中頻感應(yīng)爐結(jié)構(gòu)選擇及節(jié)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(lián)合電爐工程技術(shù)中心，陜西 西安 710061；3.中冶電爐工程技術(shù)中心，陜西 西安 710061)

沖天爐在以往的鑄造生產(chǎn)、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(huán)保政策要求現(xiàn)已逐步被淘汰。中頻感應(yīng)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(jié)約能源、節(jié)省成本、提高生產(chǎn)效率、凈化車間環(huán)境等。在鑄鐵工藝過(guò)程中，若用沖天爐得到的鐵液往往含硫量較高[1-2]。

機(jī)械設(shè)備和電氣設(shè)備是中頻感應(yīng)爐的兩大主要組成部分。傾爐機(jī)構(gòu)和水冷系統(tǒng)屬于比較重要的機(jī)械設(shè)備，而中頻電源、電氣控制保護(hù)系統(tǒng)及補(bǔ)償電容組是中頻感應(yīng)爐的核心電氣設(shè)備。不同的系統(tǒng)參數(shù)、選型將直接關(guān)系到熔煉裝置的能力、效率及指標(biāo)，因此，正確地選擇熔煉設(shè)備配置參數(shù)，對(duì)生產(chǎn)的綜合效益影響很大，在選擇中頻感應(yīng)熔煉爐結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)全面考慮投資預(yù)算、產(chǎn)能要求、質(zhì)量參數(shù)、綜合效益等各項(xiàng)基礎(chǔ)指標(biāo)，設(shè)備投產(chǎn)后的綜合效益是根本依據(jù)。

1 中頻感應(yīng)爐用電條件及產(chǎn)能要求

1.1 中頻感應(yīng)爐進(jìn)線電壓

一般情況下，若中頻電源的功率小于1 000 kW，應(yīng)遵循三相五線制，即采用工業(yè)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)線電壓。大功率中頻電源會(huì)產(chǎn)生干擾電網(wǎng)的諧波，選擇十二脈沖雙整流是為了提高進(jìn)線電壓從而提高額定工作電壓，與此同時(shí)獲得較為平整的直流電流[2]。必要時(shí)，在輸入端配置諧波濾波和功率因數(shù)補(bǔ)償設(shè)備或靜止無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備(SVC)等，以滿足電網(wǎng)的電能質(zhì)量要求。此處要強(qiáng)調(diào)的是，如果選用480 V、575 V或690 V等非標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)，將會(huì)為后期零配件的選擇帶來(lái)困擾，是不可取的。

進(jìn)線電壓是相對(duì)而言地，并不是越高越好。如果一味通過(guò)高電壓低電流實(shí)現(xiàn)節(jié)能，將會(huì)導(dǎo)致銅排線纜疲乏，設(shè)備及電子元器件壽命縮短。

1.2 中頻感應(yīng)爐變壓器容量

基于功率因數(shù)和安全余量，整流變壓器容量應(yīng)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(lián)逆變中頻電源是目前國(guó)內(nèi)感應(yīng)熔煉行業(yè)普遍使用的，其變壓器容量大約是電源功率的1.2倍。

對(duì)于IGBT半橋串聯(lián)逆變中頻電源，其既具有高輸入阻抗，也具有低導(dǎo)通壓降，且穩(wěn)定、節(jié)能?！耙煌隙奔锤鶕?jù)生產(chǎn)要求一臺(tái)爐子用于熔煉，一臺(tái)用于保溫，這有利于提高電氣設(shè)備的利用率和生產(chǎn)效率。當(dāng)兩臺(tái)爐體同時(shí)工作時(shí)，此時(shí)的變壓器容量能夠達(dá)到中頻電源功率的1.1倍，相對(duì)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(jī)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(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生干擾[2-4]。

1.3 中頻感應(yīng)爐產(chǎn)能要求

一般而言，通過(guò)日需鐵液質(zhì)量和單件產(chǎn)品質(zhì)量，可以確定中頻感應(yīng)熔煉爐的總?cè)萘?，從而根?jù)總?cè)萘窟x擇合適的中頻電源。因感應(yīng)加熱設(shè)備屬于非標(biāo)產(chǎn)品，目前遵循行業(yè)慣例，感應(yīng)熔煉行業(yè)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(yè)慣例，感應(yīng)熔煉爐功率與總?cè)萘恐确Q為感應(yīng)爐的功率密度。功率密度也是中頻感應(yīng)熔煉爐的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其理論最佳值一般為600～800 kW/t。由中頻電源選型配置表計(jì)算可知：行業(yè)普遍的選型配置，其功率密度相對(duì)理論最佳值而言偏低。

爐體容量一定時(shí)，功率密度越低，則熔化工時(shí)越長(zhǎng)，熔化效率越低。因此，在爐體總?cè)萘坎蛔儠r(shí)，若將功率密度提高100 kW/t及以上，則每爐次熔化時(shí)間將大大縮短。然而，較高功率密度會(huì)產(chǎn)生劇烈地電磁攪拌，這將導(dǎo)致設(shè)備和爐襯的壽命大打折扣。因此，企業(yè)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(huì)大大提高。

2 中頻感應(yīng)爐結(jié)構(gòu)的選擇

2.1 中頻感應(yīng)爐爐殼選擇

爐體整體剛性、漏磁影響、線圈性能、水路監(jiān)測(cè)和漏爐報(bào)警等問題是設(shè)計(jì)中頻無(wú)心感應(yīng)爐時(shí)需要考慮的關(guān)鍵點(diǎn)，并針對(duì)這些問題制定可靠有效的安全措施。根據(jù)不同工序靈活調(diào)節(jié)變頻裝置的輸出功率，按照工藝要求調(diào)節(jié)各爐子的功率分配。水冷電纜的連接結(jié)構(gòu)也應(yīng)確保導(dǎo)電良好、無(wú)水泄露、連接可靠等[5]。按照感應(yīng)熔煉行業(yè)慣例，以液壓缸為傾爐裝置的鋼結(jié)構(gòu)感應(yīng)熔煉爐稱之為鋼殼爐；同樣的，以減速機(jī)為傾爐機(jī)構(gòu)的鋁合金結(jié)構(gòu)感應(yīng)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(qū)別如表2所示。

表2 鋼殼爐與鋁殼爐的區(qū)別

由表2可以發(fā)現(xiàn)，鋼殼爐堅(jiān)固耐用、安全可靠、壽命長(zhǎng)、能耗低并且配備由矽鋼片制成的磁軛。感應(yīng)線圈工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量磁力線，但部分磁力線會(huì)通過(guò)爐殼發(fā)散出去，即漏磁。因鋼殼爐具有磁軛結(jié)構(gòu)，可有效地對(duì)磁力線屏蔽和發(fā)射，從而減少漏磁，使感應(yīng)熔煉熱效率大大提高。鋁殼爐雖成本低廉，但其傾爐機(jī)構(gòu)安全性能較差，爐殼在高溫下易發(fā)生氧化、變形，造成金屬韌性疲乏甚至爐殼出現(xiàn)裂痕。

對(duì)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(jià)格較為低廉，作者認(rèn)為只圖價(jià)格低廉，忽略安全、能耗、壽命的選擇是不可取的。

上文說(shuō)到，鋼殼爐的磁軛結(jié)構(gòu)可以有效地減少漏磁，因此，鋼殼爐結(jié)構(gòu)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(yīng)具有明顯的高導(dǎo)磁率和Z11取向。安裝時(shí)，應(yīng)由兩側(cè)的不銹鋼夾緊并焊接固定，當(dāng)工藝需要時(shí)可配備水冷裝置。設(shè)計(jì)磁軛時(shí)，其形狀、結(jié)構(gòu)、截面積和尺寸應(yīng)能屏蔽磁力線減少漏磁、防止?fàn)t殼發(fā)熱，同時(shí)應(yīng)有利于硅鋼片的冷卻和散熱、減少噪聲和可靠支撐感應(yīng)線圈。磁軛的設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮感應(yīng)線圈的拆裝、維修和觀察是否方便。磁軛內(nèi)弧面弧度與感應(yīng)線圈外弧面弧度相同，此時(shí)磁軛正好緊貼于感應(yīng)線圈外側(cè)面，并且能夠最大限度地屏蔽磁力線發(fā)散，減少漏磁[2-3]。

2.2 中頻感應(yīng)爐爐襯的選擇

感應(yīng)加熱設(shè)備的爐襯是保障裝置可靠、耐用和節(jié)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(yīng)具有較好的耐火度和保溫性能，與此同時(shí)還應(yīng)有較高的機(jī)械強(qiáng)度、較小的膨脹系數(shù)、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、電氣絕緣性能及耐急冷急熱性能。合理的爐襯厚度設(shè)計(jì)可在一定程度上減少熱損失，提高熱效率，但也不能過(guò)度蓄熱，否則將導(dǎo)致感應(yīng)加熱電效率降低。一般采用低蓄熱量、熱導(dǎo)率的耐火纖維、泡沫輕質(zhì)磚和納米孔硅質(zhì)材料等。值得注意的是，選擇爐襯材料時(shí)，應(yīng)避免加熱元件、熔液或爐內(nèi)特殊氣氛與直接接觸的爐襯發(fā)生反應(yīng)[5-6]。

2.3 中頻感應(yīng)爐銅管、銅排及可控硅選擇

可控硅整流元件簡(jiǎn)稱可控硅，可控硅是具有三個(gè)PN結(jié)、四層結(jié)構(gòu)的大功率半導(dǎo)體器件，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能性強(qiáng)、體積小，又稱為晶閘管。然而不同廠家生產(chǎn)的可控硅產(chǎn)品，其質(zhì)量和壽命一般是參差不齊的。質(zhì)量良好的可控硅具有高的溫度敏感度，快速響應(yīng)且故障率低。由此，建議選擇知名廠家生產(chǎn)的可控硅產(chǎn)品，不僅質(zhì)量可靠有保障，而且性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)。

不同規(guī)格型號(hào)的感應(yīng)線圈冷擠壓銅管和銅排其價(jià)格、效果和壽命各不相同。按照行業(yè)慣例，感應(yīng)線圈導(dǎo)體所用材質(zhì)應(yīng)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(jìn)行絕緣處理，絕緣等級(jí)至少應(yīng)達(dá)H級(jí)。

一般為保護(hù)銅管的絕緣強(qiáng)度，可在其表面纏繞包扎一層無(wú)堿玻璃絲帶或云母帶，有需要時(shí)還可噴涂防潮絕緣瓷漆?？紤]到感應(yīng)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(yīng)爐電源柜、電容、電抗的選擇

中頻感應(yīng)爐電源柜也是比較重要的電氣設(shè)備之一，中頻電源內(nèi)部應(yīng)裝有短路保護(hù)的低壓開關(guān)。選擇電源柜時(shí)，各電氣參數(shù)應(yīng)緊扣生產(chǎn)工藝需要，尺寸、規(guī)格也應(yīng)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

電容器的作用主要是進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，因此必須配備滿足要求的電容器組。按照行業(yè)慣例，一般電容補(bǔ)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(yīng)選用正規(guī)廠家生產(chǎn)的全新的硅鋼片產(chǎn)品，不能使用二手硅鋼片。

成套的中頻感應(yīng)爐設(shè)備中，往往有大量的連接型水管，連接水管嚴(yán)格的講應(yīng)該用不銹鋼材質(zhì)制作。銅制的活結(jié)安裝、拆卸較為方便，基本上不需維護(hù)，且有利于電流傳輸而且不會(huì)發(fā)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(guān)系到設(shè)備整體的質(zhì)量。對(duì)企業(yè)來(lái)講，由元器件選擇不當(dāng)埋下的安全隱患最為致命。因此，企業(yè)在前期選擇購(gòu)置配套設(shè)備時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注零配件的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量，而不是忽略質(zhì)量聚焦低價(jià)，否則將會(huì)為后期的生產(chǎn)和維護(hù)留下隱患。

3 中頻感應(yīng)爐節(jié)電途徑

本節(jié)根據(jù)中頻感應(yīng)爐的生產(chǎn)特點(diǎn)，從配料裝料、熔煉時(shí)間、熔煉操作、供電方式等方面探討中頻感應(yīng)爐生產(chǎn)過(guò)程節(jié)電途徑與措施。

3.1 合理配料

感應(yīng)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(jìn)行配料計(jì)算，合理搭配爐料，這樣可以避免因爐料成分混雜使鋼液報(bào)廢或重新調(diào)整爐料成分。若盲目配料、加料熔煉，不僅會(huì)使鋼液雜質(zhì)含量升高，而且將導(dǎo)致熔煉工時(shí)增長(zhǎng)，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(yè)方式

中頻感應(yīng)爐熔煉電耗與生產(chǎn)方式有很大的關(guān)系。感應(yīng)爐的工作方式分為三種，連續(xù)作業(yè)、斷續(xù)作業(yè)和間歇作業(yè)。眾所周知，連續(xù)熔煉作業(yè)其電耗是最低的，斷續(xù)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(yè)應(yīng)盡可能連續(xù)作業(yè)，延長(zhǎng)熱爐熔煉時(shí)間，以達(dá)到節(jié)電效果。連續(xù)熔煉爐次多、總時(shí)間長(zhǎng)，在產(chǎn)量一定時(shí)，冷爐熔煉頻率低、次數(shù)少，也有利于延長(zhǎng)爐襯壽命。

3.3 合理進(jìn)行熔煉操作

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

加料時(shí)，應(yīng)盡可能地保持鋼液溫度，為了避免溫度差造成鋼液結(jié)殼，爐料應(yīng)采用少量多次的方式加入，同時(shí)應(yīng)積極搗料，防止出現(xiàn)“駝峰”、“搭棚”，否則爐內(nèi)溫度局部過(guò)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(yīng)加強(qiáng)造渣并合理利用。

合理的供電方式也必不可少。剛通電時(shí)往往存在電流沖擊的現(xiàn)象，導(dǎo)致電能利用率低。可先以六成功率加熱，等電流沖擊停止后，快速調(diào)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(dá)到節(jié)電效果[8]。

4 結(jié) 語(yǔ)

中頻感應(yīng)爐因投資少、回報(bào)快及熱效率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛運(yùn)用于熔煉工藝。然而感應(yīng)熔煉高電耗一直是眾多企業(yè)備受關(guān)注的問題，也是感應(yīng)熔煉行業(yè)亟待解決的節(jié)能焦點(diǎn)問題。文章淺析了中頻感應(yīng)爐的用電條件、產(chǎn)能要求、結(jié)構(gòu)選擇方案，以及從筑爐材料、供電制度、配料裝料、熔煉時(shí)間和熔煉操作等方面提出了幾條了節(jié)電建議。因筆者經(jīng)驗(yàn)有限，文章所述僅供參考。