试论中频感应熔炼炉节能技术的研究现状

李财

摘要：在机械制造中，需要应用到熔炼炉，主要是为提升制造机械的效率、质量以及准确度。相较于工频电炉、燃料炉、冲天炉以及电弧炉等，中频感应熔炼炉具有较多优势，例如易于更换容量品种、容量质量可控、功率密度大、操作简单、热效率高、熔炼速度快以及便于起熔等，并且在环保和节能等方面具有突出优势。基于此，本文深入研究中频感应熔炼炉节能技术，在中频电炉、中频电源、中频电炉和电源匹配变压器等方面对其节能途径进行分析。

关键词：中频感应;熔炼炉;节能技术

中频感应熔炼炉主要组成部分为电力变压器、中频电源、中频电炉以及馈线，提升该熔炼炉效率，需合理运用中频电源功率，以确保其在额定功率下运行，提升功率密度，使熔炼速度加快。此外，也可提升热效率、电效率等炉体自身效率，通过铜耗形式在感应炉线圈内实现消耗，使线圈发热，而冷却水可带走热量。在工件之间加热层中，可将剩余功率转化成热能，另外也能够划分直接加热层热功率为两部分，其中有用的部分可提升工件内部温度，剩余部分作为发散至周围空间的热辐射和热传导。从而为提升电炉效率，需将热损失以及铜耗减小。

一、提升中频电源效率的策略

中频电炉组成结构主要有三部分，分别是感应线圈、坩埚和炉料，其中由水冷铜管绕制形成感应线圈，耐火材料导致成坩埚。感应线圈由中频电源供电，在中频电流作用下产生强大交变磁场。在磁场作用下，炉膛内金属出现涡流发热融化情况，而线圈是电能和热能转换的关键，因此需要注重线圈的设计。

（一）明确感应线圈电阻率

熔炼炉感应线圈使用后壁高纯无氧的铜管来制作，真空除气冶炼铜材需要有小于20×10-6含氧量，由此提升铜材导电率。因为厚壁管导有较大的导电截面，加上同才具有较高导电率，将会减少其损耗。

（二）合理设计磁轭截面积

可使用厚度小于0.3毫米的单向优质趋晶冷轧硅钢片，以避免磁轭存在较多铁损制造情况。中频感应的熔炼炉感应线圈横截面矩形形状可由D形取代，使用地形铜管可节省线路走廊，降低输送单位容量价格，并降低输送成本，这对于能源紧张的我国来说具有重要意义。感应圈使用偏心地形铜管制成，可将设备效率提升10%左右。

（三）選用IJBT电压反馈串联谐振型电源

串联谐振电路比较于并联谐振电路具有以下优势：（1）整流角可串联逆变电路，在其正常运行中数值为零，由于进线功率因数比较高，12脉整流能够达到0.988。（2）当功率输出条件相同时，感应圈会消耗一定能量，感应圈中有串联逆变电流流经时，产生的电流小于并联电路，也将消耗较小的能量。（3）串联逆变电路处于谐振状态下，会提升其正弦波波形的利用率，电流以W波形流通感应圈，波形含有极少的谐波。（4）经过串联电路的感应圈频率会增加W波形，由此有效降低感应圈空载电流。（5）在调节串联电炉频率后，能够对电炉功率进行调节，具有较好的恒功率特性以及较短熔炼时间，从而可知串联谐振中频感应熔炼炉，具有较为显著的节能优势。

（四）明确中频电源频率

增加中频电源频率，那么磁力线切割炉料速度也会随之增加，也会增加炉料闭合回路中出现的涡流数值，会有着较为明显的发热效果，从而提升电效率。相关研究表明，越高的电源频率会有越高的电效率，当电效率在90%左右时，电源频率增加对于电效率产生的影响较小[1]。除此之外，因为存在集肤效应，直接加热炉料层深浅会与电源频率呈现为反比，在长期传导下，能够使工件表面以及心部温度接近，但是会降低热效应。这主要是因为传热时间较长，有很多热量会在周围介质中消失，电效率以及热效率会受到炉料尺寸的影响。从而应科学选用中频电源频率，不应过大，也不应过小。

二、中频电源电路与电力变压器功率容量的匹配策略

（一）中频电源与电炉的匹配

通过选用大引擎带动方案，电炉使用额定功率较大的中频电源，并使中频电炉和电源维持良好电效率特性。通过实验可知，使用500kg中频电炉，电源额定功率从250千瓦转变为350kw，这可缩短加热时间，也将减少受辐射和传导等影响损失的热量，提升12.5%的总效率，节省熔炼时间，具有较为理想的节能效果。

（二）中频电源与电力变压器的匹配

电力变压器容量比中频电源额定功率略大是较为合理的匹配，当电力变压器容量比电源额定容量大使会浪费资源，当电力变压器容量小于或是等于中频电源额定容量[2]。那么与偏小变压器容量相比，需要向下调整中频电源限流值，将会损失一定的热效率和电效率，如果不对电源限流值进行调整，当满载炉料的基础上，变压器会呈现为超负荷运行情况，存在严重压降，难以确保中频电源进线电压，甚至会使电网电压低于360V。严重降低热效率会使总效率随之降低，这是因为中频电源的进线电压低，在相同负载小功率和电压平方成正比，难以输出足够的功率，热效率和电效率会降低。布置整套电炉设备的原则为紧凑性与合理性，为将输送电能损失减少，尽量将变压器、中频电源以及中频电源和炉体间的距离缩小。

三、明确熔炼操作流程

为使炉料加快熔化，需重视加料方法的应用。需要充分运用炉膛空间，装料时注重炉料大小块儿的搭配，因为在感应炉内炉料分布磁通不均匀，与坩埚越接近磁通密度越大，与坩埚中心线接近则密度越小，外层产生的电流和电动势要大于理层，这就是集肤效应。一般情况下，使用小块料填充炉料间隙，坩埚壁周边装大块炉料，而炉中间和炉底装小块炉料。通常中频电源具备限压、限流保护，在加料过程中，如体中可先装2/3炉料，将炉料温度快速提升，使温度超过居里点，增加炉料阻抗，使电流在限流值内，确保电炉在额定功率内运行，接着加入另外1/3炉料，以此将限流时间缩短。熔化中需减少不必要限压时间，使用炉钎捅料，防止受到炉料大小不同影响。

结束语

本文主要从中频电炉、中频电源和变压器、电源电炉的匹配等方面对中频感应熔炼炉节能方法进行分析，为机械制造提供熔炼炉节省能源的参考，以促进制造业进一步发展。

参考文献：

[1]赵健.中频感应熔炼炉节能技术的研究现状[J].工业加热，2016，45（1）：52-54.

[2]王光东.浅谈中频感应熔炼炉节能技术的研究现状[J].建材与装饰，2016，（36）：178-179.

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