試論中頻感應(yīng)熔煉爐節(jié)能技術(shù)的研究現(xiàn)狀

李財(cái)

摘要：在機(jī)械制造中，需要應(yīng)用到熔煉爐，主要是為提升制造機(jī)械的效率、質(zhì)量以及準(zhǔn)確度。相較于工頻電爐、燃料爐、沖天爐以及電弧爐等，中頻感應(yīng)熔煉爐具有較多優(yōu)勢，例如易于更換容量品種、容量質(zhì)量可控、功率密度大、操作簡單、熱效率高、熔煉速度快以及便于起熔等，并且在環(huán)保和節(jié)能等方面具有突出優(yōu)勢?；诖耍疚纳钊胙芯恐蓄l感應(yīng)熔煉爐節(jié)能技術(shù)，在中頻電爐、中頻電源、中頻電爐和電源匹配變壓器等方面對其節(jié)能途徑進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：中頻感應(yīng);熔煉爐;節(jié)能技術(shù)

中頻感應(yīng)熔煉爐主要組成部分為電力變壓器、中頻電源、中頻電爐以及饋線，提升該熔煉爐效率，需合理運(yùn)用中頻電源功率，以確保其在額定功率下運(yùn)行，提升功率密度，使熔煉速度加快。此外，也可提升熱效率、電效率等爐體自身效率，通過銅耗形式在感應(yīng)爐線圈內(nèi)實(shí)現(xiàn)消耗，使線圈發(fā)熱，而冷卻水可帶走熱量。在工件之間加熱層中，可將剩余功率轉(zhuǎn)化成熱能，另外也能夠劃分直接加熱層熱功率為兩部分，其中有用的部分可提升工件內(nèi)部溫度，剩余部分作為發(fā)散至周圍空間的熱輻射和熱傳導(dǎo)。從而為提升電爐效率，需將熱損失以及銅耗減小。

一、提升中頻電源效率的策略

中頻電爐組成結(jié)構(gòu)主要有三部分，分別是感應(yīng)線圈、坩堝和爐料，其中由水冷銅管繞制形成感應(yīng)線圈，耐火材料導(dǎo)致成坩堝。感應(yīng)線圈由中頻電源供電，在中頻電流作用下產(chǎn)生強(qiáng)大交變磁場。在磁場作用下，爐膛內(nèi)金屬出現(xiàn)渦流發(fā)熱融化情況，而線圈是電能和熱能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，因此需要注重線圈的設(shè)計(jì)。

（一）明確感應(yīng)線圈電阻率

熔煉爐感應(yīng)線圈使用后壁高純無氧的銅管來制作，真空除氣冶煉銅材需要有小于20×10-6含氧量，由此提升銅材導(dǎo)電率。因?yàn)楹癖诠軐?dǎo)有較大的導(dǎo)電截面，加上同才具有較高導(dǎo)電率，將會減少其損耗。

（二）合理設(shè)計(jì)磁軛截面積

可使用厚度小于0.3毫米的單向優(yōu)質(zhì)趨晶冷軋硅鋼片，以避免磁軛存在較多鐵損制造情況。中頻感應(yīng)的熔煉爐感應(yīng)線圈橫截面矩形形狀可由D形取代，使用地形銅管可節(jié)省線路走廊，降低輸送單位容量價(jià)格，并降低輸送成本，這對于能源緊張的我國來說具有重要意義。感應(yīng)圈使用偏心地形銅管制成，可將設(shè)備效率提升10%左右。

（三）選用IJBT電壓反饋串聯(lián)諧振型電源

串聯(lián)諧振電路比較于并聯(lián)諧振電路具有以下優(yōu)勢：（1）整流角可串聯(lián)逆變電路，在其正常運(yùn)行中數(shù)值為零，由于進(jìn)線功率因數(shù)比較高，12脈整流能夠達(dá)到0.988。（2）當(dāng)功率輸出條件相同時(shí)，感應(yīng)圈會消耗一定能量，感應(yīng)圈中有串聯(lián)逆變電流流經(jīng)時(shí)，產(chǎn)生的電流小于并聯(lián)電路，也將消耗較小的能量。（3）串聯(lián)逆變電路處于諧振狀態(tài)下，會提升其正弦波波形的利用率，電流以W波形流通感應(yīng)圈，波形含有極少的諧波。（4）經(jīng)過串聯(lián)電路的感應(yīng)圈頻率會增加W波形，由此有效降低感應(yīng)圈空載電流。（5）在調(diào)節(jié)串聯(lián)電爐頻率后，能夠?qū)﹄姞t功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有較好的恒功率特性以及較短熔煉時(shí)間，從而可知串聯(lián)諧振中頻感應(yīng)熔煉爐，具有較為顯著的節(jié)能優(yōu)勢。

（四）明確中頻電源頻率

增加中頻電源頻率，那么磁力線切割爐料速度也會隨之增加，也會增加爐料閉合回路中出現(xiàn)的渦流數(shù)值，會有著較為明顯的發(fā)熱效果，從而提升電效率。相關(guān)研究表明，越高的電源頻率會有越高的電效率，當(dāng)電效率在90%左右時(shí)，電源頻率增加對于電效率產(chǎn)生的影響較小[1]。除此之外，因?yàn)榇嬖诩w效應(yīng)，直接加熱爐料層深淺會與電源頻率呈現(xiàn)為反比，在長期傳導(dǎo)下，能夠使工件表面以及心部溫度接近，但是會降低熱效應(yīng)。這主要是因?yàn)閭鳠釙r(shí)間較長，有很多熱量會在周圍介質(zhì)中消失，電效率以及熱效率會受到爐料尺寸的影響。從而應(yīng)科學(xué)選用中頻電源頻率，不應(yīng)過大，也不應(yīng)過小。

二、中頻電源電路與電力變壓器功率容量的匹配策略

（一）中頻電源與電爐的匹配

通過選用大引擎帶動方案，電爐使用額定功率較大的中頻電源，并使中頻電爐和電源維持良好電效率特性。通過實(shí)驗(yàn)可知，使用500kg中頻電爐，電源額定功率從250千瓦轉(zhuǎn)變?yōu)?50kw，這可縮短加熱時(shí)間，也將減少受輻射和傳導(dǎo)等影響損失的熱量，提升12.5%的總效率，節(jié)省熔煉時(shí)間，具有較為理想的節(jié)能效果。

（二）中頻電源與電力變壓器的匹配

電力變壓器容量比中頻電源額定功率略大是較為合理的匹配，當(dāng)電力變壓器容量比電源額定容量大使會浪費(fèi)資源，當(dāng)電力變壓器容量小于或是等于中頻電源額定容量[2]。那么與偏小變壓器容量相比，需要向下調(diào)整中頻電源限流值，將會損失一定的熱效率和電效率，如果不對電源限流值進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)滿載爐料的基礎(chǔ)上，變壓器會呈現(xiàn)為超負(fù)荷運(yùn)行情況，存在嚴(yán)重壓降，難以確保中頻電源進(jìn)線電壓，甚至?xí)闺娋W(wǎng)電壓低于360V。嚴(yán)重降低熱效率會使總效率隨之降低，這是因?yàn)橹蓄l電源的進(jìn)線電壓低，在相同負(fù)載小功率和電壓平方成正比，難以輸出足夠的功率，熱效率和電效率會降低。布置整套電爐設(shè)備的原則為緊湊性與合理性，為將輸送電能損失減少，盡量將變壓器、中頻電源以及中頻電源和爐體間的距離縮小。

三、明確熔煉操作流程

為使?fàn)t料加快熔化，需重視加料方法的應(yīng)用。需要充分運(yùn)用爐膛空間，裝料時(shí)注重爐料大小塊兒的搭配，因?yàn)樵诟袘?yīng)爐內(nèi)爐料分布磁通不均勻，與坩堝越接近磁通密度越大，與坩堝中心線接近則密度越小，外層產(chǎn)生的電流和電動勢要大于理層，這就是集膚效應(yīng)。一般情況下，使用小塊料填充爐料間隙，坩堝壁周邊裝大塊爐料，而爐中間和爐底裝小塊爐料。通常中頻電源具備限壓、限流保護(hù)，在加料過程中，如體中可先裝2/3爐料，將爐料溫度快速提升，使溫度超過居里點(diǎn)，增加爐料阻抗，使電流在限流值內(nèi)，確保電爐在額定功率內(nèi)運(yùn)行，接著加入另外1/3爐料，以此將限流時(shí)間縮短。熔化中需減少不必要限壓時(shí)間，使用爐釬捅料，防止受到爐料大小不同影響。

結(jié)束語

本文主要從中頻電爐、中頻電源和變壓器、電源電爐的匹配等方面對中頻感應(yīng)熔煉爐節(jié)能方法進(jìn)行分析，為機(jī)械制造提供熔煉爐節(jié)省能源的參考，以促進(jìn)制造業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙健.中頻感應(yīng)熔煉爐節(jié)能技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].工業(yè)加熱，2016，45（1）：52-54.

[2]王光東.淺談中頻感應(yīng)熔煉爐節(jié)能技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].建材與裝飾，2016，（36）：178-179.

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