中頻感應熔煉電爐的電氣節(jié)能技術

孔祥平（山東精良海緯機械有限公司，山東　濟寧　272501）

中頻感應熔煉電爐的電氣節(jié)能技術

孔祥平
（山東精良海緯機械有限公司，山東濟寧272501）

摘要：簡要介紹了中頻感應熔煉電爐的特點和能量損耗，重點分析了電源頻率、電爐的容量、電爐功率、電源型式、控制系統(tǒng)、供電線路、變壓器和爐殼等方面的節(jié)能措施及其應用效果。

關鍵詞：中頻感應電爐；熔煉；節(jié)能；電氣

0　前言

中頻感應熔煉電爐是利用電磁感應原理將電能轉化為熱能，使金屬物料熔化的設備。中頻感應電爐勢必取代沖天爐冶煉，將成為鑄鋼、鑄鐵、以及合金鑄鐵的主要冶煉方式，它將提高冶煉水平和冶煉精度，減輕勞動強度，提高生產效率。

中頻感應電爐冶煉過程中，通過電磁感應將電能轉化為熱能，進而通過熱能將鋼鐵熔化，在這個能量的轉化過程中主要有以下幾種能量損失：

（1）電磁線圈本身的能量消耗，我們稱之為銅耗。

（2）電能轉化熱能的過程中，在爐體上的熱損失，稱之為爐耗。

（3）在爐口加料、熔化及出爐時，產生的熱輻射，稱之為輻射損耗。

（4）配電設備在電能傳送過程中，也要損失能量，我們稱之為附加損耗。

中頻感應電爐在工作過程中，一般僅有70-74%的能量用于爐料的熔煉，其它30-26%的能量通過我們上面說的各種途徑損失掉，其中銅耗高達13%，其次是7%的爐耗，其余的是附加損耗。

在電源頻率、電爐的容量、電爐功率、電源型式、控制系統(tǒng)、供電線路、變壓器和爐殼等方面采取節(jié)能措施，可以顯著降低上述能量損耗，提高電能的利用效率。

1　中頻電源的頻率、電爐容量、電爐功率和功率密度

中頻感應電爐熔煉時，爐料中的感應電流是依據集膚效應原理由表及里依次減弱的。電流強度降低到表面電流強度的36.8%的那一點到導體表面的距離稱為電流滲透深度。

電流滲透深度△t的計算公式：△t=5030×ρ?×μ?×f?

上式中：ρ-金屬爐料的電阻率，單位Ω·cm；

μ-金屬爐料相對磁導率；

f-中頻電源頻率，單位Hz。

中頻電源頻率越高，電流滲透深度越小，集膚效應越明顯。感應電流主要集中在爐料的滲透層內。熱量主要從爐料的表面層向爐料內部供給。為了使整個截面升到指定溫度，必須長時間加熱爐料，加熱時間長了爐料表層向周圍環(huán)境散失的熱量就增多，必然造成熱效率降低。特別是在低溫環(huán)境中加熱熔煉，更能明顯看到這一點。

為了獲得較高的電熱效率，對于不同容量的爐子要選擇合適的頻率。分析可知：當坩堝直徑與電流滲透深度之比為10左右時，中頻感應電爐的電熱效率最高。用下面的公式可以計算出電效率最高時的頻率f：f=2.5×109ρ×μ-1×d-2

上式中：d-坩堝內直徑，cm。

隨著爐子容量的增大，爐子表面積與體積之比減少，每噸容量的熱損失也減少。中頻感應電爐的額定溶化率越大，則每噸鐵水的平均耗電量越低。因此，為了降低能源消耗，應該盡量選用額定溶化率較高的電爐。通常電爐容量增加，功率也要增加。對于一定容量的爐子，功率增大時，爐子的功率密度也增大，熔化速度加快，熔煉時間縮短，單位電耗損失相應減少，熱效率提高。

但是電源功率提高時，電磁攪拌力也提高，加速對爐襯的損壞，影響鐵水質量，并且爐襯的使用壽命降低。所以感應爐的輸入功率的提高受到一定的限制。

電磁攪拌力的計算公式為：Fj=31600×ρ-?×f?×s×P

上式中：S-金屬爐料的表面積，單位cm2；

P-通過加熱金屬爐料轉換為熱能的部分功率，KW。

不同頻率下的電爐的功率密度的允許值：見表1。

表1　不同頻率下電爐的功率密度允許值

如果能夠適當地對中頻感應電爐的功率密度進行改造，那么就可以實現快速熔煉了。實踐證明主要從以下三個方面來實現這個目標。

（1）在電源配置足夠大的情況下，電爐容量和工作頻率不變，加大中頻電源柜的輸出功率，使功率密度為810-1010KW·t-1。在這種情況下，只要加大可控硅容量，還可以減小投資費用。改造后的熔煉時間由原來的89-119m in縮短到42m in左右。

（2）如果電源部分不能改動，那么我們只有從改善感應圈結構的辦法，保持功率密度為810-1010KW·t-1,也可以達到理想中的效果。

（3）電源控制柜功率如果不能改變，那么可以通過變換工作頻率，重新設計感應線圈的大小和匝數，同樣可以使它滿足功率密度在810-1010KW·t-1范圍。經過改造后的感應電爐的熔煉時間一般為42min左右。

2　中頻感應電爐的控制形式

由于適應各種不同的冶煉工藝需要，充分提高電源的利用率，和提高電源的效率。出現了各種中頻電源與電爐的控制方式。主要有以下幾種：

（1）一個控制柜帶兩個爐頭。它是通過在兩個爐子之間加一個轉化開關實現的。當一個爐頭作業(yè)時，另一個爐頭在進行澆注或維修，筑爐。在進行小工件多次澆注作業(yè)時，可以把向熔化作業(yè)電爐供電的電源短時間內切換到正在進行澆注的爐頭，使它快速升溫，用來補償長時間澆注造成的溫度降低。兩個爐頭交替作業(yè)可以保證澆注金屬液的澆注溫度恒定，提高了澆注精度。較高了電源輸出功率的利用率。

（2）兩臺電源柜（熔化電源和保溫電源）配兩個爐頭。這種方式是通過在兩個爐頭之間加一個轉化開關來實現的。該配置方式采用全橋整流式并聯逆變電源結構，轉換開關可以達到兩臺電爐交替與熔化電源和保溫電源相連接。電源切換是通過電動切換開關完成，操作方便，安全可靠性較高。不足之處是：保溫電源的工作頻率為了能與同一個線圈配合要稍高于熔化電源的工作頻率，這樣會影響到保溫爐的電磁攪拌力Fj變小。這種方式的電源功率利用率較高。

（3）一臺雙供電源柜配兩個爐頭。也稱之為一拖二，這種控制系統(tǒng)中的兩個電爐可以根據各自的工況選擇合適的功率；無機械切換開關，工作可靠性高；電源的輸出功率的利用率提高，可以實現大幅度提高電爐的生產率；因為以恒功率的方式輸出功率，所以電源輸出功率的利用系數提高；由于一個電源只需要一臺變壓器和水冷卻裝置，功率變壓器的安裝容量將減小，所以占用空間較小。這種方式比較節(jié)能，系統(tǒng)功率因數COS?＞0.95。是鑄造行業(yè)熔煉設備的發(fā)展方向。

（4）一臺電源柜配三個爐頭。也稱之為一拖三，該電爐的供電方式是電源同時向三個爐頭送電冶煉金屬；也可以由兩個爐頭正在熔煉而另外一個爐頭在保溫等待；或者一個爐頭熔煉兩個爐頭在保溫等待；也可以一個爐頭熔煉一個爐頭在保溫，另外一個爐頭停用，或在檢修。這種控制方式兼具了一拖二方式的全部優(yōu)點，而且還可以保證連續(xù)作業(yè)、使工作方式更靈活，還具有節(jié)能高效等特點，更能適合那些品種多、批量小、鑄件重量差異比較大的生產廠家。

3　供電線路

中頻電爐輸出的電功率主要可以分為兩方面：一方面在冶煉加熱過程中轉化成為熱能，這些能量是有用功；另一方面則以銅耗和附加損耗的形式損失在電爐的供電線路中，造成感應線圈發(fā)熱、水冷電纜發(fā)熱，熱量全部被冷卻水帶走，這些能量是無用功。

所以造成電爐的供電線路有銅耗和附加損耗的原因主要是：

（1）為了節(jié)省原材料普遍采用電流密度大于25A／mm2的制作方法來制作感應線圈和水冷電纜。我們進行實驗得出，熔煉電流大于控制電源輸出的中頻電流的10倍左右（電容全并聯式），所以在工作中造成感應線圈、水冷電纜自身發(fā)熱，溫度過高，許多電能轉化為熱能，從而由循環(huán)水帶散失掉，造成電能的無功損失。

（2）為了降低電爐的制造成本采用相對低廉的紫雜銅，來做電力電纜原料，這樣必然造成配電線路的電抗增大，降低供電效率。

（3）感應線圈冷卻循環(huán)水的溫度高時，感應線圈電阻增大，致使銅耗增大；當冷卻水循環(huán)通道集結大量水垢，造成水循環(huán)不暢通時也會使感應線圈溫度升高，電阻增大，造成銅耗增大。

（4）由于各種原因，造成電爐的運行頻率不合理，造成冶煉時間加長，線路損耗加大，爐體向周圍環(huán)境散失熱量較多，必然造成整個電源熔煉系統(tǒng)的效率降低。

要想解決上述問題我們必須采取以下措施，減小電爐的供電損耗，節(jié)約電能。

1）增大感應線圈和水冷電纜的直徑，這樣將大幅度降低它的電流密度，減小供電線路的電能損失，也有助于降低感應線圈、水電纜的工作環(huán)境溫度，降低水垢形成。

感應線圈在t℃時的消耗電功率如下公式得出：

W=I2R×10-3=I2P20L/A×[1+α（t-20）]

上式中W—感應線圈耗電功率，KW；

I—負荷電流，A；

R—感應線圈20℃時的電阻率，Ω·m2.2×10-8；

L—感應線圈長度，m；

A—感應線圈截面積，m2；

P20—銅20℃時的電阻率，Ω·mm2·m-1；

α—電解銅的電阻溫度系數，4.3×10-3/℃。

2）降低水循環(huán)的溫度。感應電爐在熔煉過程中，感應線圈和水冷電纜的溫度升高，感應線圈和水冷電纜的電阻將隨溫度的升高而增大，導致電耗增加。

電阻隨溫度變化的關系是：

RT=[1+α(T-20)]R20

上式中：RT—溫度上升到T℃時線圈的電阻值，Ω；

R20--20℃時電解銅的電阻值，1.75×10-8Ω；

α—電解銅的電阻溫度系數，4.3×10-3/℃；

3）減少水垢對水循環(huán)冷卻效果的影響。我們采用蒸餾水進行水冷，這樣就避免了在高溫下水中各種金屬鹽在水冷管道上沉積下來，形成導熱性極差的水垢。水垢沉積在管路內壁，造成循環(huán)水通道截面積變小，影響水流速度。

4）選用純度較高的銅質線圈和水冷電纜。

通過大量實驗得知：電阻率由于雜質含量的高低變化成雙曲線規(guī)律變化。其變化結果大概情況如下表2所示。

表2

從上表中可以看出，含雜質0.06%的紫雜銅的電阻率是1.517×10-3Ω·mm2·m-1，而含雜質0..20%的紫雜銅的電阻率是2.1×10-3Ω·mm2·m-1，電阻率提高33%之后。電阻率與配電線路的電阻變化成正比例關系，它損耗的電能與供電線路的電阻成正比，供電線路每小時耗電能大概增加33%，約25千瓦，占總輸出功率的6%。優(yōu)質的高純度銅管的表面顏色發(fā)亮，而劣質的銅管發(fā)黑偏硬，所以選材時應特別注意區(qū)分。

4　變壓器

側的輸出電壓在660～800V之間。在輸出電壓是650V，輸出功率恒定時，那么中頻感應電爐的工作電流和原來380V時相比較將減小為原來的0.6倍，銅損降低到原來的1/3，減小了變壓器本身的熱量損失，變壓器線圈在高溫工作時電阻也將升高，散熱系統(tǒng)的負擔減小，系統(tǒng)工作溫度降低，節(jié)能效果非常明顯。

另外在中頻電爐空載時間較長時，可以拉閘斷電，停止變壓器的空運行，也有利于節(jié)能降耗。

5　爐殼

鋼殼爐由于具有耐久性強、效率高、生產率高而且噪音小、易于維修等許多優(yōu)點，近幾年來得到交快的發(fā)展，鋼殼爐的磁厄對線圈產生的磁力線具有屏蔽和反射作用，可以減少漏磁，提高生產率，能夠節(jié)能5～10%左右。鋼殼爐的使用壽命較長在10年以上。

中頻感應熔煉電爐的節(jié)能是一項系統(tǒng)化工程，需要我們工程技術人員長期系統(tǒng)地總結改造，綜合利用各方面技術方法，把節(jié)能技術改造和提高管理水平有機的結合為一體，只有這樣我們才能立竿見影，取得良好的節(jié)能改造效果。

參考文獻：

[1]童軍,章舟. 鑄鐵感應電爐熔煉及應用實例[J].化學工業(yè)出版社,2008.

[2]張伯明.國內外鑄造的節(jié)能降耗(中)[J].金屬加工(熱加工),2010(21):71-73.

[3]中頻感應爐生產的節(jié)電途徑[J].鑄造設備研究,2005(04):25-27.

作者簡介：孔祥平(1972-)，男,山東汶上人，本科，工程師，設備科長，研究方向:中頻電爐的節(jié)能改造和結構設計。