中頻感應電爐磁軛立柱設計

劉威

奧托容克冶金設備（上海）有限公司 上海 200090

1 序言

中頻感應電爐以其功率密度大、熔化速度快、起熔方便、操作使用靈活，以及投資費用低等優點，在鑄造和冶金行業廣泛應用[1]。中頻感應電爐的感應線圈通入三相交流電，其產生的交變磁通穿過金屬爐料，在金屬爐料內產生感應電流而使其發熱熔化。

若提高金屬爐料的熔化效率，則必須加大輸入功率。輸入功率越高，電磁攪拌力越大，磁軛立柱產生的振動也越大[2]。另外，隨著輸入功率的提高，熔化金屬產生的熱量加劇，磁軛立柱被加熱的程度越大。本文所研究的40t中頻感應電爐，輸入功率為20000kW，如此大的功率，給磁軛立柱設計帶來了很大挑戰。

本文通過對磁軛立柱受載進行有限元分析，驗證了所設計磁軛立柱母材的可靠性；通過增加水冷系統，減輕了磁軛立柱因交變磁場而引起的局部發熱、發紅現象，確保磁軛立柱受載穩定；通過對頂緊磁軛螺栓組件的持續改進，設計出了符合實際工況的磁軛立柱。

2 中頻感應電爐及磁軛立柱結構和主要技術參數

中頻感應電爐結構如圖1所示，磁軛立柱結構如圖2所示，主要技術參數見表1。

表1 中頻感應電爐主要技術參數

由圖1、圖2可看出，磁軛立柱上的磁軛螺栓頂緊磁軛，磁軛在螺栓壓力的作用下壓緊感應線圈。三相交流電通過線圈電纜接頭輸入感應線圈，其產生交變的縱向磁通穿過金屬爐料時，生成感應電流熔化金屬。金屬爐料加熱熔化、出爐倒鐵液等，都需要磁軛立柱為其提供支撐力。

圖1 中頻感應電爐結構示意

圖2 磁軛立柱結構

3 磁軛立柱受載強度分析

感應電爐在熔化金屬爐料和傾爐過程中，依據經驗公式計算出磁軛立柱所受最大轉矩為1795kN·m，爐體共有9根均布的磁軛立柱，故每根磁軛立柱承受力矩最大值約為199.5kN·m。

為了驗證所設計的磁軛立柱是否符合實際要求，應用有限元軟件對其進行強度分析，得到了磁軛立柱的等效應力和變形位移分布，如圖3、圖4所示。

圖3 磁軛立柱等效應力分布

圖4 磁軛立柱變形位移分布

由圖3可看出，磁軛立柱在傾爐時的等效應力最大值為152.2MPa，且主要位于上部區域，其等效應力最大值低于材料的屈服極限。由圖4可看出，磁軛立柱在傾爐時的變形最大值為14.81mm，僅分布在下部邊緣處，而超過95%區域變形量在10mm以下，因此可判定磁軛立柱變形位移在允許范圍內。

4 磁軛立柱增加水冷系統

在實際生產過程中，輸入功率16000kW、額定容量為30t的中頻感應電爐，其磁軛立柱四周被交變磁場加熱發紅，溫度高達150℃以上。而本文所研究的40t中頻感應電爐，其輸入功率為20000kW，增大了輸入功率，熔化金屬產生的熱量加劇，磁軛立柱四周加熱變形程度也會增大。經有限元分析，得到其局部溫升最大值為500℃。而Q235鋼材溫度超過200℃時，其材料屈服強度會下降，變形量加劇，材料穩定性變差[3]。如果立柱選用奧氏體不銹鋼材質，則可在很大程度上減少發熱，但爐子成本增加較多。

為解決上述難題，在磁軛立柱四周焊接4根水冷管，并通過水管接頭兩兩相連串成水冷系統，如圖5所示。中頻感應電爐在工作狀態下，水冷管中通入一定壓力的循環冷卻水，就可有效降低磁軛立柱因交變磁場而引起的局部發熱、發紅現象。經過實踐驗證，在水冷管通入冷卻水后，其溫度在80℃左右，對Q235鋼的綜合力學性能幾乎沒有影響。

圖5 磁軛立柱加入水冷系統示意

5 頂緊磁軛的螺栓組件設計

感應線圈中通入三相交流電后，產生三相交變磁場。輸入功率越大，其產生的交變磁通越大，對金屬爐料的攪拌力也越大。而磁軛立柱上的頂緊螺栓將磁軛壓緊在線圈上，因此交變磁場產生的攪拌沖擊力全都由頂緊螺栓組件承受。本文所研究的中頻感應電爐，輸入功率高達20000kW，其產生的巨大攪拌沖擊力直接作用在頂緊螺栓組件上，因此對頂緊螺栓組件的合理設計，是整個爐子設計質量的關鍵。

5.1 螺栓組件設計

圖6所示為螺栓組件設計結構，頂緊螺栓選用M30改制螺栓，螺栓尾部進行磨平處理。定位矩形塊與磁軛立柱的H型鋼呈一定角度斜向焊接，保證了頂緊螺栓的中心軸線指向爐體中心，這樣頂緊螺栓承受的主要是向心力。在設備調試安裝時，對頂緊螺栓施加一定的預緊力使其壓緊在磁軛上。隨著預緊力的增大，螺紋塊與頂緊螺栓之間產生相對位移，螺紋塊向左運動，將蝶形彈簧組壓緊，但仍需留出一定的彈性余量。頂緊螺栓調整到預定位置后，用鎖緊角鐵將頂緊螺栓卡牢，防止其松脫。

圖6 螺栓組件設計結構

中頻感應電爐在熔化金屬爐料的過程中，由于熔化溫度高，因此感應線圈等部件會發熱變形，若其發熱變形體積增大，則會直接作用在頂緊螺栓上。因為頂緊螺栓組件的蝶形彈簧仍有一定的彈性余量，所以可平衡感應線圈發熱變形帶來的影響。

上述所設計的頂緊螺栓組件，在實際應用過程中，頂緊螺栓組件安裝調節方便，可有效地壓緊磁軛。但在運行1個月后，出現1/3的頂緊螺栓彎曲變形，需要及時更換才能繼續生產運行。

5.2 螺栓組件改進

經分析，所設計的螺栓組件，其螺桿懸臂長度達到230mm。經驗證，其壓桿穩定性較差。另外，爐體所產生的巨大振動，也是壓桿彎曲變形的重要原因。

基于上述考慮，改進后的螺栓組件如圖7所示。在原設計的基礎上，將蝶形彈簧和螺紋塊移到定位矩形塊的右邊，在其外部焊接加強矩形管。改進后，螺桿懸臂長度減小為160mm，滿足對壓桿穩定性的要求。

圖7 螺栓組件改進結構

改進的頂緊螺栓組件，在實際應用過程中，頂緊螺栓的壓桿穩定性加強，工作狀態較前期穩定。但使用一段時間后，仍出現少部分的頂緊螺栓彎曲變形。

經過在設備運行現場的認真觀察，發現該中頻感應電爐在熔煉金屬時，由于振動較大，部分磁軛出現了位置偏差，即磁軛中心軸線和頂緊螺栓中心軸線不在同一條直線上，出現了頂偏現象。在這種情況下，頂緊螺栓不僅承受軸向力，而且承受側向力。在這樣的受力情況下長期運行，頂緊螺栓勢必會產生彎曲變形。

5.3 滿足生產實際的螺栓組件

圖8所示為螺栓組件的最終設計結構。加強矩形管與螺紋塊焊接在一起，發揮定位螺母的作用。螺桿的懸臂長度進一步縮小，只有75mm，大大增強了頂緊螺栓的壓桿穩定性。在頂緊螺栓的尾部加上了套筒，其前段加工有凸臺。球面墊圈、錐面墊圈和蝶形彈簧裝配后，緊壓在套筒凸臺上。壓緊套左右兩端均開孔，左端孔內裝入套筒，右端孔裝入絕緣墊塊，最后通過絕緣墊塊壓緊磁軛。

圖8 螺栓組件最終設計結構

頂緊螺栓組件壓緊磁軛后，并緊左端的鎖緊螺母，這樣左端的并緊螺母和右端的焊接螺紋塊將頂緊螺栓緊固在磁軛立柱上，形成了一個剛性穩定結構。球面墊圈和錐面墊圈裝配安裝后，即使在磁軛中心軸線和頂緊螺栓中心軸線不重合的情況下，通過錐面墊圈和球面墊圈的自動調心功能，頂緊螺栓仍能有效地壓緊磁軛。

最終設計的頂緊螺栓組件，在實際應用中，未出現頂緊螺栓彎曲變形的情況。實踐證明，經過最終改進設計的頂緊螺栓組件，通過錐面墊圈和球面墊圈的自動調心，蝶形彈簧彈性變形的有效補償和壓桿穩定的合理設計，成功地將各個磁軛頂緊在線圈上。

6 結束語

1）運用有限元對磁軛立柱進行受載分析，驗證了所設計磁軛立柱基體的可靠性；為解決磁軛立柱因交變磁場而引起的局部發熱、發紅現象，在磁軛立柱上增加了水冷系統，確保其綜合機械強度的穩定性；通過對頂緊磁軛螺栓組件的持續改進，最終設計出了能用在大功率中頻感應電爐上的頂緊螺栓組件。

2）在設計大功率、大容量中頻感應電爐時，要著重考慮三相交變磁場對爐體各部件產生的巨大沖擊力；立柱的局部發熱與漏磁有關，可采取適當加大磁軛的截面積、提高硅鋼片的材料級別等措施，來減少立柱發熱；嚴格控制感應線圈等通過電流較大部件的絕緣問題。