鑄造行業中頻感應電爐的工藝與管理節能的應用實踐

肖連華，曹瑞榮，劉 宇

（唐山鋼鐵集團重機裝備有限公司，河北唐山 063036）

0 前言

鑄造行業中熔煉工序由于受鑄件多品種、小批量、高質量、多品種規格的影響一直是高耗能的工序。近年來，中頻感應電爐熔煉受容量限制，沒有推廣實施冶煉強化節能措施,冶煉工序能耗居高不下，但是節能措施的研究一直沒有間斷。我公司現有中頻爐設備主要參數如表1 所示，主要用于熔煉鋼水和鐵水，采用靜態鑄造和離心鑄造工藝生產冶金軋輥，年產量在1.5 萬噸水平。

表1 中頻爐設備主要參數

熔煉生產采用單爐生產或多爐配爐生產，熔煉電耗長期在850kW·h/t 水平。我們根據中頻感應電爐的生產特點及生產實踐經驗，為提高生產效率、提高熔化速度、減少熔煉時間等，從工藝、設備、管理等方面研究分析總結中頻感應電爐節能的措施與實施效果，供同行借鑒。

1 工藝方面節能技術

1.1 合理配加鋼鐵料

爐料必須根據化學成分、含雜質情況及塊度大小進行適當分類加工，對輕、薄料打包處理，保證順利加料。根據爐口尺寸規定爐料尺寸，按照多年實踐經驗，爐料直徑與爐體直徑之比為0.30～0.35 為宜。

軋輥鑄造行業中頻爐爐料中含有大量軋鋼工序返回廢輥，使用得當不僅減少合金料加入，而且熔化速度較快。對圓柱形金屬材料研究表明：當圓柱形金屬材料的直徑d 與透入深度△h 的比值為3.7 時，總效率最高（見圖1）。

圖1 感應加熱效率和d/△h 的關系

1.2 鋼鐵料加工處理

輕、薄料打包后的密度對熔煉時能耗的影響如圖2 所示。10t 無芯中頻電爐，輸入功率6000kW、500Hz，使用壓緊廢鋼料時的密度從2.0t/m 提高到2.5t/m，每噸鐵液可節能25kW·h；如電爐中有40%以上的鐵液存在，則比全部熔煉切屑可省電50kW·h/t，并縮短熔煉時間。

圖2 爐料緊密度對能耗的影響

1.3 鋼鐵料的清潔與干燥

1.3.1 鋼鐵料的清潔

鋼鐵料中耐火材料、氧化鐵銹等雜質熔化要吸收熱量，增加渣量，延長熔化時間，消耗電量，并且侵蝕爐壁，降低爐子壽命(見表2），要求入爐的鋼鐵料雜質盡量的少。

表2 10t 中頻爐加入廢鋼質量對能耗的影響(1460℃)

1.3.2 鋼鐵料的干燥

爐料入爐前采用干燥窯余熱進行充分預熱干燥，預熱溫度為250～400℃，去除水分、油污、揮發物及其他雜質，減少氣體，避免引起飛濺，保證操作安全，降低電耗10%～15%，并能顯著提高鐵水質量和生產率。

實踐證明：利用干燥窯、熱處理爐等工業爐體的余熱預熱爐料到300℃，節電效果顯著，出鐵溫度為1460℃時，可使電爐熔化能力增加13.67%，電耗降低11.03%。

1.4 布料合理

按爐內溫度分布特點，中頻感應加熱時磁力線在中部中央的密度最大，中頻爐中部與下部爐料堆積密度越大越好[1]，磁力線穿過間隙的機會減少，加熱效率相應提高；裝料時應上松下緊，大小料搭配，還避免熔化過程中爐料架橋。加熱和熔化速度提高，可以縮短熔化周期，提高生產效率。

利用各種爐料的合理搭配，做到低熔點物料先加入，高熔點物料后加入，并保證鋼液中主要化學成分符合要求，有害雜質元素含量盡可能少、不超標，快速調整化學成分，避免因調整成分而拖延熔煉時間，增加電耗。小塊爐料或輕、薄、屑料等不宜在冷爐時加入，而應直接加到鐵水中，以降低電耗。

1.5 合理選用不同容量的爐體

現有1t、1.5t、3t、7t、10t、20t 等不同容量的中頻爐，避免用大容量爐體熔化少量鐵水，裝料高度高于感應器高度，抑制金屬液的攪拌強度和降低駝峰高度，提高爐體生產效率。實踐證明合理裝料及持續加料，保證爐內金屬液不少于熔池容積2/3 時，可以改善冶煉的技術經濟指標，降低電耗，見表3。

表3 10t 中頻爐加入廢鋼質量預熱前后對能耗的影響(1460℃)

1.6 熔煉工藝的優化改進

1.6.1 合理的供電制度

開始通電時，先供給65%～75%左右的功率，待電流沖擊停止后，迅速將功率增到最大值，以加快爐料的熔化。熔化全過程盡可能處在低溫下，由于爐內溫度較低，相應粘度也較高，這樣可以適當仰制熔液的電磁攪拌，降低金屬液駝峰高度。

1.6.2 合理的爐前操作技術

（1）控制后續爐料每次加入量，采用每次少量、多次加入的加料方式，盡可能不使鋼液溫度下降太多，避免爐內鋼液結殼。

（2）勤觀察、勤搗料，防止爐料“架橋”。搭棚使爐內金屬液溫度過高，停留時間過長，處理時撞擊爐襯，都會縮短爐襯壽命。熔煉作業中，采用澆注前短時間升溫而其余時間鐵液保持較低溫度，可減少高溫鐵液對爐襯的侵蝕，延長爐襯使用壽命，降低電耗[2]。

（3）從熔化期開始就要加強造渣操作，高溫鋼液在渣層覆蓋下減少了輻射熱損失，對鋼液還可起保溫作用。

一般控制渣量為1%～3%，且扒渣要快、準，盡量縮短除渣時間，以降低電耗。

（4）鑄造生產中采用澆注前短時升溫，而其余時間鐵液保持較低溫度，可減少高溫鐵液對爐襯的侵蝕，延長爐襯使用壽命，降低電耗。在高溫狀態下，SiO2+2C→Si+2CO，溫度越高、C 越高、Si 越低，爐襯的蝕損將加劇，尤其在新爐時更為明顯，嚴禁高溫熔煉，是提高爐齡、降低電耗的好方法[3]。

（5）采用爐蓋防止散熱，除必要的操作打開爐蓋外，應始終關緊爐蓋。敞開爐口對高溫鐵液造成的輻射熱損失相當大。

1.6.3 控制合理出爐溫度

出爐溫度可以用以下經驗公式來確定：t=t0+△t1+△t2+（80～100）

式中，t 為出爐溫度（℃）；t0為冶煉品種的液相點（℃）；△t1為鐵液從爐內轉移到澆包后產生的溫降（℃）；△t2為澆注前鎮靜時間產生的溫降（℃）。

出爐溫度要根據鐵水重量、澆注包的烘烤情況、澆注時間等因素來確定。澆注包必須經過充分烘烤，保持500℃以上溫度，減小溫降。在保證澆注質量的前提下，應盡可降低鋼液的過熱溫度，以縮短熔化時間，減少電耗。

1.6.4 出鐵后爐內的剩余鐵水量

中頻爐的優點是爐內鐵水可以出凈，但爐內鐵水出凈倒空往往使下一爐冶煉功率因數下降，熔化速度降低，不利于電耗降低。當班首次出鐵水時爐內留一定量的鐵液，可使下爐鐵水初始熔煉時磁場強度提高，熔化速度加快，達到節能效果。

1.7 優化爐襯設計

金屬液在電磁力的攪拌下會對爐襯產生強烈沖刷，另外加料時會對爐襯造成劇烈碰撞與振動，所以要求爐襯應盡可能厚些。但從爐子的電氣特性方面，爐襯盡可能薄些才能有更高的電效率和輸入更大的功率。

20t 中頻感應電爐的爐襯厚度由350mm 減少到330mm，試驗結果冶煉鐵水平均電耗由659 kW·h/t 降低到632kW·h/t。隨著爐襯減薄，感應器功率增大，熔化速度加快，能耗隨之減少。

改進筑爐工藝，確保打結質量，嚴格按工藝規程烘爐，滿足感應爐電氣特性又保持原有爐襯壽命，提高爐齡并節能顯著[4]。

1.8 采用一拖二中頻爐提高功率因數

采用串聯逆變式晶閘管中頻電源的技術實現兩個爐子由一臺電源控制，獲得良好的啟動特性。保證滿載重載狀態下，能隨意起動，一臺用來熔煉，一臺用來保溫，不間斷熔煉，負載工作在高壓小電流情況下，銅損小，在任意功率下功率因數可達95%。

2 管理方面節能

2.1 熔煉作業制度

積極利用峰谷電價差，采用午班、夜班錯峰連續熔煉，冶煉操作人員輪換公休連續冶煉。利用爐體和包體余熱，降低冶煉能耗。中頻感應電爐通常冷啟動單位電耗為782kW·h/t，熱爐操作時，單位電耗為（720～745）kW·h/t。

2.2 熔化與其他工序的銜接

杜絕和避免等待時間，有效地節約能源。據經驗以每爐次平均冶煉時間170min～200min 計，每縮短1min 的冶煉時間，就可節約0.1%左右的電能。

2.3 維護好中頻感應電爐

做好設備維護，使襯體、供電系統等正常運行，減少相應的損耗增加。

每次測量爐襯尺寸，做好檢查記錄，及時維護薄弱之處。

2.4 正確選擇中頻感應爐的容量

同一鐵水量，應當在正常生產條件下選擇多臺適當容量的爐子，既可以提高生產過程靈活性的可靠性，解決單臺大容量中頻感電爐由于事故引起的停產問題，又可以減小熔煉少量鐵水時因為容量過大達不到額定功率而引起的耗電量。

2.5 實施“列車時刻表法”分段冶煉時間管控

設置冶煉過程分階段的時刻表，準點率80%以上，不足80%實施考核。

3 結論

（1）以上措施綜合實施，節能效果顯著，平均冶煉電耗由729.25kW·h/t 降低到616.32kW·h/t，降低冶煉電耗102.93kW·h/t，實現冶煉成本降低61.76 元/t。

（2）以上措施綜合實施，實現了冶煉時間的降低與生產效率的提升。

（3）中頻感應電爐熔煉節能工作是一個系統工程，實施某一方面節能措施是不夠的，需要綜合應用各種技術與管理手段，并將技術節能與設備、管理節能進行有機結合，在工藝、設備和管理等方面進行綜合掌控，才能取得更好的節能效果。