烘爐電源在合金熔化爐中的應(yīng)用

唐亞洲，唐亞軍，徐曉亮

（杭州四達(dá)電爐成套設(shè)備有限公司，浙江杭州 311305）

0 引言

目前我國是世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國。廢鋼是目前唯一可以逐步代替鐵礦石的鋼鐵生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)原料。在鑄造行業(yè)內(nèi)以廢鋼為原料的合金熔化爐的發(fā)展朝著更大容量、快速熔化、更節(jié)能的方向發(fā)展，表1 是幾種主流的合金熔化爐的主要參數(shù)對比。采用大容量的合金熔化爐更能節(jié)能減排，但是使用電源柜的功率會成倍增加。而合金熔化爐冶煉過程中，必需先使用坩堝做為模具用爐襯料進(jìn)行筑爐，然后對爐襯進(jìn)行烘烤，才能開始冶煉[1]。烘爐一般以坩鍋加輕料為負(fù)載，合金熔化電源柜提供電源進(jìn)行加熱操作。隨著爐體容量的加大，烘爐所需負(fù)載功率與合金熔化電源柜的功率不匹配現(xiàn)象更加嚴(yán)重，同時(shí)烘爐過程占用了大量熔化生產(chǎn)時(shí)間,為解決此問題需要專門為烘爐提供單獨(dú)電源。

表1 主流合金熔化爐參數(shù)

1 大型合金熔化爐的烘爐過程

以90t 不銹鋼合金熔化爐為例介紹大型合金熔化爐烘爐過程。90t 合金爐一般是一電二爐。換爐主要原因是爐襯長時(shí)間受到鐵水的侵蝕而失去作用。還包括下面幾種爐襯損壞的原因：烘爐過快造成爐襯燒結(jié)裂紋；不連續(xù)生產(chǎn)反復(fù)的驟冷驟熱；熔化過程中噴爆等事故；加料損傷等情況[2]。一般不銹鋼合金熔化爐采用中性電熔剛玉材料，該材料具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐熱溫度高達(dá)1850℃、耐熱震性好、耐充刷等優(yōu)點(diǎn)，一般壽命可達(dá)到120 爐到150 爐，是酸性材料壽命的二倍多。雖然中性材料較貴，但能減少打爐次數(shù)，更好保護(hù)爐體，提高產(chǎn)品質(zhì)量[3-5]。一般采用干法打結(jié)爐襯。中性材料一般對烘爐要求比較嚴(yán)格，圖1 是烘爐曲線。烘爐的目的是讓爐襯材料燒結(jié)好，形成一定厚度的燒結(jié)層。正確的烘爐能提高爐襯的使用壽命。

圖1 90t 合金熔化爐中性材料烘爐曲線圖

烘爐一般分成四個階段：初加熱階段；中間保溫階段；升溫熔化階段；后期保溫階段。

1.1 烘爐初加熱階段

此時(shí)需要對爐襯進(jìn)行緩慢的加熱從而排除水氣，持繼時(shí)間需要10h，溫升速度保持100℃/h，使用熱電偶監(jiān)測溫升過程。此階段一般通過電源柜提供電源進(jìn)行加熱，但存在功率太大加熱速度過快，幾分鐘就達(dá)到目標(biāo)溫度，爐內(nèi)溫度透熱不夠，溫度分布極不均勻，而且要頻繁的啟停電源柜比較費(fèi)人力。溫升過快會造成爐襯形成裂紋，爐襯壽命減少[6]。一般用戶會選擇外拉電加熱裝置或者采用煤氣燃燒加熱爐襯的方法。面對90t 大容量的熔化爐，使用外拉電加熱設(shè)置提供電源，需要大功率的加熱設(shè)備，對線路、安全用電環(huán)境都是考驗(yàn)。一般都會選擇煤氣在熔化爐中燃燒，從而加熱坩堝與廢料，達(dá)到爐襯加熱的目的。使用煤氣加熱，升溫連續(xù)，加熱比較均勻，也容易控制，是烘爐初加熱比較好的手段。由于烘爐使用的次數(shù)少，頻率低。采用煤氣加熱，必然需要煤氣管道，增加平時(shí)安全維護(hù)工作。隨著鋼鐵行業(yè)綠色發(fā)展概念的興起，趨向少用或者不用煤氣等不可再生資源。匹配用電的小功率的烘爐電源柜就顯的有必要了。

1.2 烘爐中間保溫階段

排除水氣后進(jìn)入燒結(jié)準(zhǔn)備階段。此階段需要至少4h。此時(shí)只要保持爐膛溫度在1000℃?？梢允褂秒娫垂襁M(jìn)行加熱。通過溫度監(jiān)測，選擇啟動或停止電源柜加熱。因?yàn)橹皇潜毓δ?，所需功率不是很大，如果有烘爐電源也可以采用烘爐電源柜。

1.3 烘爐升溫熔化階段

此時(shí)需要電源柜對爐膛內(nèi)的合金料進(jìn)行加熱熔化，隨著溫度的升高，爐料開始熔化，需要在6h內(nèi)熔化完成，并添加爐料完成滿爐鋼水的熔化。升溫熔化階段是爐襯形成燒結(jié)層的關(guān)鍵時(shí)期。熔化過程需要電源柜提供較大功率，此時(shí)金屬液的電磁攪拌力增大，由于燒結(jié)層初次形成，因此對爐襯的沖擊很大。隨著沖擊的發(fā)生，容易造成部分位置被嚴(yán)重侵蝕而使得爐襯壽命減少。因此電源柜的功率不能開的太高，一般不超過額定值的70%左右。由于功率未到額定值，電源柜的功率因素比較低，無功損耗大。為了減少電磁攪拌的影響，可以使用其他爐熔化的金屬液倒入需要烘爐的爐體[7]，從而減少電源柜大功率對爐襯的影響，也可以減少烘爐的無功損耗。

1.4 烘爐后期保溫階段

當(dāng)金屬熔化液體充滿整個爐體，并且金屬液體的溫度達(dá)到1750℃時(shí)，按照烘爐工藝的要求進(jìn)行后期的保溫?zé)Y(jié)階段，此階段需要用電源柜進(jìn)行加熱。通過快速熱電偶與金屬液體接觸來測試溫度值，跟據(jù)溫度值來啟動電源柜對爐體金屬液體加熱達(dá)到對爐襯料的烘烤。

2 烘爐電源在合金熔化爐的應(yīng)用

2.1 烘爐電源存在的作用

烘爐一般需要24h 以上，在一電二爐的合金熔化爐系統(tǒng)中如果一只爐襯需要烘爐操作的話，電源柜只能給需要烘爐襯的爐使用。如果有烘爐電源的存在，烘爐使用烘爐電源進(jìn)行操作，熔煉使用電源柜進(jìn)行操作互不影響。一次烘爐操作可以節(jié)省24h 的熔煉時(shí)間，以90t 爐為例，一爐1.5 h計(jì)算，可以多熔煉1440t 合金。如果以24h 生產(chǎn)計(jì)算，換爐周期150 爐，一個月可多生產(chǎn)4320t 合金，一年大約多生產(chǎn)51840t 合金。相對于增加烘爐電源設(shè)備的成本是非常的劃算。烘爐電源能夠提高設(shè)備的使用率，提高生產(chǎn)產(chǎn)量。

烘爐電源專為烘爐設(shè)計(jì)，相對于電源柜的功率一般較小。烘爐時(shí)對溫度的加熱更為精準(zhǔn)，功率因素比電源柜高，無功損耗低。對烘爐的四個階段都能用的到，并且還有突出優(yōu)點(diǎn)：（1）不需要外拉電加熱或者煤氣，節(jié)能環(huán)保；（2）初始烘干過程中溫升好控制，有利于爐襯排出水氣；（2）操作相對于電源柜加熱保溫頻次少，節(jié)省人力；（3）熔化過程中功率較小，電磁攪拌對爐襯的影響小；（4）滿爐熔化后的保溫中，功率因素高，更節(jié)能。

2.2 烘爐電源與合金熔化爐的組成

通過新一代的換爐開關(guān)系統(tǒng)，把電源柜、烘爐電源與兩個爐體進(jìn)行聯(lián)接。如圖2 所示。換爐開關(guān)采用PLC 控制，換爐操作可以通過上位機(jī)界面操作，換爐過程只要25s 能完成。由于換爐開關(guān)采用了自動化控制，爐體是烘爐或者是熔煉都能在界面實(shí)時(shí)顯示，方便操作人員進(jìn)行選擇。烘爐電源與電源柜之間的自鎖功能也能通過PLC 通過位置信號進(jìn)行控制。

圖2 烘爐電源聯(lián)接結(jié)構(gòu)示意圖

3 烘爐電源的設(shè)計(jì)

烘爐電源系統(tǒng)由變壓器、烘爐電源柜、電容柜三部分組成，如圖3。為實(shí)現(xiàn)烘爐電源的功能，需要跟據(jù)爐料（熔化合金）的情況考慮設(shè)計(jì)。以合金熔化90t 爐為例進(jìn)行計(jì)算。

3.1 烘爐電源功率的計(jì)算

烘爐過程中，初始加熱階段與升溫熔化階段消耗的功率最大，分別計(jì)算這兩個階段的功率來選擇烘爐電源的功率。爐料以不銹鋼1Cr13 為例，烘爐初始加熱階段，相當(dāng)于加熱爐，爐料溫度從室溫加熱到1000℃計(jì)算爐料加熱有效功率 P21（kW)。

式中,C 為爐料的比熱容（kW·h/kg）;G 為生產(chǎn)率（kg/h）；t1為爐料加熱前的溫度（℃）；t2為爐料加熱以后的溫度（℃）。不銹鋼1Cr13 的比熱容0.1849×10-3（kW·h）/kg，烘爐初始加爐料約60t，初始加熱10h，生產(chǎn)率為6000kg/h，爐料加熱前的溫度取室溫20℃，爐料加熱以后的溫度1000℃。計(jì)算得出加熱爐料的有效功率P21為1087.21 kW。加熱所需的功率P2（kW）,還需加上加熱損失所消耗的功率，這里一般用式（2）計(jì)算爐料加熱所需功率[8]。

加熱爐料所需功率P2由有效功率P21乘1.2倍得到1304.65 kW。

升溫熔煉階段計(jì)算功率需要知道爐料的物理參數(shù)，表2 列出了幾種不銹鋼的物理特性方便計(jì)算[9]。

表2 不銹鋼的物理參數(shù)

升溫熔化階段所需的有功功率:

式中,C1為爐料固態(tài)平均比熱[kJ/（kg·℃）]；T1為爐料熔化溫度及與初始溫度之差（℃）；Qr 為爐料的熔化潛熱（kJ/kg）；C2為爐料液態(tài)平均比熱[kJ/（kg·℃）]；T2為爐料澆注溫度及與熔化溫度之差（℃）；G 為電爐額定容量（kg）；η 為感應(yīng)器的總效率，熔煉鑄鋼η=0.65～0.70；t 為加熱時(shí)間（s）。

以不銹鋼1Cr13 為例，為了方便計(jì)算取表2碳含量為0.3%鋼種的物理參數(shù)最接近。爐料固態(tài)平均比熱0.700kJ/（kg·℃），爐料熔化溫度1510 ℃，初始溫度1000℃，爐料的熔化潛熱272.0 kJ/kg，爐料液態(tài)平均比熱0.816kJ/（kg·℃），爐料澆注溫度1750℃，電爐此時(shí)容量60000kg,感應(yīng)器總效率0.70,加熱時(shí)間21600s，代入公式3 計(jì)算額定功率約為3273.17kW。

由于熔化過程還需加料30t。30t 料的初始溫度為20℃代入式(3)，計(jì)算得到了30t 料所需的額定功率約為2997.70kW。因此，熔化過程中總的有效功率約為6270.87kW。

對比升溫初始加熱階段與升溫熔化階段所需功率，選擇合金熔化爐總有效功率為6300kW。

合金熔化爐之無芯感應(yīng)爐的電流頻率下限頻率fzx（Hz）由式(4)得出。

式中，y 為爐料的液態(tài)電阻系數(shù)（Ω·cm）;d2為爐料的平均直徑（cm）。選擇電流頻率都得大于最低下限頻率。

在實(shí)際應(yīng)用中頻率的選擇一般再結(jié)合經(jīng)驗(yàn)值如“新版無心感應(yīng)電爐頻率選擇圖”,對應(yīng)的90t 的爐子的推薦值是90Hz～180Hz。頻率越高啟動越容易，單位功率密度的攪拌作用越小。在對應(yīng)的推薦值是取下限還是上限，一般還要考慮爐料的成份，上限熔化鋼且熔化溫度高，下限熔化鐵。合金熔化爐選擇150Hz?？紤]到攪拌力烘爐電源選250Hz，在頻率選擇的有效區(qū)間內(nèi)[10]。

由式（5）攪拌力公式得出，在爐料性質(zhì)相同下，攪拌力與加熱功率成正比，升高電源頻率，攪拌力減輕[11]。因此提高頻率是減少攪拌力的方法。

式中，F(xiàn)0為攪拌力（kg/cm2）;μr為爐料的相對磁導(dǎo)率（約為1）；ρ 為爐料電阻率（Ω·cm）;f 為烘爐電源工作頻率（Hz）；P 為有功功率（kW）;D 為爐坩堝內(nèi)徑（cm）;H 為爐料熔體高度（cm）。

此時(shí)的烘爐的攪拌力是合金熔化爐的攪拌力的0.77 倍。

由此我們可以得出烘爐電源柜兩個重要參數(shù)。有功功率6300kW，系統(tǒng)頻率250Hz，以此來來配置烘爐柜各元器件。

3.2 烘爐電源整流變壓器的容量配置

為了減少諧波的干擾，熔煉整流變壓器與烘爐整流變壓器要獨(dú)立配置。變壓器過大會造成資源浪費(fèi)，過小會使烘爐電源過早限流導(dǎo)致系統(tǒng)電效率與熱效率受損[12]。一般整流變壓器按照經(jīng)驗(yàn)公式（6）計(jì)算[13]：

式中，S 為整流變壓器容量（kVA）；P 為烘爐有功功率（kW）。

得到烘爐電源變壓器容量7800kVA。

考慮到大型合金熔化爐熔煉變壓器配置，烘爐變壓器的一次側(cè)電壓為35kV，二次側(cè)電壓一般跟據(jù)烘爐功率與熔化速度配置，因?yàn)楹鏍t功率小一般選用整流變壓器二次側(cè)電壓為1100V 等級，12 脈沖的變壓器。烘爐電源采用并聯(lián)逆變器結(jié)構(gòu)經(jīng)過電感濾波后的直流電壓近似值用式（7）計(jì)算。

式中，Ud為整流線路輸出直流電壓（V）；Ul為整流變壓器二次側(cè)線電壓（V）。

逆變電壓即電容工作電壓有效值用式（8）計(jì)算。

式中，UC為電容工作電壓（V）;Ud為整流線路輸出直流電壓（V）;cosφ 為逆變觸發(fā)超前近似值，參見表3（因?yàn)轭l率是250Hz，選近型值=30）。

表3 晶閘管逆變觸發(fā)超前近似值

參數(shù)代入（7）、（8）計(jì)算得出電容工作電壓1840V。

3.3 烘爐電源電容器的計(jì)算

由于爐體是感性負(fù)載，為了提高烘爐電源的功率因數(shù)，必須增加電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償。常用的補(bǔ)償方式有串聯(lián)補(bǔ)償、并聯(lián)補(bǔ)償和串并聯(lián)補(bǔ)償方式。串聯(lián)補(bǔ)償方式是電容器與爐體線圈串聯(lián)聯(lián)接，此方式特點(diǎn)啟動容易，但負(fù)載適應(yīng)差、短路沖擊電流大。并聯(lián)補(bǔ)償方式是電容器與爐體線圈并聯(lián)聯(lián)接，此方式特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)，過流值相對較小，但啟動相對串聯(lián)方式要困難，現(xiàn)廣泛應(yīng)用在加熱與小型熔化爐中。串并聯(lián)方式是電容器一半與爐體線圈串聯(lián)，一半與爐體線圈并聯(lián)，結(jié)構(gòu)如圖3。此方式即有串聯(lián)結(jié)構(gòu)啟動容易的特點(diǎn)，又有并聯(lián)結(jié)構(gòu)負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)，過流值相對較小的特點(diǎn)。同時(shí)相對于并聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)爐體電壓升高一倍，電流大大減少由電流所產(chǎn)生的損耗大大減少。串并聯(lián)補(bǔ)償方式已廣泛的應(yīng)用在大型合金熔化爐系統(tǒng)之中。

圖3 電容串并聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)示意圖

串并聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)中,C1、C2的電容值相等，總電容量C 由式（9）計(jì)算。

式中，C1為并聯(lián)電容值（F）;C2為串聯(lián)電容值（F）。

跟據(jù)公式（10）、（11）計(jì)算電容值C。

式中，QC為補(bǔ)充容量（kVar）；P 為有功功率（kW）；φ1為自然功率因素角，爐料為鋼或鐵的cosφ1取0.05～0.25；φ2為補(bǔ)償功率因素角，補(bǔ)償?shù)絚osφ2值取0.92；C 為烘爐電源總電容值（μF）;f 為供爐電源頻率（Hz）；U 為電容器的端電壓（V）。代入公式（10）、（11）可求得 總電容C=11288μF，從而得到C1=C2=22576μF；根據(jù)計(jì)算所得可以參考系統(tǒng)電壓、電容量選擇合適的電熱電容器。

4 結(jié)論

烘爐電源應(yīng)用能夠提高設(shè)備利用率、節(jié)約能源，特別適合單套鑄造合金熔化企業(yè)進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)。并已匹配各種容量20t、60t、90t 多家鑄造合金熔化系統(tǒng)中，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)與節(jié)能效果。