中頻感應(yīng)電爐光學(xué)線圈保護(hù)系統(tǒng)裝置

天津一汽夏利汽車(chē)股份有限公司內(nèi)燃機(jī)制造分公司 （300380） 馬寶山 汪海峰 楊 彤

中頻感應(yīng)電爐爐襯是由各種耐火材料按一定比例配制打結(jié)而成。在長(zhǎng)期的熔煉生產(chǎn)過(guò)程中， 鐵液對(duì)爐襯壁不斷沖刷， 一段時(shí)期后鐵液會(huì)從遭侵蝕的爐襯壁裂縫中滲出， 如果達(dá)到上千度的高溫就會(huì)對(duì)感應(yīng)線圈和磁軛造成極大的破壞，嚴(yán)重時(shí)可引起爆炸，危機(jī)人身安全。因此，漏爐報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)置就顯得尤為重要。

本文總結(jié)了漏爐報(bào)警的幾種使用形式、原理及其優(yōu)缺點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上介紹一種先進(jìn)的、新穎的報(bào)警裝置——光學(xué)線圈保護(hù)系統(tǒng)，以作同行參考。

一、報(bào)警系統(tǒng)簡(jiǎn)述

一直以來(lái)，關(guān)于報(bào)警系統(tǒng)的具體分類(lèi)并沒(méi)有明確的定義，本文結(jié)合對(duì)熔化爐多年的應(yīng)用、調(diào)研，以及在企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐，將報(bào)警系統(tǒng)歸納為以下五大類(lèi)6種形式（見(jiàn)圖1）。

圖1 報(bào)警系統(tǒng)分類(lèi)

1.接觸式

該報(bào)警系統(tǒng)是較為傳統(tǒng)的形式，其原則上是通過(guò)測(cè)量爐襯的電阻及電流達(dá)到控制報(bào)警的目的。在爐襯的底部設(shè)置6～7 根不銹鋼絲與鐵液接觸，作為第一電極，在爐襯與感應(yīng)線圈側(cè)壁之間設(shè)置不銹鋼片作為第二電極。正常使用時(shí)， 電流表的讀數(shù)可反映爐襯沖刷程度， 隨著爐襯的沖刷， 爐襯的電阻也逐漸減小。在生產(chǎn)過(guò)程中，爐襯和石棉板都有較大的絕緣電阻， 電流表讀數(shù)值很小。一旦爐襯沖刷嚴(yán)重或由于操作不當(dāng)引起爐襯破裂，爐襯電阻會(huì)大幅度下降， 回路中電流表讀數(shù)急劇上升，可達(dá)數(shù)百毫安，系統(tǒng)可以在鐵液未接觸線圈之前通過(guò)接觸不銹鋼片發(fā)出報(bào)警。

接觸式報(bào)警系統(tǒng)在第一電極的設(shè)計(jì)上是一致的，但第二電極的形式不盡相同，包括不銹鋼板式結(jié)構(gòu)和報(bào)警片與云母一體式結(jié)構(gòu)等。

（1）不銹鋼板式結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)在20世紀(jì)80～90年代使用較為廣泛。80年代時(shí)最初的結(jié)構(gòu)為從線圈表面開(kāi)始布置玻璃絲布、石棉布、石棉板及云母板等多層材料，然后是不銹鋼板、石棉板、石棉布等（見(jiàn)圖2）。到90年代，隨著技術(shù)發(fā)展及改進(jìn)，爐壁結(jié)構(gòu)從感應(yīng)線圈向里依次為線圈漿料、云母、第二電極、石棉布及爐襯（見(jiàn)圖3）。在打爐時(shí)需加入一層約0.5mm厚的不銹鋼板，并做出引出線且用云母板絕緣帶包扎完好，不銹鋼板采用搭接方法鋪設(shè)，為防止斷裂或脫開(kāi)，用不銹鋼絲進(jìn)行連接。在鋪設(shè)時(shí)，需用脹緊圈使不銹鋼板緊貼感應(yīng)線圈內(nèi)壁，確保鋪設(shè)平整。

圖2 初期結(jié)構(gòu)

圖3 90年代結(jié)構(gòu)

為使作為第二電極的不銹鋼板便于彎折，令其可以圍繞爐壁鋪設(shè)，需將整塊不銹鋼板均勻地切成簾狀（見(jiàn)圖4），能較好達(dá)到使用要求。

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是漏爐時(shí)可以較好的保護(hù)線圈，90年代后，由于增加了一層漿料，減小了拆爐（尤其是人工拆爐）時(shí)對(duì)線圈的損壞，且由于在抹制漿料時(shí)有一定斜度，有利于機(jī)械自動(dòng)拆爐操作；不足之處是設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，筑爐較為繁瑣，不銹鋼板需要幾道脹緊工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，成本較高，并且要逐層加入筑爐材料，用時(shí)較長(zhǎng)，同時(shí)要特別注意第二級(jí)報(bào)警線連接和引出的質(zhì)量（見(jiàn)圖4），防止斷裂使報(bào)警失靈。

圖4 不銹鋼柵片

（2）報(bào)警片與云母一體式結(jié)構(gòu) 該結(jié)構(gòu)與不銹鋼板式結(jié)構(gòu)基本一致，只是第二電極將不銹鋼板換成0.1mm厚的非磁性不銹鋼片，并將不銹鋼片均勻粘在云母板上，報(bào)警片與云母形成一體式結(jié)構(gòu)。縱向排放的不銹鋼片間隔距離為5～10cm， 再在中間位置橫向交叉鋪一條不銹鋼片，確保使其與各縱向不銹鋼片保持良好接觸（見(jiàn)圖5）。

圖5 不銹鋼片

接觸式報(bào)警方式雖然行之有效，多數(shù)情況下能夠起到預(yù)報(bào)警的作用，提高了使用的安全性，但是可靠性并不高，經(jīng)常發(fā)生誤報(bào)警及報(bào)警失靈等現(xiàn)象，導(dǎo)致提前停爐、報(bào)廢爐襯的情況，影響正常生產(chǎn)。其中，第二電極引出線容易斷裂是導(dǎo)致報(bào)警失靈的一個(gè)主要原因。

2.感應(yīng)式

（1）原理 該漏爐保護(hù)裝置的基本原理是在未接地的感應(yīng)線圈和地之間加一個(gè)直流電壓， 通過(guò)一只毫安表來(lái)連續(xù)測(cè)量和顯示滲漏電流的大小。如果一旦出現(xiàn)滲漏電流超過(guò)設(shè)定值，則感應(yīng)線圈、鐵液、接地探針形成完整閉合回路，即發(fā)出聲光報(bào)警， 并使電爐電源停止運(yùn)行， 達(dá)到漏爐保護(hù)的目的。在這里可以把接地探針看作第一電極，而電爐接地電極中的漏電流，實(shí)際就是感應(yīng)線圈上中頻電壓施加在爐襯等效電阻上而產(chǎn)生的， 隨著爐襯壁不斷變薄， 其等效阻抗也隨之變小， 漏電電流不斷增大，因此可把感應(yīng)線圈當(dāng)作整個(gè)系統(tǒng)中的第二電極。

（2）具體形式 該報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電源裝置配有一套對(duì)安全熔煉和保溫操作至關(guān)重要的用于檢測(cè)電氣系統(tǒng)中低接地電阻的接地泄漏檢測(cè)器，它包括連接電源的接地檢測(cè)器模塊，以及接地泄露檢測(cè)器探頭、指示燈、毫安表等。在打爐時(shí)要確保爐底接地探針與爐料接觸或與導(dǎo)電性坩堝接觸即可（見(jiàn)圖6），爐底探針由直徑1～2mm的非磁性不銹鋼絲制成（具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7），通過(guò)爐底小孔引入。另外，需要在線圈漿料與爐襯之間鋪設(shè)一層云母紙，以起到在推出爐襯時(shí)減小摩擦的作用。

圖6 爐底局部

圖7 探針形式

（3）報(bào)警條件 接地探針與接地檢測(cè)器模塊配合工作（見(jiàn)圖8），檢測(cè)到感應(yīng)線圈中有任何異常接地現(xiàn)象時(shí)自動(dòng)切斷電源，漏爐報(bào)警信號(hào)在線圈與接地電阻小于1kΩ時(shí)發(fā)生，報(bào)警的必要條件是接地探針必須接觸鐵液，同時(shí)線圈上有施加的60V電壓，也就是說(shuō)泄露電流超過(guò)60mA時(shí)發(fā)生報(bào)警（見(jiàn)圖9），經(jīng)常包括如下三種情況：①金屬液滲過(guò)爐襯到線圈。 ②爐襯過(guò)于潮濕。③爐子或電源系統(tǒng)存在低的對(duì)地電阻。

圖8 正常狀態(tài)

圖9 報(bào)警狀態(tài)

這樣的感應(yīng)報(bào)警方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，筑爐容易，需要縝密的設(shè)計(jì)及成熟的技術(shù)加以支持，是一種比較先進(jìn)的報(bào)警形式，多被進(jìn)口設(shè)備廠家采用，國(guó)內(nèi)廠家較少涉及。

3.接觸感應(yīng)式

該結(jié)構(gòu)主要為日本富士電爐設(shè)計(jì)使用，通過(guò)電路原理（見(jiàn)圖10）可以看出，富士電爐有第一電極安裝在爐底，第二電極裝在線圈和爐襯之間，具體是將直徑1mm的不銹鋼絲做成100×100mm的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱報(bào)警網(wǎng)），當(dāng)金屬液通過(guò)破裂爐襯到達(dá)第二電極，爐底電極與不銹鋼絲網(wǎng)導(dǎo)通，報(bào)警回路電流迅速增加，達(dá)到報(bào)警設(shè)定值后，報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并切斷電源。該系統(tǒng)在實(shí)際使用中以接觸式效果為主，同時(shí)兼有感應(yīng)式的報(bào)警特點(diǎn)，因此被稱為接觸感應(yīng)式報(bào)警系統(tǒng)。這種形式在天津笠倉(cāng)等鑄造廠使用多年，壽命較長(zhǎng)，線圈漿料不易損壞，可長(zhǎng)時(shí)間使用，打爐時(shí)不再需要脹緊，效果較好。但是不銹鋼報(bào)警網(wǎng)的鋪設(shè)要求較高，抹制漿料的操作難度較大（見(jiàn)圖11）。

圖10 電氣原理

圖11 鋼絲結(jié)構(gòu)

4.感應(yīng)接觸式

通過(guò)報(bào)警的基本原理可知，如果接地的鐵液與線圈接觸，將觸發(fā)一個(gè)信號(hào)，從而關(guān)掉電爐，而此類(lèi)設(shè)計(jì)接地的可靠性可以通過(guò)所謂刺猬式線圈得以進(jìn)一步改善，將長(zhǎng)度10mm左右的圓柱銷(xiāo)探針通過(guò)銅焊以間距30～40cm焊到銅線圈上，通過(guò)線圈漿料將其覆蓋（見(jiàn)圖12），從而形成連續(xù)的、網(wǎng)格化的感應(yīng)監(jiān)控，其作用就是在滲透鐵液與線圈的破壞性接觸預(yù)先探測(cè)到鐵液的集聚，如果鐵液朝著線圈方向滲透進(jìn)入爐襯，那么感應(yīng)網(wǎng)格前方的爐襯溫度上升，電阻急劇下降，感應(yīng)點(diǎn)上的測(cè)量電流相應(yīng)放大（見(jiàn)圖13），從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)鐵液的集聚，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，切斷電源，保護(hù)線圈。

這種設(shè)計(jì)方式之所以被稱為感應(yīng)接觸式報(bào)警，是因?yàn)槠湓谠砩吓c感應(yīng)式報(bào)警相同，但在實(shí)現(xiàn)形式上兼有感應(yīng)式報(bào)警與接觸式報(bào)警的特點(diǎn)。一方面，它獨(dú)有的刺猬式探針系統(tǒng)可以通過(guò)對(duì)鐵液的感應(yīng)觸發(fā)報(bào)警；另一方面，如果鐵液鉆入接觸到探針也可以第一時(shí)間發(fā)出報(bào)警，從而保證不會(huì)損壞線圈，起到預(yù)保護(hù)的作用，其整套系統(tǒng)的制作較為繁瑣，成本也較高。

圖12 刺猬線圈

圖13 結(jié)構(gòu)形式

5.光學(xué)線圈保護(hù)系統(tǒng)

光學(xué)線圈保護(hù)系統(tǒng)OCP（Optical Coil Protection），是由LIOS與Otto Junker有限公司簽訂獨(dú)家的光纖溫度測(cè)量合同而得以開(kāi)發(fā)的，主要應(yīng)用在熔化和熱處理方面的設(shè)施。OCP系統(tǒng)是一個(gè)溫度測(cè)量和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由于它使用最新一代的光纖傳感器（見(jiàn)圖14），具有獨(dú)特的測(cè)量特性，在感應(yīng)熔煉領(lǐng)域的應(yīng)用中能很好地對(duì)坩堝進(jìn)行無(wú)干擾的監(jiān)測(cè)，所以這項(xiàng)技術(shù)可以非?？煽康貦z測(cè)到逐漸磨損的襯里，以及爐襯的缺陷，同時(shí)也是一種非常獨(dú)特的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有史以來(lái)第一次提供了爐襯表面的高解析的實(shí)時(shí)測(cè)量溫度分布，能夠測(cè)定感應(yīng)爐線圈內(nèi)部任意點(diǎn)的溫度場(chǎng)。

圖14 含有OCP系統(tǒng)的線圈

在實(shí)際應(yīng)用中，OCP系統(tǒng)主要包括：①OCP控制器，19in設(shè)計(jì)。②PC，包括調(diào)制解調(diào)器。③軟件模塊，它包含幾種不同功能：顯示爐子周?chē)惭bOCP傳感器電纜的位置及溫度，根據(jù)線圈的高度，最多同時(shí)在4個(gè)區(qū)域；據(jù)所選參考曲線顯示相關(guān)溫度偏離；顯示單獨(dú)測(cè)量點(diǎn)的時(shí)間/溫度梯度以及平均的溫度梯度；預(yù)設(shè)報(bào)警脫扣的限制值；溫度測(cè)量數(shù)據(jù)的記錄，以及在選定的時(shí)間期限定期記錄平均溫度。④OCP傳感器電纜，它安裝在爐子的永久性爐襯里。⑤帶光學(xué)插頭的光纖電纜與OCP控制器相連。

整個(gè)系統(tǒng)的特點(diǎn)是內(nèi)嵌入熔爐控制系統(tǒng)，感應(yīng)電纜是堅(jiān)固耐用且為惡劣環(huán)境而專業(yè)設(shè)計(jì)的，傳感器電纜安裝在電爐的永久性內(nèi)襯中，并因此暴露于高溫、強(qiáng)大的交變電磁場(chǎng)、連續(xù)振動(dòng)和腐蝕性氣體中。即使在這些最困難的條件下，獨(dú)特的傳感器電纜設(shè)計(jì)仍能提供可靠和準(zhǔn)確的溫度測(cè)量，且使用壽命長(zhǎng)。

除此以外，OCP系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

第一，防止誤操作對(duì)線圈損害引起的停機(jī)。

第二，避免對(duì)人身的嚴(yán)重傷害，保證最大的運(yùn)作安全。

第三，使得工作人員能夠完全控制整個(gè)過(guò)程，保證工廠熔化過(guò)程中的安全運(yùn)行。

第四，超高的分辨率和杰出的溫度準(zhǔn)確性，能夠提供滲漏的精確位置和耐火爐襯的磨損程度。

實(shí)際生產(chǎn)中，雖然配置OCP光學(xué)線圈保護(hù)系統(tǒng)而略微增加一點(diǎn)費(fèi)用，卻改善了熔化系統(tǒng)的整體環(huán)境，它可以通過(guò)連續(xù)的監(jiān)控，最終從“平均偏差”生成報(bào)警點(diǎn)，而在這個(gè)位置點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)了熔爐破裂、熔液滲漏的情況。經(jīng)過(guò)幾個(gè)熔爐工作周期，一旦確定了關(guān)鍵的最高溫度，OCP 系統(tǒng)可以提醒用戶定期更換耐火爐襯，從而更加有效地確保工作人員的安全。

二、實(shí)際生產(chǎn)中的注意事項(xiàng)

通過(guò)對(duì)不同形式報(bào)警系統(tǒng)的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，光學(xué)線圈保護(hù)系統(tǒng)作為不同于傳統(tǒng)報(bào)警方式的新型先進(jìn)技術(shù)，通過(guò)對(duì)整個(gè)爐壁進(jìn)行全面監(jiān)控，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)警，提供鐵液滲漏的精確位置，更重要的是它為操作者和管理者提供了爐襯的磨損程度預(yù)示，使工作人員可以完全控制金屬熔煉的整個(gè)過(guò)程，從而最大限度地保證了生產(chǎn)的安全。

另外，要做到有效預(yù)防中頻感應(yīng)電爐發(fā)生漏爐事故，除了要有良好的報(bào)警系統(tǒng)，也要重視提高爐襯的壽命，使用并維護(hù)完好的耐火爐襯，對(duì)安全操作感應(yīng)電爐是至關(guān)重要的。電感應(yīng)的物理性質(zhì)要求感應(yīng)線圈和熔池之間的耐火爐襯越薄越好，但同時(shí)它又必須有足夠的厚度來(lái)充分保護(hù)線圈，并且在面對(duì)熔融金屬、添加劑和機(jī)械沖擊的情況下能有效防止金屬液滲漏，因此保持爐襯的整體完好性是防止漏爐的關(guān)鍵。

但是，操作者千萬(wàn)不要以為安裝了有預(yù)報(bào)警性質(zhì)的漏爐檢測(cè)報(bào)警裝置就可以完全放心，而不去注意觀察爐體的變化，這樣的想法一定要從根本上徹底杜絕。因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，漏爐檢測(cè)報(bào)警裝置一旦報(bào)警，就表示爐體漏爐事故已經(jīng)發(fā)生，此時(shí)所謂的報(bào)警也僅起到提醒操作者避免事故擴(kuò)大的作用，卻并不能從根本上制止某些意外的發(fā)生。

三、結(jié)語(yǔ)

希望通過(guò)本文的介紹，可以引起國(guó)內(nèi)電爐使用廠家對(duì)報(bào)警系統(tǒng)的重視，從安全生產(chǎn)的角度考慮增加報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)置，同時(shí)建議相關(guān)電爐生產(chǎn)廠商可以考慮設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便的報(bào)警系統(tǒng)，應(yīng)用于尚未采用報(bào)警系統(tǒng)的廠家，從而使報(bào)警系統(tǒng)得到更加廣泛的推廣。

（20121226）