中频感应熔炼设备在节能减排中的应用

夏利波，胡裕波，王秀秀

（国网舟山供电公司，浙江 舟山 316000）

在工业技术领域，静态变频装置的发展十分迅速，工作效率已提高至96%～97%，且操作安全性符合生产要求。与此同时，静态变频装置的成本也随着新型材料的发展呈逐年下降趋势。因此，现代化的铸造车间已广泛采用中频感应电炉替代工频感应电炉用于熔炼铁合金和非铁合金。从20世纪80年代后期起，欧美等发达国家已几乎停止制造工频坩埚式感应电炉。

中频感应电炉的工作原理是将三相工频交流电整流成直流电，再将直流电转化为可调节的电流，通入感应线圈，在感应线圈中产生高密度的磁力线。这种高密度磁力线能切割感应线圈内的金属材料，并在金属材料中产生很大的涡流且释放大量热量。中频感应电炉的热效率高、加热速度快，不会造成金属液的污染，适用于熔炼灰铁、球铁、铸钢、铝合金等金属材料。与传统的冲天炉熔炼工艺相比，中频感应电炉的熔炼工艺具有优质、高效、稳定、环保和可控等优势。

随着电气及信息技术的发展，“一拖二”、“一拖三”供电技术的逐步稳定，以及对环境保护要求的提高，中频感应电炉在汽车零部件、柴油发动机、船用大型铸件、风力发电用零部件、铁道机车用部件、离心铸造管件、工程机械部件、电动机部件、压缩机部件、机床部件和电梯用铸件等领域获得了日益广泛的应用。

基于以上优点，本方案设计了一套中频感应熔炼系统。与传统冲天炉和工频熔炼炉相比，其效率和节能减排性能均有显著提升。

1 中频感应熔炼系统

本方案的中频感应熔炼系统包括中频电气系统和炉体熔炼系统，并附带辅助系统，中频熔炼设备结构如图1所示。

1.1 中频电气系统

中频电气系统可分为中频电源和电热电容器柜2部分。中频电源是产热模块，其产生的磁力线和涡流能迅速熔化金属，而电热电容器柜则用以补偿感应线圈的感性无功功率，可提高中频电源的工作效率。

图1 中频熔炼设备

1.1.1 中频电源

中频电源如图2所示，其工作原理是将三相工频交流电源经过三相桥式整流，变成可调的直流电源，再经电抗滤波，滤波后输至单相逆变桥，经脉冲控制，使单项桥对角线交替开关成为单相100～2 500 Hz的中频电流，谐振回路由感应线圈和补偿电容器组成。中频电源的输出环节将电流送到感应线圈，而使感应器中的金属炉料产生中频涡流，炉料随之加热至熔化。本方案的设备是采用水冷式电抗器或干式电抗器，其中干式电抗器故障率低，且相比较而言能节电2%～3%。另外，中频电源还包括可控硅、主控线路板和断路器等环节，均能满足良好的性能要求。

图2 中频电源

1.1.2 电热电容器柜

电容器柜与感应线圈采用串联或并联方式，用以补偿感应线圈的感性无功功率。同时，与线圈构成一个谐振回路，获得适合的频率和等效阻抗。经过补偿后，中频电源只需提供负载所需的有功功率和少量的无功功率，其设计容量可大幅度减小，电热电容器柜如图3所示。

大功率感应炉需要大量的补偿电容器，为减小占地空间，减小电磁泄漏，本方案的电容器柜采用独特的双层安装模式。大电流的水冷母排由特殊模具订制，水冷腔与铜板一次成型，无需焊接，因此无氧化，水冷和导电效率高。

图3 电热电容器柜

1.2 炉体熔炼系统

炉体熔炼系统主体是无芯感应炉并带有冷却系统，用以保障感应炉的安全性和延长使用寿命。

1.2.1 无芯感应炉

无芯感应炉采用钢壳磁轭液压传动结构，由炉体固定架、炉体框架、感应线圈、磁轭倾炉机构、水冷电缆组成，无芯感应炉如图4所示。

图4 无芯感应炉

炉体固定架采用型钢和钢板焊接制成，现场安装时将固定架焊接在炉体基础预埋件上。炉体框架:采用厚钢板圈制成框架式圆筒和工字钢焊接而成，足以保证感应器及炉衬的刚性，炉底部支承筋板采用放射状排列，便于散热和维修。

活动炉架用于安装感应线圈和磁轭。它由型钢和钢板焊接而成，采用半封闭结构。活动炉架顶部的操作平台采用了加厚钢板，以提高炉架的强度和承重能力。活动炉架的上部是炉盖，是靠机械或油液压驱动的。为了保证炉盖运转的可靠性，油液压驱动型的顶升和旋转采用各自独立的二支油缸驱动。活动炉架的底部有固定法兰，用于联接炉衬快速推出装置。固定炉架安装在地基上，用于承载活动炉架。固定炉架的上部由倾转轴和活动炉架相联，在倾炉油缸的顶推下，可以使活动炉架向前倾转95°。炉架部分在设计时预留了很大的安全系数，保证炉架具有足够的刚度，在承载最大装料量时运行平稳。

磁轭采用优质硅钢片叠制而成，用不锈钢钢板两面夹紧。经微机优化设计，精密制作，仿形弧面结构与线圈外径弧形一致。磁轭（对感应圈）覆盖面积较大，磁轭固定方法:磁轭紧贴感应圈，之间采用耐高温耐高压绝缘的垫层，外面用M24丝杆紧顶在磁轭背面的不锈钢板上。磁轭不锈钢夹紧板内侧装有特殊设计的水冷散热器，电炉在运行状态下，保证磁轭温度处于常温，防止磁轭温度升高而产生变形，从而加强了对感应线圈的支撑，提高了炉子整体强度。

感应线圈采用牌号为T2（纯度为99.9%电解紫铜）、挤压矩形铜管在专用模具上绕制而成。不但保证了线圈的刚性，而且具有最大的导电截面。本方案根据ISO 431—1981标准选用线圈材料，具有最小的铜损，最高的电磁转换效率。感应线圈表面是由耐高温、耐高压的绝缘漆整体喷涂而成，绝缘等级高。感应线圈出厂前经过耐压试验，保证线圈安全可靠。

1.2.2 闭式内外循环冷却机

本方案的冷却系统采用闭式内外循环冷却机。其工作原理为:纯净水在闭式冷却机的纯铜盘管内进行循环，工作液体的热量经过盘管散入流过盘管的水中，同时机组外四周的常温空气从底盘的进风格栅进入，与水的流动方向相反，向上流经盘管。部分水因蒸发而带走热量，饱和的热湿空气由冷却塔顶部的风机排出到大气中，其余的水落入底部水盘，由水泵再循环至水分布系统重新喷淋到盘管上。从而降低管内各种流体的温度。热空气中的未蒸发的水被挡水板截住并流经PVC热交换层，PVC热交换层中的水被流过的空气冷却，温度降低重新冷凝。冷凝水落入底下水盘，由水泵再循环至水分配系统，又回到淋到盘管上，如此进行循环冷却。该设备广泛适用于感应炉冷却，轧钢机冷却，连铸冷却等。其工作示意图如图5所示。

图5 闭式内外循环冷却机

闭式内外循环冷却机的主要优点有:①采用软化水作冷却液，不与空气接触，不易变质，基本不会结垢；②不用水池，管内清洁，不会结垢，保持管内最佳冷却状态；③与中频电炉成套设备配合使用，可大大延长各元器件的使用寿命；④占地面积小，使用方便，运行成本低，使用寿命长。

1.3 炉衬厚度检测装置

炉衬厚度检测装置实际是一台对炉衬漏电流进行检测的辅助设备。中频感应电炉在运行过程中，炉衬厚度检测装置能帮助用户检测炉衬厚度，是减少漏炉的辅助检测装置之一，如图6所示。

图6 炉衬厚度检测装置

炉底电极采用非磁性不锈钢丝制成，共设置8到18根（根据炉子大小）。不锈钢丝通过炉底专用小孔引入，呈放射形布置。钢丝通过的小孔应用耐火泥浆堵塞封严。不锈钢丝应有足够的长度，炉底石英砂层打结完成后，使不锈钢丝能露出砂层，剪去过长的部分，并将其折弯，使露出部分和石英砂层的表面平行。这样，当坩埚装入时能保证不锈钢丝和铁坩埚接触良好。铁坩埚熔化后，钢丝始终和铁液相接触。炉衬检修时，在炉底的不烧结层能找到原铺设的不锈钢丝，并将其接长，安装的方法同前述。从炉底小孔引出的不锈钢丝应合为一股，并套上耐热瓷管，防止不锈钢丝和炉底钢板接触，而引起接地短路。每次熔化前都必须检查底电极不锈钢丝、液态炉料和炉衬壁厚检查装置的输入端4个环节是否接触良好，如有问题必须在检修好后才能投入工作。检测装置与炉子的接线为:双色线接地。红色线与和感应圈相连的铜排连接，另一根导线与炉底电极相连，导线应采取双重绝缘。电源线接220 V交流电源。

炉衬厚度检测装置正常工作时，电源指示灯亮，报警灯熄灭。当炉衬发生低电阻现象或感应线圈对地有短路现象时，报警灯点亮，蜂鸣器发出报警声。检测装置带有工作/检测按钮，装置正常时，按下检测按钮，报警灯点亮，蜂鸣器报警。检测最好在开炉前进行，在开炉时不准使用。按下工作按钮可解除报警，并恢复检测装置重新工作。若检测装置不报警，可能是由于炉衬电阻变小而引起。检测装置的报警值可由内设电位器根据实际情况由用户自行掌握调节。数字显示表（或表头）显示实时检测值，显示值越大说明炉衬电阻值越小，炉衬变薄。

2 中频感应熔炼设备主要参数设定

本方案的中频感应熔炼设备的主要技术参数如下。额定装载量5 t；最大装载量6 t；熔化功率2 000 kW；额定出熔液温度1 350℃；熔化率4 t/h；工作频率500 Hz；感应炉感应器内径Φ1 180 mm；感应炉感应器高度1 880 mm；感应器电压2 500/3 400 V；炉用冷却水供水压力0.2～0.25 MPa；炉用冷却水进水温度5～35℃；炉用冷却水出水温度≤55℃；炉用冷却水流量（炉体）180 t/h；炉用循环冷却水温升20℃；液压系统工作压力16 MPa；液压系统油箱容量420 L；液压油缸缸径Φ160 mm。

中频电气系统参数如下。额定功率2 000 kW；配套变压器2 500 kVA；中频电源六相进线电压720 V；相电流2 240 A；电源冷却水供水压力0.1～0.15 MPa；电源冷却水进水温度5～35℃；电源冷却水出水温度≤45℃；电源冷却水流量40 t/h；电源循环冷却水温升10℃。

3 效益分析

相比于传统的冲天炉，中频感应熔炼炉具有环保、高效、可控、稳定等优势；而与工频感应熔炉相比，中频感应熔炉的效率更高，在节能减排方面有着尤为显著的作用。

以焦炭为主要能源的冲天炉为例，其在熔炼过程中会产生不完全燃烧的一氧化碳，造成能源浪费和大气污染。相对应地，中频感应熔炼炉利用涡流对金属直接加热，在加料后不会产生粉尘污染等问题，也能防止金属在加热过程中发生氧化。

据折算，与传统冲天炉相比，中频感应熔炼炉每消耗1万kWh的电能，就能节约标煤4.04 tce，减排二氧化碳9.97 t、二氧化硫0.3 t、氮氧化物0.015 t和粉尘2.72 t。中频感应熔炼炉每年可节电15.6万kWh，在节能减排方面起到非常重要的作用。

4 结束语

中频感应熔炼系统，在大幅提升金属熔炼效率的同时，对节能减排效果明显。中频感应熔炼系统能够提高能源利用率，减少大气污染和二氧化碳的排放量。另外，中频感应熔炼系统的适用范围较广，自动化程度较高，具有熔炼和保温等功效。不过，中频感应熔炼系统额外增加了循环冷却系统，成本造价较高。综上所述，中频感应熔炼系统在节能环保方面具有非常重要的意义，其市场应用前景也非常广泛。D