鑄造工業(yè)的感應加熱

李韻豪

應達（中國） 供圖

第五講 感應熔煉電爐設計和感應器參數計算（下）

編者按：本刊從2020年第1期開始連續(xù)12期連載李韻豪撰寫的《鑄造工業(yè)的感應加熱》系列講座，主要涉及目前鑄造工業(yè)應用最多的中頻無心感應電爐，介紹各類鑄鐵、鋼，以及有色金屬中鋁、銅及其合金感應熔煉爐和保溫爐的選型，電爐的設計以及感應器參數的計算；金屬坩堝、石墨坩堝的設計以及感應器參數的計算；專題討論感應電爐的供電系統(tǒng)及變頻電源主電路的計算、諧波治理和功率因數提高問題；各類無心感應電爐的耐火材料、筑爐工藝、感應電爐循環(huán)水系統(tǒng)的設計；感應電爐的環(huán)境因素、電氣電磁安全防護、環(huán)境保護問題等，內容濃縮了作者幾十年的寶貴從業(yè)經驗，對鑄造工廠感應電爐熔煉設備的規(guī)劃、選型、操作、維修和管理，提供非常實用的參考與借鑒，敬請關注。

6 感應熔煉電爐的爐襯

爐襯是感應器線圈與被熔金屬之間的填充物，是感應熔煉電爐的一個重要部件。

GB/T 10067.1—2019《電熱和電磁處理裝置基本技術條件 第1部分：通用部分》第5.1.6條中規(guī)定：爐襯所用材料和制品除應具有必要的耐火度和保溫性能外，還應有較高的機械強度、較好的耐急冷急熱性能、良好的電氣絕緣性能、較小的熱膨脹系數、足夠的化學穩(wěn)定性和良好的施工性能。爐襯的厚度應合理，以減少熱損失，提高熱效率，又不過度增加其蓄熱量和降低感應加熱的電效率。它們應根據使用條件合理選擇并分別符合其產品標準的規(guī)定。在條件適用時，應盡量采用低熱導率和蓄熱量的耐火纖維、納米孔硅質材料制品和泡沫輕質磚等。與熔體直接接觸的爐襯部分，在使用中應相互不起反應。GB/T 10067.31—2013《電熱裝置基本技術條件 第31部分：中頻無心感應爐》的第5.2.4條坩堝及其爐襯中規(guī)定：爐襯的搗筑、烘烤和燒結等應嚴格按耐火材料廠商提供的工藝操作；爐襯厚度應符合設計尺寸。

6.1 爐襯的結構

（1）爐襯 爐襯從被熔金屬到感應器線圈分為兩層：耐火層和絕緣層。但目前國內多數廠家在耐火層和絕緣層之間還有用石棉布充當“隔熱層”。

耐火層由耐火材料打結經烘烤、燒結形成。耐火材料過去定義為耐火度不低于1580℃的一類無機非金屬材料，但后來人們發(fā)現僅憑耐火度并不能全面描述耐火材料的特性。當前定義：凡物理與化學性質允許其在高溫環(huán)境下使用的非金屬材料（并不排除含有一定比例的金屬）稱為耐火材料。耐火材料的定義在行業(yè)中并不統(tǒng)一。例如，美國標準：根據其化學與物理性質可以用它來制作暴露于溫度高于538℃環(huán)境中的結構與器件的非金屬材料；日本標準：能在1500℃以上溫度下使用的定形耐火材料以及使用溫度為800℃以上的不定形耐火材料、耐火泥漿與耐火隔熱磚。

“隔熱層”處于耐火層與絕緣層之間，采用比打結料的熱導率更低、蓄熱量更少的材料，出發(fā)點是為了減薄爐襯，減少打結料的消耗，彌補耐火層耐火材料阻熱能力不足，便于筑爐時固定漏爐報警用不銹鋼絲網制成的“第二電極”，便于用爐襯頂出機構拆解爐襯。目前，國內多數鑄造廠筑爐仍在使用石棉布（這種由石棉纖維紡織而成的布，石棉含量大于96%，一般厚度1～3mm）。由于石棉在加工過程中的粉塵能引起肺、胸膜間皮瘤等疾病，國際癌癥研究中心（IARC）早已將其定為致癌物。我國已禁止使用閃石類石棉，國內全面禁用石棉類制品只是時間問題。由于石棉布韌性較差，筑爐時很容易破損。更重要的是，耐火層與絕緣層之間有了隔熱層后，由于隔熱層的熱導率低，使燒結后的耐火層（從液態(tài)爐料由內到外分為燒結層、半燒結層、未燒結層）的溫度梯度發(fā)生改變，會引起與絕緣層及感應器線圈相鄰的未燒結層厚度減小。液態(tài)爐料溫度越低，對溫度梯度的影響越大。未燒結層厚度減少，會使爐襯耐火層壽命縮短，給爐子使用帶來安全隱患。實際上，除非某些高溫合金需要采用低熱導率的隔熱層外，只要爐襯的耐火層厚度按規(guī)范設計，無論是酸性、堿性還是中性耐火材料，其熱導率足以隔熱，即使是高溫合金，主要起隔熱作用的也還是耐火層，“隔熱層”也只起一個輔助作用。

絕緣層采用云母紙，其介電強度8kV/mm，熱導率0.2W/（m·K），使用溫度上限約900℃，厚度一般0.3～0.5mm。絕緣層緊貼已均勻涂抹耐火膠泥的感應器線圈，它主要作用是增強爐襯的電絕緣，防止感應器線圈“漏電”。由于它較薄，對耐火層的溫度梯度不會產生影響。另外，這層云母紙韌性較好，便于爐襯頂出機構拆解爐襯。

（2）耐火膠泥涂層 為使線圈整體化，支撐感應器線圈，增強絕緣，并吸收振動，防止其在使用及在拆除爐襯時變形，尤其是對有頂出機構的爐體，為導向和防止線圈被擦傷、損壞線圈表面的絕緣層，在感應器線圈內表面涂覆一層稱之為“耐火膠泥”的線圈漿料。耐火膠泥以致密電容剛玉為骨料，基質中加入活性氧化鋁粉，以純鋁酸鈣水泥作為結合劑。如采用推出機構拆除舊爐襯時，耐火膠泥涂層應做成上大下小“倒錐形”內表面，將加水攪拌好的涂料嵌入線圈匝間。

耐火膠泥涂層平均厚度10～20mm。耐火膠泥涂覆工作一般在生產廠出廠前完成，在鑄造廠現場筑爐前需測量耐火膠泥涂層對地絕緣電阻（應不小于2MΩ）。耐火膠泥涂層是爐襯安全的最后一道屏障。作為爐子的永久襯，其使用壽命幾乎可以與感應器線圈相同，每次重新筑爐前檢查并對破損局部稍加修補即可[17，18]。

6.2 爐襯耐火層對耐火材料的要求

感應熔煉電爐爐襯的兩邊——金屬液與感應器線圈之間有一定的電壓差（通常為幾十到數百伏特），因此要求耐火層的耐火材料必須有一定的絕緣性能。但它的絕緣電阻也不能太大，否則會使磁力線穿過耐火層時產生更多的磁損。因此，在保證一定絕緣電阻的情況下，耐火材料的電阻可以小些。原則是：既保證不被電擊穿，又能滿足提高電效率的要求。因為耐火材料一旦確定，該材料的電阻率就定了，耐火層絕緣電阻的大小只與耐火層的厚度有關，所以應合理確定爐襯耐火層的厚度，以阻擋液態(tài)爐料的高溫，保證爐襯能安全工作，同時也是為了保證它有合適的絕緣電阻值。

耐火層的工作條件十分惡劣，因此耐火材料必須具備以下條件：礦物學上晶相性能優(yōu)良，具有足夠高的耐火度和高溫強度；熱膨脹系數小，無異常膨脹，不易剝落、龜裂；與熔融金屬、爐渣、精煉劑及其他在熔煉時存在的物質不易產生化學反應；能經受住熔液高溫沖刷；能承受熔液高溫時的壓力和機械磨損以及加料時產生的沖擊吸收能量；抵抗電磁振動力（菲利浦公司曾測量線圈的振動值，發(fā)現爐襯產生裂紋、開裂、影響壽命的關鍵是振幅的大?。?；不會對熔液有冶金方面的不良影響，易施工，易修補，燒結性能好，資源儲量豐富以及價格低廉等。

6.3 爐襯耐火層用耐火材料的分類

感應熔煉電爐爐襯耐火層用的耐火材料一般分為酸性、堿性、中性耐火材料。這樣分類是根據耐火材料與酸性、堿性熔渣反應情況來劃分的。

酸性耐火材料通常指酸性氧化物（硅砂）的SiO2含量大于93%的耐火材料，它的主要特點是在高溫下能抵抗酸性熔渣的侵蝕，但易于與堿性熔渣起反應。

堿性耐火材料指堿性氧化物（鎂砂），如氧化鎂或以氧化鎂和氧化鈣為主要成分的耐火材料，此類材料耐火度較高，純氧化鎂的熔點高達2570℃，抵抗堿性熔渣能力強。

在高溫下與酸性或堿性熔渣都不易起明顯反應的耐火材料是中性耐火材料，如以中性氧化物Al2O3為主體的耐火材料。石墨類坩堝也往往歸類于中性耐火材料。

不同材質的爐料使用不同的耐火材料，除了與熔煉工藝、溫度等特性有關外，還與爐料的元素含量有關。

熔煉不要求去除S、P的碳素鋼、低合金結構鋼及高硅鋼等，宜采用酸性耐火材料，這是因為硅砂取材方便，價格較低廉，且坩堝使用壽命也比堿性耐火材料高很多。當要求合金中的S、P含量較低時，則必須使用堿性耐火材料爐襯，為減少S、P含量創(chuàng)造高堿度條件。

用酸性耐火材料會在鋼中熔有細小的SiO2夾雜，使合金的塑性、韌性指標下降，故熔煉高鉻、高鎳鋼以及鎳基合金時要選用堿性耐火材料。熔煉高錳鋼用的耐火材料也不能用酸性耐火材料，由于錳的氧化物為堿性，因此與SiO2產生易熔硅酸鹽，會嚴重減少爐襯的使用壽命。高鎢鋼、不銹鋼以及某些特殊鋼也都要使用堿性耐火材料爐襯。熔煉與氧親和力比硅強的鋼或合金時，活性元素將酸性耐火材料和爐渣中的SiO2還原出來而進入合金中，坩堝腐蝕嚴重，因此熔煉此類含活性材料的鋼或合金時都要選擇堿性耐火材料。

有色金屬中銅、鋁及合金的化學活性很強，易與耐火材料發(fā)生反應，滲透性好，因此應采用以Al2O3為主要成分的中性耐火材料。高溫不銹鋼、高熔點高合金鋼，還有某些特殊鋼、合金等掛渣較嚴重的爐襯，也宜采用中性耐火材料[19-21]。

6.4 筑爐、爐襯耐火層的燒結

（1）感應熔煉電爐的筑爐 感應熔煉電爐的爐底、爐蓋、爐領、爐嘴及爐襯的耐火層應分別采用不同的耐火材料，筑爐前首先確定不同部位耐火材料的數量。爐底等部位由于形狀簡單，因此較好確定。爐襯耐火層用料數量較大，且爐襯壁厚不同，并帶有錐度，給確定耐火材料的用量帶來困難。

爐襯耐火層用料可用公式（56）計算：

式中 G ——耐火層打結料重量（kg/m）；

D21——爐襯平均直徑（即坩堝鋼模外徑，mm）；

δ2——耐火層平均壁厚（mm）。由于耐火層帶錐度，其壁厚上薄下厚，這里取其平均壁厚；

K——調節(jié)系數，計算出的耐火材料用量與實際用量之比。經過不同爐容數次記錄的結果，K值就可以總結出來；

γ——耐火層打結料的體積密度(g/cm3）。

需說明的是，由于耐火材料都有氣孔，包括全部氣孔在內的單位體積耐火材料的質量，就是該材料的體積密度。廠家提供的耐火材料密度，一般都是體積密度。不同成分耐火材料的體積密度不同（一般在3g/cm3左右），可由廠家提供。致密耐火澆注料的體積密度測定按YB/T 5200—1993執(zhí)行（黑色冶金行業(yè)標準）。該標準現行在用，2015年復審。

按式（56）計算出的是耐火層每米的用量，再乘以爐襯的高度，耐火層用料的總質量就計算出來了。

（2）爐襯耐火層燒結工藝 對新打結爐襯耐火層燒結的目的是減小體積變化率，提高致密性，使其具有較高的強度。

耐火層燒結可使室溫下耐火材料的接觸面出現液相熔合，以形成連續(xù)的燒結致密體。燒結的熱源一般由坩堝鋼模加熱供給。經過燒結后的爐襯耐火層，其繞結結構從金屬液由內到外可分為燒結層、半燒結層、未燒結層，如圖8所示。燒結溫度-時間曲線一般由耐火材料廠家提供。燒結層是耐火層的工作層，直接與爐料熔液及熔渣接觸，受其侵蝕及沖刷。因急冷急熱變化造成的爐體脹縮產生的內應力和金屬熔煉的靜壓力也施加在這一層面，因此要求燒結層強度相對要高、密度要大。燒結層的顆粒之間應全部熔化，使燒結形成的致密體均勻完整。燒結層的厚度與燒結溫度有關。燒結分低溫燒結與高溫燒結，以熔化鋼為例，低溫燒結的溫度為熔煉時鋼液的溫度；所謂高溫燒結是指燒結溫度高于鋼液溫度，為1800～1900℃，用感應加熱石墨型芯或碳質烤爐料可達到這個溫度。低溫燒結的燒結層厚度較薄，而經高溫燒結的燒結層較厚。因此，調整燒結溫度的高低，就可以確定燒結層的厚度。

圖8 爐襯耐火層燒結結構

半燒結層是燒結層和未燒結層之間的過渡層，其作用是對燒結層產生的內應力和液態(tài)爐料的靜壓力有個緩沖帶，阻止燒結層內產生的裂紋向外延伸。

未燒結層是半燒結層與爐襯絕緣層之間不經燒結的緩沖層，它的作用是緩沖燒結層、半燒結層因體積脹縮造成的影響，防止在燒結層、半燒結層產生裂紋，不致于使金屬液到達感應器線圈而造成穿爐事故，同時也起著一定的隔熱、絕緣作用。

鑄鐵、鋼的熔煉溫度與爐子耐火材料的燒結溫度接近，耐火層具有自燒結功能，爐襯內表面的燒結層損壞后，半燒結層可逐步轉化為燒結層。

7 感應熔煉電爐作業(yè)現場的測溫

7.1 熱電偶測溫

將兩種不同材料的導體（或半導體，下文所涉及的“導體”也都包含有半導體）焊接在一起組成閉合回路，當兩個焊接點溫度不同時，回路中將產生熱電動勢，這種物理現象稱為熱電效應，又稱為塞貝克效應。熱電特性是物質普遍具有的一種物理特性。這兩種不同材料導體組成的回路稱為熱電偶。只有熱電特性曲線線性好、穩(wěn)定性好、熱電動勢率大以及耐蝕性好的導體才可用于熱電偶。組成熱電偶的導體稱為熱電極，其中一根叫正極（SP），另一根叫負極（SN）。熱電偶的兩個焊接點中，置于被測溫度T的一端稱之為測量端或熱端，而置于T0的一端稱之為參比端或冷端。參比端的溫度要求保持恒定。熱電偶的熱電動勢隨著測量端溫度的升高而增大，其大小與熱電偶材料和熱電偶兩端溫度有關，而與熱電偶的長度、直徑無關。對熱電特性在一定范圍內一致的熱電偶用分度號來命名，用單個大寫英文字母表示。熱電極的化學成分相同的熱電偶其分度號也相同。

熱電偶執(zhí)行的標準：GB/T 16839.1—2018《熱電偶 第1部分：電動勢規(guī)范和允差》；JB/T 9238—1999《工業(yè)熱電偶技術條件》。

按熱電特性，現已有多個標準化的分度號和具有專門用途的非標熱電偶。國際電工委員會（IEC）推薦的工業(yè)用標準熱電偶見表8。

熱電偶的選擇：首先，根據被測液態(tài)爐料的溫度來選擇適用的熱電偶。當溫度＜1000℃時，可優(yōu)先選K型熱電偶，＜1300℃時，可選K型或N型熱電偶；當測量溫度在1000～1400℃時，可選S型或R型熱電偶；當測量溫度在1400～1800℃時，應選B型熱電偶；當測溫上限超過1800℃時，應考慮鎢錸系列熱電偶。目前，鎢錸系列電熱偶常用的有鎢錸3-鎢錸25和鎢錸5-鎢錸26兩種，這兩種熱電偶長期使用溫度2000～2400℃，短期使用溫度可達3000℃。推薦測溫范圍為0～3000℃。

其次，選型時還應考慮不同等級的允差（允許偏差），根據工藝需要，選擇合適的允差值。

熱電偶的兩個熱電極焊接要牢固、彼此之間絕緣。補償導線與熱電偶參比端的連接方便可靠，保護套管能保證熱電偶與被測液態(tài)爐料充分隔離。

表8 國際電工委員會（IEC）推薦的工業(yè)用標準熱電偶

7.2 紅外測溫儀測溫

作為接觸式測溫，熱電偶（通過保護套管）直接與被測液態(tài)爐料接觸，不受中間介質的影響，測量精度較高，測量范圍幾乎可以全部覆蓋常用金屬的熔化溫度。雖然熱電極通過保護套管與液態(tài)爐料需要充分的熱交換，經過一定時間才能達到熱平衡，存在測溫延遲現象，但由于這種接觸式測溫構造簡單，操作方便，受現場環(huán)境因素干擾少，因此在鑄造廠至今仍得到廣泛的應用。

與熱電偶測溫不同，非接觸式的紅外測溫儀是通過液態(tài)爐料表面的紅外輻射強度與溫度的關系來檢測溫度的。紅外測溫不與液態(tài)爐料接觸，沒有接觸式測溫受耐高溫材料制約的問題，不受測溫上限的限制，測溫范圍廣。測溫時也不會破壞被測物體的溫度場，反應速度快，靈敏度高，測溫精度可達到0.1℃的溫度分辨力。

紅外線是介于可見光與微波之間的電磁波，任何物體只要其溫度高于絕對零度（-273℃），就存在分子或原子無規(guī)則熱運動而不斷地向空間輻射電磁波，其中就包括波段位于0.76～1000μm的紅外線。通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測量它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據的理論基礎。紅外測溫儀一般由光學系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學系統(tǒng)匯聚的其視場內的目標紅外輻射能量聚集在光電探測器上并轉變?yōu)橄鄳碾娦盘?，該信號經過放大器和信號處理電路，并按儀器內的算法和目標發(fā)射率校正后轉變?yōu)楸粶y目標的溫度值。紅外測溫儀分為單色測溫儀和雙色測溫儀：單色測溫儀與單個波段內的輻射量成比例；雙色測溫儀與兩個波段的輻射量之比成比例[22，23]。

近年來，已經有越來越多的鑄造廠熔煉現場用紅外測溫儀測量液態(tài)爐料溫度。由于紅外測溫是項新技術，目前現場使用紅外測溫儀測量液態(tài)爐料溫度主要存在以下兩個方面的問題。

（1）紅外測溫儀的操作

1）合理選擇測溫儀測溫范圍：根據液態(tài)爐料溫度確定測溫儀的測溫范圍，并非測溫范圍越寬越好。測溫范圍越窄，監(jiān)控溫度的輸出信號分辨力就越高，精確度就越高，測溫值也就越準確。

2）選擇具有峰值（最高溫度值）保持功能的測溫儀：使用時在菜單里選中“峰值保持”項。這是因為所測溫度為目標溫度最大值時，就更接近目標溫度實際值。

3）發(fā)射率的校準問題：發(fā)射率表征液態(tài)爐料輻射紅外線的能力，它是同種液態(tài)爐料、同波長被測物體與黑體的單色輻射度之比，也稱比輻射率。鑄鐵、鐵、鋼的液態(tài)發(fā)射率見表9。

表9中提供的鑄鐵、鐵、鋼的發(fā)射率是僅供參考的近似值。不同牌號的鑄鐵、鐵、鋼，即使采用同一測溫儀進行測量，不同的測量距離和角度（入射角）、現場環(huán)境（氣溶膠態(tài)、氣態(tài)污染物、電磁干擾等）中任意一個因素都會影響液態(tài)爐料的發(fā)射率值。因此，紅外測溫儀發(fā)射率值的確定，以現場同標準熱電偶進行比對后的修正值為準。

由于單色測溫儀的發(fā)射率和雙色測溫儀的坡度系數的定義有別，表9中的發(fā)射率值不適用于校準雙色測溫儀坡度系數。

根據維恩位移定律，被測溫度較高時應盡可能采用短波波段。以鑄鐵（液態(tài)）發(fā)射率為例，選擇1μm的短波波長，發(fā)射率在0.35左右。在用戶現場對紅外測溫儀發(fā)射率進行校準時，通常采用兩種方法：一種是在檢定時，將黑體輻射源作為檢定紅外測溫儀專用輻射熱源，用高精度紅外測溫儀作為溫度標準，在同一距離、同一入射角通過比較的方法校準；另一種是使用熱電偶校準。由于S型熱電偶（鉑銠10-鉑熱電偶）測溫范圍寬（-40～1600℃）、測量精度高、物理化學穩(wěn)定性好，以及耐熱性、耐氧化、耐蝕性良好，具有較優(yōu)越的精確度（二等允許偏差：0～600℃為±1.5℃，600～1700℃為±0.0025|t|℃），再現性好，因此可作為校準測溫儀的標準熱電偶。用二等允許偏差的鉑銠10-鉑S型熱電偶測液態(tài)爐料某一點，再用紅外測溫儀同時測相同點，然后調整發(fā)射率，使紅外測溫儀的溫度與熱電偶所測的溫度一致，此時的發(fā)射率即為被測液態(tài)爐料的發(fā)射率，這種方法屬于“在線校準”。液態(tài)爐料溫度超過1600℃的某些鑄鐵、鋼熔煉現場使用B型（鉑銠30-鉑銠6）熱電偶，或采用鎢錸系列如W-Re5/26（鎢錸5-鎢錸26）、W-Re3/25（鎢錸3-鎢錸25）熱電偶等，但只要用戶信任，也可用其他類型的熱電偶作為標準來校準紅外測溫儀的讀數。

國內某些紅外測溫儀生產廠家開發(fā)出方便在線校準發(fā)射率的儀器，用測溫儀對準被測液態(tài)爐料，按設置鍵進入菜單選擇界面，將剛實測的溫度值暫存，選擇菜單到“輻射系數”界面，此界面第一行顯示為實測溫度，第二行顯示為發(fā)射率，此時只需按界面上的“+”、“-”鍵，使第一行顯示的實測值與用標準熱電偶所測值達到一致，則校準結束，最后按退出鍵即可。

4）距離系數：紅外測溫儀的距離系數就是光學分辨力，它是紅外測溫儀探頭到爐料液面之間距離與被測目標直徑之比。如果紅外測溫儀在遠離被測目標使用，而被測目標直徑又小，就應選擇高光學分辨力的紅外測溫儀來保證測溫的準確性。液態(tài)爐料測溫時，紅外測溫儀探頭正對爐口，由于被測目標面積很大，只要距離系數大于30∶1，紅外測溫儀都適合使用。

5）測溫探頭與爐料液面的入射角：無論是鑄鐵、鐵還是鋼，液態(tài)時的發(fā)射率都比較小，一般都在0.35附近（波段為1μm）。原則上當發(fā)射率低于0.9時，測溫探頭一定要垂直被測物體表面。但為避免爐口正上方的高溫烘烤，紅外測溫儀現場安裝時只能傾斜一個角度。當測溫探頭與液面入射角固定后，再通過調低發(fā)射率進行在線校準。但在任何情況下，測溫探頭與液面入射角都不得大于30°（入射角是指紅外測溫儀探頭入射光線與入射液面法線的夾角）。

（2）環(huán)境因素的影響

1）氣溶膠態(tài)污染物和氣態(tài)污染物對紅外測溫的影響：液態(tài)爐料表面的紅外輻射能量是經過空間傳輸到爐口上方的測溫探頭的。感應熔煉過程中會產生大量氣溶膠態(tài)和氣態(tài)污染物。氣溶膠是指沉降速度可以忽略的固體或液體顆粒的懸浮體（煙塵、粉塵）；氣態(tài)污染物是指含硫、氮、碳氧等化合物。爐子上方的氣溶膠態(tài)及氣態(tài)污染物會干擾、影響測溫精度。由于氣溶膠態(tài)污染物與氣態(tài)污染物的分子半徑與紅外波長相差不多，對紅外輻射具有強烈的散射作用，因此要盡可能營造一個清晰度較高的環(huán)境進行測溫，才能將污染物對測溫精度的影響降到最低。

近年來，隨著鑄造廠環(huán)保力度加大，熔煉作業(yè)現場采用排煙、除塵裝置后，氣溶膠態(tài)、氣態(tài)污染物的濃度降到國標規(guī)定的限值以下，某些鑄造廠甚至達到20mg/m3以下，這就為使用紅外測溫儀測溫提供了滿足要求的環(huán)境條件。

2）爐渣對紅外測溫的影響：爐料熔化后，爐子表層會覆蓋一層爐渣，因此要用紅外測溫儀測溫，就必須將爐渣扒開，使液態(tài)爐料暴露在測溫探頭的視線之下。紅外測溫儀測得的是液態(tài)爐料的表層溫度，但由于爐料的電磁攪拌作用，則表層溫度可視為是爐料的真實溫度。

3）現場環(huán)境光線強度的變化對紅外測溫的影響：鑄造廠多數都是兩班制作業(yè)，白班、夜班現場環(huán)境光線強度的變化有時會對紅外測溫儀的讀數產生差異。紅外測溫儀安裝應考慮避開直射光線，必要時可用遮擋的辦法制造人工陰影，以減少不同光線強度對測溫精度的影響。

作為一個電子儀器，感應熔煉現場的使用環(huán)境無疑是比較惡劣的，除了上述一些因素外，環(huán)境溫度、電磁干擾等對紅外測溫的測溫精度也會產生不利的影響。鑒于這種環(huán)境條件，還是選用雙色測溫儀比較好。

由于熱電偶和紅外測溫儀測量液態(tài)爐料溫度分別有各自突出的長處和短處，因此在一個相當長的時間內還不存在誰取代誰的問題。但可以肯定的是，隨著鑄造廠向智能化、自動化發(fā)展，紅外測溫儀類非接觸測溫將是最佳選擇[24，25]。

8 感應熔煉電爐的使用環(huán)境條件

所謂環(huán)境是指在任何地點、任何時間都存在的或遇到的自然條件及誘發(fā)條件，或二者的總和。使用環(huán)境條件是指在一定時間內產品所經受的外界物理、化學和生物的條件。感應熔煉電爐的使用環(huán)境條件包括自然氣候條件和工業(yè)環(huán)境兩個方面（GB/T 11804—2005《電工電子產品環(huán)境條件 術語》)。與感應熔煉電爐設計、制造、儲運、使用產生影響的環(huán)境因素并不多。屬于自然氣候環(huán)境條件的有海拔、環(huán)境溫度和環(huán)境濕度；屬于工業(yè)環(huán)境的有塵埃、氣體條件，以及振動、顛簸等力學環(huán)境條件。GB/T 10067.1—2019《電熱和電磁處理裝置基本技術條件 第1部分：通用部分》作如下規(guī)定：

1）對感應熔煉電爐產品要求按規(guī)定的使用環(huán)境條件設計。

2）用戶對使用環(huán)境條件提出與標準不同的要求時，生產廠家應盡可能予以滿足。

3）其中一部分使用環(huán)境條件可列在企業(yè)產品標準，其他部分使用環(huán)境條件在訂貨時由供需雙方商定。

4）熱帶和高原地區(qū)使用的感應熔煉電爐裝置還應分別符合以下標準的要求：GB/T 20626—2017《特殊環(huán)境條件 高原電工電子產品 第1部分：通用技術要求》；JB/T 4159—2013《熱帶電工產品 通用技術條件》。

8.1 海拔

海拔是指由平均海平面起算的地面點的高度。我國計算海拔高度都是以青島的黃海海面作為零點起算。隨著全球氣候變暖，近幾十年來海平面以平均每年2.6mm的速率上升，因此地面上每一個地方的海拔高度都在變動，某地的海拔高度其實是平均海拔高度。地理上，將海拔高度超過1000m的地區(qū)稱之為高原地區(qū)，我國主要的高原地區(qū)有青藏高原、云貴高原、蒙新高原、黃土高原等。我國海拔1000m以上的高原土地面積占全國陸地總面積的60%左右，海拔2000m以上的高原土地面積約占35%，海拔3000m以上的高原土地面積占15%[26，27]。

雖然海拔1000m以上國土面積幾乎占了2/3，但我國絕大多數工廠（設備生產廠和設備使用廠）都在海拔1000m以下，將海拔不超過1000m定為設備使用環(huán)境條件是合乎國情的。國標將感應熔煉電爐的海拔定為不超過1000m，與爐子配套的整流變壓器（GB/T 18494.1—2014）、變頻電源（JB/T 8669—1997，2010年復審，現行有效）、電熱電容器（GB/T 3984.1—2004/IEC 60110-1：1998，IDT）以及其他與爐子相關的電工電子產品的標準都定為海拔不超過1000m。在海拔1000m以下為標準設備，在海拔1000m以上的地區(qū)應降格使用。

我國位于海拔1000～5000m的工廠，其中位于海拔1000～2500m的工廠占了絕大多數，“三線”建設的工廠基本都在這個海拔范圍內，位于我國西部的工廠也基本上處在海拔1000～2500m。按標準生產的設備，如果海拔1000m以上地區(qū)在定制感應熔煉電爐時，應在合同和技術協(xié)議中標明使用地區(qū)的海拔高度。電爐生產廠家提供的爐子應按非標的技術條件設計、制作。

在海拔1000～5000m的高原地區(qū)，對感應熔煉電爐裝置產生影響的環(huán)境因素主要有氣壓降低、空氣密度降低、日溫差大，以及太陽輻射、雷擊、靜電等。諸多環(huán)境因素中氣壓和空氣密度低這兩個因素對爐子運行帶來的負面影響最大。

氣壓與海拔關系密切，海拔越高，氣壓越低，在同一高度上的氣壓又隨緯度增加而降低。在海拔0～5000m區(qū)間，海拔每升高1000m，氣壓值平均遞減7.7～10.5kPa?？諝饷芏纫搽S著海拔升高而降低，海拔每升高100m，空氣密度降低0.48%～1.04%。這給感應熔煉電爐的使用帶來以下幾個問題。

（1）對變頻電源裝置開關器件的影響 空氣密度低，空氣分子間距加大，離子的自由行程加大，造成變頻電源裝置開關器件的電暈電壓降低。一般情況下，海拔每增高1000m，電暈電壓降低8%～13%；空氣密度低，散熱對流作用減弱，有熱脫扣元件的斷路器和熱繼電器的脫扣動作時間會縮短；以自由空氣為滅弧介質的空氣開關滅弧時間延長，飛弧距離增加，觸頭燒損嚴重，接通和分斷能力下降；因為工作溫度升高和滅弧影響延長，所以開關的電壽命也受到影響。

（2）對電氣間隙擊穿電壓的影響 低氣壓會造成電氣間隙擊穿電壓降低。當年修青藏鐵路時，有關科研部門曾進行過不同氣壓條件下的比對試驗，當空氣間隙同樣為1mm時，北京地區(qū)氣壓在101kPa，擊穿電壓為4.6kV；拉薩地區(qū)氣壓在65kPa，擊穿電壓為2.8kV；甘巴拉地區(qū)氣壓在55kPa，擊穿電壓就只有2.5kV[28，29]。變頻電壓的大電流矩形母線、中頻回路矩形母線最小間距凈值（見第三講表3）計算感應器線圈匝間距時的填充系數等都是按海拔1000m條件設置的。高海拔電氣間隙值，可按JB/T 7573—1994《高原環(huán)境條件下電工產品的通用技術條件》提供的系數加以修正。

（3）對絕緣介質強度的影響 海拔增高后，外絕緣放電電壓降低，會造成絕緣介質強度降低。海拔每升高1000m，外絕緣溫度降低8%～13%。海拔升高、空氣密度降低對于高海拔地區(qū)使用的感應熔煉電爐爐襯的絕緣層及感應器線圈銅管涂覆的絕緣漆，應選用更高絕緣強度、耐受高擊穿電壓的材料。

（4）溫升的影響 低氣壓、低空氣密度條件下空氣分子數減少，使以自然對流、強迫通風或空氣散熱器為主要散熱方式的器件使用時溫升增加。一般海拔每升高1000m，溫升增加3%～10%。變頻電源內的繼電器、接觸器、自動空氣開關、主令控制器、熔斷器等根據人工模擬海拔高度的試驗結果，溫升隨海拔升高的增加率為0.15～0.46K/hm。

整流變壓器的溫升隨海拔的增加與其冷卻方式有關。其增加率每100m為：油浸自冷為額定溫升的0.4%；干式自冷為額定溫升的0.5%。因此，在訂購與爐子配套的整流變壓器時，必須向生產廠家提供使用所在地緯度及海拔高度。

由于海拔增高、氣溫下降，海拔每升高100m，氣溫下降約0.6℃，這樣卻反而可以部分補償海拔升高對上述器件溫升的影響。

（5）對電容器類密封電工產品的影響 氣壓降低使密封容器內外壓差增大，易引起氣體或液體泄漏。變頻電源控制系統(tǒng)中的電解電容器以及諧振回路的電熱電容器都存在此類危險。

8.2 環(huán)境溫度

按照氣候環(huán)境條件的分類，溫度高于40℃時稱為高溫，溫度低于0℃時稱為低溫。我國境內測得的極端高低溫度分別為49.6℃（吐魯番民航機場，1975年7月13日）、-52.3℃（漠河，1969年2月13日）。我國高溫地區(qū)分布比較廣，除了青藏高原外，全國都出現過35℃以上高溫。曾出現過-25℃以下低溫地區(qū)占國土面積的50%。

對于感應熔煉電爐環(huán)境溫度在5～40℃，變頻電源的環(huán)境溫度不超過40℃，并且在24h內的平均溫度不超過35℃，最低環(huán)境溫度不得低于5℃。

GB/T 10067.31—2013規(guī)定了感應熔煉電爐各受熱構件表面溫升極限值，見表10。

對于感應熔煉電爐的配套裝置，如電熱電容器柜、液壓站的外殼，以及正常使用中連續(xù)握持的操作手柄等，表面溫升不得超過30℃。當環(huán)境溫度超過40℃時，這個表面溫升極限值還要降低。

變頻電源在額定輸出功率下運行至溫升穩(wěn)定后，各部分溫升極限值規(guī)定見表11。

表10 受熱構件表面溫升極限值

表11 變頻電源各受熱部件溫升極限值

表10、表11中的極限溫升值是在現場環(huán)境溫度上限40℃條件下提出的。如果爐子現場環(huán)境溫度超過40℃，設計爐子和變頻電源受熱構件時，應在設計和制作時采取必要的措施，將各受熱部件限制在要求的極限溫度內。

過低的環(huán)境溫度對變頻電源、爐子控制系統(tǒng)的電氣元件會有影響，使傾爐機構液壓站的液壓油黏度增大，影響傾爐以及冷卻水的冷凝和結冰，也會使電子設備材料產生硬化或脆化。

8.3 相對濕度

GB/T 10067.1—2019規(guī)定，感應熔煉電爐使用地區(qū)最濕月每日最大相對濕度的月平均值≤90%，同時該月每日最低溫度的月平均值≤25℃。變頻電源則要求相對濕度在最高溫度為40℃時≤50%。在較低溫度時，允許有較高的相對濕度（如20℃以下時為90%），應注意消除由于溫度變化而可能偶爾發(fā)生的凝露，相對濕度對設備受潮程度會有直接影響，而高溫又加劇了設備潮濕的程度。在我國南方地區(qū)，高溫、高濕往往同時出現，在這樣的環(huán)境下，潮濕空氣會改變材料的介電特性。在高溫作用下，絕緣材料吸濕加快，導致絕緣性能下降；加速金屬腐蝕，對導電體，尤其是沒有經過電鍍等表面處理的大電流母線，會使接觸電阻加大，引起局部發(fā)熱；另外，還會影響微電子電路的電接觸，對印刷電路板的腐蝕加劇。

對于在濕熱環(huán)境下工作的感應熔煉電爐裝置，其結構與設計、材料與電工元器件選用、工藝防護等應參照JB/T 4159—2013《熱帶電工產品通用技術要求》的規(guī)定，并特別注意加強變頻電源及控制系統(tǒng)外殼結構的密封及表面防護，選用耐氣候影響的低壓電器，盡量采用無觸點開關元器件，絕緣材料的選用也應保證其耐氣候性[30]。

8.4 工業(yè)環(huán)境

GB/T 10067.1—2019規(guī)定了感應熔煉電爐裝置周圍不能有導電塵埃、爆炸性氣體以及能嚴重損壞金屬和絕緣的腐蝕性氣體。塵埃中含有導電的分子如鐵分子、不純凈的水分子等就會導電。導電塵埃會引起匯流母線及感應器線圈匝間等處放電。電爐工作中熔液的高溫，在變頻電源裝置開關時可能產生拉弧或電火花，因此在爐子周圍不能有爆炸性氣體、腐蝕性氣體，否則會損害設備的金屬和絕緣，尤其在高溫、高濕氣候條件下會加劇這種損害。

為應對惡劣的工業(yè)環(huán)境，主要采取兩種措施：合理選用優(yōu)質材料；采用相應的外殼防護。IEC推薦的電氣設備外殼防護分級：防固體物分為6級；防液體分為8級。英國BS標準，將電氣設備防護類型分為20種，如開啟型、全封閉型、氣候防護型等。美國NEMA標準基本上是按開啟型和封閉型兩大類來劃分外殼防護等級，對兩種類型具體規(guī)定了結構形式。

對感應熔煉電爐裝置的變頻電源、控制系統(tǒng)的柜殼進行整體全密封（包括進線、出線、水路及二次管線等）是完全必要的。這種殼體的整體全密封設計，避免了導電塵埃、爆炸性氣體、腐蝕性氣體對柜內器件及導電母線的損害。在第四講中，介紹了兩組銅排最小間距凈值參考數值，兩組數值設定條件分別為干燥無塵和干燥多塵，但干燥多塵特別注明是非導電塵，在導電塵埃環(huán)境下，銅排最小間距凈值的數值比干燥多塵數據還要放大[31]。

8.5 力學環(huán)境

GB/T 10067.1—2019規(guī)定，感應熔煉電爐裝置的力學環(huán)境應“沒有明顯的振動和顛簸。爐子成套設備在運輸中，應注意出廠前給感應器線圈涂覆的耐火膠泥不能在運輸過程中因振動、顛簸而脫落，排除水冷系統(tǒng)的積水，拆除電熱電容器瓷頭外連接的硬母線。爐子和變頻電源都屬于大型件，設計應滿足GB/T 5959.1—2019/IEC 60519-1：2015 IDT關于吊裝和裝配的要求：能安全吊運和裝配；不能用手移動的任何部分應配置安全、可靠的起吊附件；所有電爐裝置應能容易地使用適當的設備或升降機構進行組裝。