中频感应熔炼电炉的电气节能技术

孔祥平（山东精良海纬机械有限公司，山东　济宁　272501）

中频感应熔炼电炉的电气节能技术

孔祥平
（山东精良海纬机械有限公司，山东济宁272501）

摘要：简要介绍了中频感应熔炼电炉的特点和能量损耗，重点分析了电源频率、电炉的容量、电炉功率、电源型式、控制系统、供电线路、变压器和炉壳等方面的节能措施及其应用效果。

关键词：中频感应电炉；熔炼；节能；电气

0　前言

中频感应熔炼电炉是利用电磁感应原理将电能转化为热能，使金属物料熔化的设备。中频感应电炉势必取代冲天炉冶炼，将成为铸钢、铸铁、以及合金铸铁的主要冶炼方式，它将提高冶炼水平和冶炼精度，减轻劳动强度，提高生产效率。

中频感应电炉冶炼过程中，通过电磁感应将电能转化为热能，进而通过热能将钢铁熔化，在这个能量的转化过程中主要有以下几种能量损失：

（1）电磁线圈本身的能量消耗，我们称之为铜耗。

（2）电能转化热能的过程中，在炉体上的热损失，称之为炉耗。

（3）在炉口加料、熔化及出炉时，产生的热辐射，称之为辐射损耗。

（4）配电设备在电能传送过程中，也要损失能量，我们称之为附加损耗。

中频感应电炉在工作过程中，一般仅有70-74%的能量用于炉料的熔炼，其它30-26%的能量通过我们上面说的各种途径损失掉，其中铜耗高达13%，其次是7%的炉耗，其余的是附加损耗。

在电源频率、电炉的容量、电炉功率、电源型式、控制系统、供电线路、变压器和炉壳等方面采取节能措施，可以显著降低上述能量损耗，提高电能的利用效率。

1　中频电源的频率、电炉容量、电炉功率和功率密度

中频感应电炉熔炼时，炉料中的感应电流是依据集肤效应原理由表及里依次减弱的。电流强度降低到表面电流强度的36.8%的那一点到导体表面的距离称为电流渗透深度。

电流渗透深度△t的计算公式：△t=5030×ρ½×µ½×f½

上式中：ρ-金属炉料的电阻率，单位Ω·cm；

µ-金属炉料相对磁导率；

f-中频电源频率，单位Hz。

中频电源频率越高，电流渗透深度越小，集肤效应越明显。感应电流主要集中在炉料的渗透层内。热量主要从炉料的表面层向炉料内部供给。为了使整个截面升到指定温度，必须长时间加热炉料，加热时间长了炉料表层向周围环境散失的热量就增多，必然造成热效率降低。特别是在低温环境中加热熔炼，更能明显看到这一点。

为了获得较高的电热效率，对于不同容量的炉子要选择合适的频率。分析可知：当坩埚直径与电流渗透深度之比为10左右时，中频感应电炉的电热效率最高。用下面的公式可以计算出电效率最高时的频率f：f=2.5×109ρ×µ-1×d-2

上式中：d-坩埚内直径，cm。

随着炉子容量的增大，炉子表面积与体积之比减少，每吨容量的热损失也减少。中频感应电炉的额定溶化率越大，则每吨铁水的平均耗电量越低。因此，为了降低能源消耗，应该尽量选用额定溶化率较高的电炉。通常电炉容量增加，功率也要增加。对于一定容量的炉子，功率增大时，炉子的功率密度也增大，熔化速度加快，熔炼时间缩短，单位电耗损失相应减少，热效率提高。

但是电源功率提高时，电磁搅拌力也提高，加速对炉衬的损坏，影响铁水质量，并且炉衬的使用寿命降低。所以感应炉的输入功率的提高受到一定的限制。

电磁搅拌力的计算公式为：Fj=31600×ρ-½×f½×s×P

上式中：S-金属炉料的表面积，单位cm2；

P-通过加热金属炉料转换为热能的部分功率，KW。

不同频率下的电炉的功率密度的允许值：见表1。

表1　不同频率下电炉的功率密度允许值

如果能够适当地对中频感应电炉的功率密度进行改造，那么就可以实现快速熔炼了。实践证明主要从以下三个方面来实现这个目标。

（1）在电源配置足够大的情况下，电炉容量和工作频率不变，加大中频电源柜的输出功率，使功率密度为810-1010KW·t-1。在这种情况下，只要加大可控硅容量，还可以减小投资费用。改造后的熔炼时间由原来的89-119m in缩短到42m in左右。

（2）如果电源部分不能改动，那么我们只有从改善感应圈结构的办法，保持功率密度为810-1010KW·t-1,也可以达到理想中的效果。

（3）电源控制柜功率如果不能改变，那么可以通过变换工作频率，重新设计感应线圈的大小和匝数，同样可以使它满足功率密度在810-1010KW·t-1范围。经过改造后的感应电炉的熔炼时间一般为42min左右。

2　中频感应电炉的控制形式

由于适应各种不同的冶炼工艺需要，充分提高电源的利用率，和提高电源的效率。出现了各种中频电源与电炉的控制方式。主要有以下几种：

（1）一个控制柜带两个炉头。它是通过在两个炉子之间加一个转化开关实现的。当一个炉头作业时，另一个炉头在进行浇注或维修，筑炉。在进行小工件多次浇注作业时，可以把向熔化作业电炉供电的电源短时间内切换到正在进行浇注的炉头，使它快速升温，用来补偿长时间浇注造成的温度降低。两个炉头交替作业可以保证浇注金属液的浇注温度恒定，提高了浇注精度。较高了电源输出功率的利用率。

（2）两台电源柜（熔化电源和保温电源）配两个炉头。这种方式是通过在两个炉头之间加一个转化开关来实现的。该配置方式采用全桥整流式并联逆变电源结构，转换开关可以达到两台电炉交替与熔化电源和保温电源相连接。电源切换是通过电动切换开关完成，操作方便，安全可靠性较高。不足之处是：保温电源的工作频率为了能与同一个线圈配合要稍高于熔化电源的工作频率，这样会影响到保温炉的电磁搅拌力Fj变小。这种方式的电源功率利用率较高。

（3）一台双供电源柜配两个炉头。也称之为一拖二，这种控制系统中的两个电炉可以根据各自的工况选择合适的功率；无机械切换开关，工作可靠性高；电源的输出功率的利用率提高，可以实现大幅度提高电炉的生产率；因为以恒功率的方式输出功率，所以电源输出功率的利用系数提高；由于一个电源只需要一台变压器和水冷却装置，功率变压器的安装容量将减小，所以占用空间较小。这种方式比较节能，系统功率因数COSØ＞0.95。是铸造行业熔炼设备的发展方向。

（4）一台电源柜配三个炉头。也称之为一拖三，该电炉的供电方式是电源同时向三个炉头送电冶炼金属；也可以由两个炉头正在熔炼而另外一个炉头在保温等待；或者一个炉头熔炼两个炉头在保温等待；也可以一个炉头熔炼一个炉头在保温，另外一个炉头停用，或在检修。这种控制方式兼具了一拖二方式的全部优点，而且还可以保证连续作业、使工作方式更灵活，还具有节能高效等特点，更能适合那些品种多、批量小、铸件重量差异比较大的生产厂家。

3　供电线路

中频电炉输出的电功率主要可以分为两方面：一方面在冶炼加热过程中转化成为热能，这些能量是有用功；另一方面则以铜耗和附加损耗的形式损失在电炉的供电线路中，造成感应线圈发热、水冷电缆发热，热量全部被冷却水带走，这些能量是无用功。

所以造成电炉的供电线路有铜耗和附加损耗的原因主要是：

（1）为了节省原材料普遍采用电流密度大于25A／mm2的制作方法来制作感应线圈和水冷电缆。我们进行实验得出，熔炼电流大于控制电源输出的中频电流的10倍左右（电容全并联式），所以在工作中造成感应线圈、水冷电缆自身发热，温度过高，许多电能转化为热能，从而由循环水带散失掉，造成电能的无功损失。

（2）为了降低电炉的制造成本采用相对低廉的紫杂铜，来做电力电缆原料，这样必然造成配电线路的电抗增大，降低供电效率。

（3）感应线圈冷却循环水的温度高时，感应线圈电阻增大，致使铜耗增大；当冷却水循环通道集结大量水垢，造成水循环不畅通时也会使感应线圈温度升高，电阻增大，造成铜耗增大。

（4）由于各种原因，造成电炉的运行频率不合理，造成冶炼时间加长，线路损耗加大，炉体向周围环境散失热量较多，必然造成整个电源熔炼系统的效率降低。

要想解决上述问题我们必须采取以下措施，减小电炉的供电损耗，节约电能。

1）增大感应线圈和水冷电缆的直径，这样将大幅度降低它的电流密度，减小供电线路的电能损失，也有助于降低感应线圈、水电缆的工作环境温度，降低水垢形成。

感应线圈在t℃时的消耗电功率如下公式得出：

W=I2R×10-3=I2P20L/A×[1+α（t-20）]

上式中W—感应线圈耗电功率，KW；

I—负荷电流，A；

R—感应线圈20℃时的电阻率，Ω·m2.2×10-8；

L—感应线圈长度，m；

A—感应线圈截面积，m2；

P20—铜20℃时的电阻率，Ω·mm2·m-1；

α—电解铜的电阻温度系数，4.3×10-3/℃。

2）降低水循环的温度。感应电炉在熔炼过程中，感应线圈和水冷电缆的温度升高，感应线圈和水冷电缆的电阻将随温度的升高而增大，导致电耗增加。

电阻随温度变化的关系是：

RT=[1+α(T-20)]R20

上式中：RT—温度上升到T℃时线圈的电阻值，Ω；

R20--20℃时电解铜的电阻值，1.75×10-8Ω；

α—电解铜的电阻温度系数，4.3×10-3/℃；

3）减少水垢对水循环冷却效果的影响。我们采用蒸馏水进行水冷，这样就避免了在高温下水中各种金属盐在水冷管道上沉积下来，形成导热性极差的水垢。水垢沉积在管路内壁，造成循环水通道截面积变小，影响水流速度。

4）选用纯度较高的铜质线圈和水冷电缆。

通过大量实验得知：电阻率由于杂质含量的高低变化成双曲线规律变化。其变化结果大概情况如下表2所示。

表2

从上表中可以看出，含杂质0.06%的紫杂铜的电阻率是1.517×10-3Ω·mm2·m-1，而含杂质0..20%的紫杂铜的电阻率是2.1×10-3Ω·mm2·m-1，电阻率提高33%之后。电阻率与配电线路的电阻变化成正比例关系，它损耗的电能与供电线路的电阻成正比，供电线路每小时耗电能大概增加33%，约25千瓦，占总输出功率的6%。优质的高纯度铜管的表面颜色发亮，而劣质的铜管发黑偏硬，所以选材时应特别注意区分。

4　变压器

侧的输出电压在660～800V之间。在输出电压是650V，输出功率恒定时，那么中频感应电炉的工作电流和原来380V时相比较将减小为原来的0.6倍，铜损降低到原来的1/3，减小了变压器本身的热量损失，变压器线圈在高温工作时电阻也将升高，散热系统的负担减小，系统工作温度降低，节能效果非常明显。

另外在中频电炉空载时间较长时，可以拉闸断电，停止变压器的空运行，也有利于节能降耗。

5　炉壳

钢壳炉由于具有耐久性强、效率高、生产率高而且噪音小、易于维修等许多优点，近几年来得到交快的发展，钢壳炉的磁厄对线圈产生的磁力线具有屏蔽和反射作用，可以减少漏磁，提高生产率，能够节能5～10%左右。钢壳炉的使用寿命较长在10年以上。

中频感应熔炼电炉的节能是一项系统化工程，需要我们工程技术人员长期系统地总结改造，综合利用各方面技术方法，把节能技术改造和提高管理水平有机的结合为一体，只有这样我们才能立竿见影，取得良好的节能改造效果。

参考文献：

[1]童军,章舟. 铸铁感应电炉熔炼及应用实例[J].化学工业出版社,2008.

[2]张伯明.国内外铸造的节能降耗(中)[J].金属加工(热加工),2010(21):71-73.

[3]中频感应炉生产的节电途径[J].铸造设备研究,2005(04):25-27.

作者简介：孔祥平(1972-)，男,山东汶上人，本科，工程师，设备科长，研究方向:中频电炉的节能改造和结构设计。