核心電氣設備。不同的系統參數、選型將直接關系到熔煉裝置的能力、效率及指標，因此，正確地選擇熔煉設備配置參數，對生產的綜合效益影響很大，在選擇中頻感應熔煉爐結構時，應全面考慮投資預算、產能要求、質量參數、綜合效益等各項基礎指標，設備投產后的綜合效益是根本依據。

1 中頻感應爐用電條件及產能要求

1.1 中頻感應爐進線電壓

一般情況下，若中頻電源的功率小于1 000 kW，應遵循三相五線制，即采用工業用電(三相、50 Hz、380 V)配備六脈沖單整流中頻電源；相反，若大于1 000 kW，一般需要使用配備十二脈沖雙整流的660 V標準進線電壓。大功率中頻電源會產生干擾電網的諧波，選擇十二脈沖雙整流是為了提高進線電壓從而提高額定工作電壓，與此同時獲得較為平整的直流電流[2]。必要時，在輸入端配置諧波濾波和功率因數補償設備或靜止無功功率補償設備(SVC)等，以滿足電網的電能質量要求。此處要強調的是，如果選用480 V、575 V或690 V等非標準電壓等級，將會為后期零配件的選擇帶來困擾，是不可取的。

進線電壓是相對而言地，并不是越高越好。如果一味通過高電壓低電流實現節能，將會導致銅排線纜疲乏，設備及電子元器件壽命縮短。

1.2 中頻感應爐變壓器容量

基于功率因數和安全余量，整流變壓器容量應該是電源功率的1.08～1.15倍，取決于電源類型。

可控硅晶閘管(SCR)全橋并聯逆變中頻電源是目前國內感應熔煉行業普遍使用的，其變壓器容量大約是電源功率的1.2倍。

對于IGBT半橋串聯逆變中頻電源，其既具有高輸入阻抗，也具有低導通壓降，且穩定、節能?！耙煌隙奔锤鶕a要求一臺爐子用于熔煉，一臺用于保溫，這有利于提高電氣設備的利用率和生產效率。當兩臺爐體同時工作時，此時的變壓器容量能夠達到中頻電源功率的1.1倍，相對而言利用率有所提高。

需要特別注意的是，整流變壓器盡量專機專用，即中頻電源和整流變壓器配套使用，這樣有利于減少諧波對電網產生干擾[2-4]。

1.3 中頻感應爐產能要求

一般而言，通過日需鐵液質量和單件產品質量，可以確定中頻感應熔煉爐的總容量，從而根據總容量選擇合適的中頻電源。因感應加熱設備屬于非標產品，目前遵循行業慣例，感應熔煉行業中頻電源的選型配置如表1所示。

表1 中頻電源選型配置表

按照行業慣例，感應熔煉爐功率與總容量之比稱為感應爐的功率密度。功率密度也是中頻感應熔煉爐的一項重要指標，其理論最佳值一般為600～800 kW/t。由中頻電源選型配置表計算可知：行業普遍的選型配置，其功率密度相對理論最佳值而言偏低。

爐體容量一定時，功率密度越低，則熔化工時越長，熔化效率越低。因此，在爐體總容量不變時，若將功率密度提高100 kW/t及以上，則每爐次熔化時間將大大縮短。然而，較高功率密度會產生劇烈地電磁攪拌，這將導致設備和爐襯的壽命大打折扣。因此，企業若能在爐襯材料、筑爐方法以及熔煉工藝方面有所突破，熔煉效率將會大大提高。

2 中頻感應爐結構的選擇

2.1 中頻感應爐爐殼選擇

爐體整體剛性、漏磁影響、線圈性能、水路監測和漏爐報警等問題是設計中頻無心感應爐時需要考慮的關鍵點，并針對這些問題制定可靠有效的安全措施。根據不同工序靈活調節變頻裝置的輸出功率，按照工藝要求調節各爐子的功率分配。水冷電纜的連接結構也應確保導電良好、無水泄露、連接可靠等[5]。按照感應熔煉行業慣例，以液壓缸為傾爐裝置的鋼結構感應熔煉爐稱之為鋼殼爐；同樣的，以減速機為傾爐機構的鋁合金結構感應熔煉爐稱之為鋁殼爐。以容量1 t的鑄鐵熔煉爐為例，列舉鋼殼爐與鋁殼爐的區別如表2所示。

表2 鋼殼爐與鋁殼爐的區別

由表2可以發現，鋼殼爐堅固耐用、安全可靠、壽命長、能耗低并且配備由矽鋼片制成的磁軛。感應線圈工作時會產生大量磁力線，但部分磁力線會通過爐殼發散出去，即漏磁。因鋼殼爐具有磁軛結構，可有效地對磁力線屏蔽和發射，從而減少漏磁，使感應熔煉熱效率大大提高。鋁殼爐雖成本低廉，但其傾爐機構安全性能較差，爐殼在高溫下易發生氧化、變形，造成金屬韌性疲乏甚至爐殼出現裂痕。

對鋁殼爐而言，其爐殼一般由鋁合金鑄造，重量和厚度均較小[3]。鋁殼爐本身價格較為低廉，作者認為只圖價格低廉，忽略安全、能耗、壽命的選擇是不可取的。

上文說到，鋼殼爐的磁軛結構可以有效地減少漏磁，因此，鋼殼爐結構中最重要的便是磁軛。鋼殼爐的磁軛一般是由冷軋硅鋼片疊裝加緊而成，此冷軋硅鋼片應具有明顯的高導磁率和Z11取向。安裝時，應由兩側的不銹鋼夾緊并焊接固定，當工藝需要時可配備水冷裝置。設計磁軛時，其形狀、結構、截面積和尺寸應能屏蔽磁力線減少漏磁、防止爐殼發熱，同時應有利于硅鋼片的冷卻和散熱、減少噪聲和可靠支撐感應線圈。磁軛的設計還應考慮感應線圈的拆裝、維修和觀察是否方便。磁軛內弧面弧度與感應線圈外弧面弧度相同，此時磁軛正好緊貼于感應線圈外側面，并且能夠最大限度地屏蔽磁力線發散，減少漏磁[2-3]。

2.2 中頻感應爐爐襯的選擇

感應加熱設備的爐襯是保障裝置可靠、耐用和節能的重要部件之一，通常由耐火層和保溫層組成，也可部分采用整體成型制品。

爐襯材料和制品應具有較好的耐火度和保溫性能，與此同時還應有較高的機械強度、較小的膨脹系數、良好的化學穩定性、電氣絕緣性能及耐急冷急熱性能。合理的爐襯厚度設計可在一定程度上減少熱損失，提高熱效率，但也不能過度蓄熱，否則將導致感應加熱電效率降低。一般采用低蓄熱量、熱導率的耐火纖維、泡沫輕質磚和納米孔硅質材料等。值得注意的是，選擇爐襯材料時，應避免加熱元件、熔液或爐內特殊氣氛與直接接觸的爐襯發生反應[5-6]。

2.3 中頻感應爐銅管、銅排及可控硅選擇

可控硅整流元件簡稱可控硅，可控硅是具有三個PN結、四層結構的大功率半導體器件，因其結構簡單、功能性強、體積小，又稱為晶閘管。然而不同廠家生產的可控硅產品，其質量和壽命一般是參差不齊的。質量良好的可控硅具有高的溫度敏感度，快速響應且故障率低。由此，建議選擇知名廠家生產的可控硅產品，不僅質量可靠有保障，而且性能穩定、壽命長。

不同規格型號的感應線圈冷擠壓銅管和銅排其價格、效果和壽命各不相同。按照行業慣例，感應線圈導體所用材質應為不低于T2的矩形、方形、圓形或其他形狀銅管，且外表面采用靜電噴涂進行絕緣處理，絕緣等級至少應達H級。

一般為保護銅管的絕緣強度，可在其表面纏繞包扎一層無堿玻璃絲帶或云母帶，有需要時還可噴涂防潮絕緣瓷漆?？紤]到感應線圈整體剛性、散熱問題，可在線圈上下端增加不銹鋼水冷散熱管，這樣既有利于線圈散熱，也可提高線圈整體剛性。

2.4 中頻感應爐電源柜、電容、電抗的選擇

中頻感應爐電源柜也是比較重要的電氣設備之一，中頻電源內部應裝有短路保護的低壓開關。選擇電源柜時，各電氣參數應緊扣生產工藝需要，尺寸、規格也應符合行業標準。

電容器的作用主要是進行無功補償，因此必須配備滿足要求的電容器組。按照行業慣例，一般電容補償量是電源功率的18～20倍。硅鋼片是電抗器的主要材料，但應選用正規廠家生產的全新的硅鋼片產品，不能使用二手硅鋼片。

成套的中頻感應爐設備中，往往有大量的連接型水管，連接水管嚴格的講應該用不銹鋼材質制作。銅制的活結安裝、拆卸較為方便，基本上不需維護，且有利于電流傳輸而且不會發生漏水，安全可靠，非常適用于水冷電纜。

除此之外，水冷電纜、連接銅排、電阻和電容等的選擇也關系到設備整體的質量。對企業來講，由元器件選擇不當埋下的安全隱患最為致命。因此，企業在前期選擇購置配套設備時，應重點關注零配件的結構和質量，而不是忽略質量聚焦低價，否則將會為后期的生產和維護留下隱患。

3 中頻感應爐節電途徑

本節根據中頻感應爐的生產特點，從配料裝料、熔煉時間、熔煉操作、供電方式等方面探討中頻感應爐生產過程節電途徑與措施。

3.1 合理配料

感應熔煉每爐次的電耗很非常大，這就要求在熔煉前，必須要分析爐料成分，進行配料計算，合理搭配爐料，這樣可以避免因爐料成分混雜使鋼液報廢或重新調整爐料成分。若盲目配料、加料熔煉，不僅會使鋼液雜質含量升高，而且將導致熔煉工時增長，爐次、物耗和電耗隨之增加。

因此，合理分類打包爐料、配料，有利于保證加料順利，減少爐料消耗及每爐次電耗[7]。

3.2 合理選擇熔煉作業方式

中頻感應爐熔煉電耗與生產方式有很大的關系。感應爐的工作方式分為三種，連續作業、斷續作業和間歇作業。眾所周知，連續熔煉作業其電耗是最低的，斷續熔煉次之，間歇熔煉電耗最高。因此，在條件允許的情況下，企業應盡可能連續作業，延長熱爐熔煉時間，以達到節電效果。連續熔煉爐次多、總時間長，在產量一定時，冷爐熔煉頻率低、次數少，也有利于延長爐襯壽命。

3.3 合理進行熔煉操作

爐料的熔煉速度和熔煉時間取決于是否科學、合理的配料裝料。中頻感應加熱時，因磁力線在坩堝中、下部位的分布密度比較大，故裝料時應使坩堝中、下部的堆積密度越大越好。熔煉時，磁力線穿過爐料間隙的概率小，所以感應加熱效率高，熔煉速度快，熔煉時間短。

加料時，應盡可能地保持鋼液溫度，為了避免溫度差造成鋼液結殼，爐料應采用少量多次的方式加入，同時應積極搗料，防止出現“駝峰”、“搭棚”，否則爐內溫度局部過高，將大大縮短爐襯壽命。熔煉爐渣具有很好的裹覆保溫作用，可以減少高溫鋼液的輻射熱損失。因此，熔化期應加強造渣并合理利用。

合理的供電方式也必不可少。剛通電時往往存在電流沖擊的現象，導致電能利用率低?？上纫粤晒β始訜幔入娏鳑_擊停止后，快速調至滿功率熔煉。此外，合理控制出鋼溫度，選擇筑爐材料等也可達到節電效果[8]。

4 結 語

中頻感應爐因投資少、回報快及熱效率高等優點被廣泛運用于熔煉工藝。然而感應熔煉高電耗一直是眾多企業備受關注的問題，也是感應熔煉行業亟待解決的節能焦點問題。文章淺析了中頻感應爐的用電條件、產能要求、結構選擇方案，以及從筑爐材料、供電制度、配料裝料、熔煉時間和熔煉操作等方面提出了幾條了節電建議。因筆者經驗有限，文章所述僅供參考。