电炉熔炼

感应电炉熔炼铜陵旭时新材料科技有限公司铸造/工艺/熔炼中频感应电炉的发展与应用•熔炼是铸造生产的的关键步骤，合理的熔炼设备与工艺能够保证获得合格金属液对于铸件质量起至关重要的作用。目前铸造车间熔炼主要分为冲天炉熔炼、感应电炉熔炼、冲天炉+感应电炉双联熔炼、电弧炉熔炼和燃气坩锅炉熔炼等。中频感应电炉在当前铸造企业生产中，已表现出明显的环保、生产灵活和自动化程度较高等方面的优势。中频感应电炉的发展与应用•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领域获得了日益广泛的应用。1感应电炉熔炼铁液的优势•感应电炉是利用三相工频电整流后转变成直流电，再把直流电变为可调的中频电，在感应圈中产生高密度的磁力线，在金属材料中发生很大的涡流，这种涡流经过金属的电阻要发生热量，感应产生热量来加热和熔化金属料的熔炉，适用于熔炼灰铁、球铁、铸钢、铝合金等金属料。与传统的冲天炉熔炼相比，感应电炉熔炼具有优质、高效、稳定、环保和可控等优势。•以焦炭提供能源的冲天炉生产，为满足熔炼对热量的要求需消耗大量的焦炭，在熔炼过程中，焦炭易于将CO：还原，使烟气中的CO量增高，不但浪费了热量，而且增加了对大气的污染。焦炭中含有S元素在燃烧过程产生SO：，为烟气的后期处理带来困难。•随着社会环保意识的逐渐增强和环保法规的不断健全，要满足达标排放，冲天炉烟气处理的成本将越来越高，特别对10t甚至15t以下的冲天炉由于铸造企业产量达不到一定规模，冲天炉环保成本在单位铸件产品中所占比例提高，造成铸件产品成本的提高，降低市场竞争力。•我国铸造企业平均产能较低，中频感应电炉利用涡流直接对内装金属进行加热，热效率高，加热速度快，不会造成金属液的污染。同时加料后炉料不再受外界冲击，因此，粉尘很少，配备除尘系统后，排放符合环保要求，亦无需要炉渣粒化处理。除生产过程中产生一定噪声外，其他污染较少减少对环保设备的投入。在熔炼过程中不会产生增碳和增硫现象，而且熔炼过程可以造渣覆盖金属液，在一定程度上能防止金属液中硅、锰及合金元素的氧化，并减少金属液从炉气中吸收气体，从而使金属液比较纯净。•中频感应电炉易操作，故障率少，减少了操作管理及日常的维护保养工作量。除了上述优点，中频电炉还具有节省空间、操作便捷、易于实现自动化、生产灵活度高、对炉料适应能力强、熔炼工艺稳定易控、铁液化学成分准确等优点。因此在进行建设及改造过程中，国内铸造企业特别是铸铁生产企业更多的选择中频感应电炉作为熔炼设备。•2感应电炉技术的发展•2．1感应加热电源的发展•上世纪七八十年代，铸造企业就有应用感应加热进行熔炼的先例。当时由于感应熔炼技术为发展的初期，仅限于工频感应电炉，未大面积推广。上世纪九十年代末期，随着感应加热技术的发展，欧美一些公司开始推广中频感应电炉在铸造企业的应用。随着铸造企业对与节能的不断追求，中频电源技术从最初的并联谐振、串联谐振发展到目前的IGBT技术。IGBT技术广泛被国内外感应加热设备制造企业所用。电源主电路都是采用交流．直流一交流的方式，整流器把工频电整流成脉动直流，再用滤波器转变为直流电，最后经由逆变器逆变成单相中频。•串联谐振中频电源的典型应用就是“一拖二”变频炉。一台整流器带了二个逆变器驱动二台规格相同的电炉，这样可使一台变频电源的功率能灵活地分配给两台炉体，从而实现一台电炉熔化，一台电炉保温，使电炉系统具备连续生产铁水的能力。•并联谐振中频电源因为在整流器上控制输出功率，当输出功率降低的时候会产生较大的无功损耗，因此并联谐振中频电源适合于纯熔化的应用(基本不保温或很短的保温操作)，类似于一班造型，一班熔化浇注，一班清理的生产流程，是典型的并联谐振中频电源应用。•2．2控温技术的发展•传统的控温技术是目测炉料(金属液)，人工判断接近出炉温度时，用热电偶进行测量，对操作工人的经验要求高，反复测温消耗大量的热电偶。如果测温不及时，可能造成金属液过热，烧损化学成分或烧坏炉衬。目前新的温度控制方法是采用基于能量平衡的控制技术。这是通过一个内置软件不断监测中频电源的输出功率同时，对环境温度、冷却水温度和流量等进行连续监测，用来计算电炉消耗的能量，计算得出炉料升温情况。并且软件具备误差修正功能，调整自己的计算模型，使以后的计算结果更加趋近实际的结果。•2．3谐波控制的发展•IGBT串联谐振电源采用二极管整流，任何功率下功率因数都在0．95以上，可控硅串联谐振电源功率因数也在0．9以上。并联谐振电源的功率因数比较低，在满功率情况下才能达0．8～0．9。另外还有不可避免的谐波，对电网构成了一定的污染，电源功率越大，这种问题越突出。新一代电源必须是高功率因数、低谐波的电源。目前发展的技术：多重化整流技术、全控功率管加上矩阵控制或PWM控制等技术、串联线路、斩波技术等。同时也催生了电源谐波的滤除和功率因数补偿的消谐装置的开发和生产。•2．4感应电炉的其他发展•由于卷板技术的不断发展，使得整体卷制厚钢板成为可能，目前广泛采用的是整块厚钢板卷制成封闭式炉体。封闭式炉体全周非常牢固、炉框外的漏磁很小、噪音低、能够有效防止铁粉进入炉体内部，避免粉尘等进入炉体内部引起线圈短路。在出铁水倾炉作业时，由以前的炉体直接倾转，露出炉体坑洞发展为随炉体倾注而上升的安全栅栏，有效保证了操作工人的安全性。•3感应电炉的配套设施•好的设备还要有好的土建和配套设计。在中频电炉设备选型等结束后，工作只进行了一半，合理的土建、配套设计，不仅能节省造价及施工周期，也为后期运行提供安全保障和节•能减排。•3．1水冷系统•感应电炉的电器元件如电源、线圈以及炉体等都需要用水进行冷却，因此水冷系统对于感应电炉至关重要。根据对目前中频炉使用企业调查的情况来看，中频炉事故由冷却水故障而造成几率是最高的。因为需要冷却的部件为电器元件，冷却水中的导电值尽可能小，并且由于需要冷却的炉体长时间处于高温，需要对冷却水进行去钙、镁等离子，在生产中广泛采用的是软化水。此外，冷却水的进水温度、出水温度、水压和流量都必须符合设计规定。电炉的冷却水系统设有各种传感器，以监测冷却水的相关参数。当冷却水参数出现异常、超出设定值时就会报警或停止设备运行。•3．2液压系统•液压系统用于控制炉盖的旋转、启闭，控制炉体的倾转。由于炉体的倾转倒出高温熔融金属，因此要求液压系统十分可靠，在设置液压系统时，需要配置两台规格相同的液压泵(一用一备)。在断电的情况下，由于备用应急水只能保证较短时间，为了避免熔融金属长时间存在于炉体内烧坏线圈，需要保证液压泵能够旋转炉体倒出熔融金属，因此电炉的液压系统应配有应急内用电源。当电网供电中断时，如有必要可用应急内用电源将炉内的金属液倒出，以免凝固在炉内。•3．3接地系统•中频感应电炉在进行土建设计的时候，需•要同时考虑配置电气设备接地系统，对需要接地的电气设备进行可靠的接地。坩埚式感应电炉运行过程中，往往因种种原因在炉衬中形成裂纹而导致漏炉事故。•4感应电炉的环保•与冲天炉相比，感应电炉利用电能，涡旋•加热，不燃烧焦炭，无CO、SO：和氮氧化物的排放其排放的烟气和粉尘大幅度减少。另外的环保问题还有烟尘、噪声、谐波和磁场等方面。•4．1中频感应电炉的除尘•4．2中频感应电炉的噪声•在中频感应电炉的运行过程中，噪声主要产•生于中频电源、炉体、液压泵及其外部的风机，变压器、水泵产生的噪声程度相对较小。在进行设备布置时，将这些产生噪音的设备(如中频电源、液压泵等)布置于室内，将风机等布置于车间外部，并且要经常进行设备维护，避免设备长期运行某些部件松动产生更大噪音。•4．3中频感应电炉的谐波•固态中频电源采用工频电整流成脉动直流，再用滤波器转变为直流电，最后经由逆变器逆变成单相中频的整流和逆变过程，会对供电电网造成谐波干扰。国家对电流谐波注入电网有严格的要求，固态中频电源所产生的谐波干扰主要取决于其整流电路的形式。电压反馈串联谐振型中频电源的整流采用桥式不可控整流电路，其产生的谐波比电流反馈并联谐振型中频电源小。另外，采用多相整流的方式，如6相12脉冲整流、12相24脉冲整流，以及整流变压器的绕组采取移相等措施，可大幅减少中频电炉的谐波干扰。感应电炉熔炼•8.1概述•感应电炉熔炼是利用交流电的感应作用，使坩埚内的金属炉料本身发出热量，使其熔化，并进一步将铁液过热的一种熔炼方法。•8.1.1感应电炉的分类和结构•（1）按电流频率分类感应电炉按交流的频率可分为工频、中频和高频3类：工频感应电炉50Hz；中频感应电炉为大于50~10000Hz（一般常用1000~3000Hz）；高频感应电炉为大于10000Hz（例如70~200kHz）。目前，国内铸铁熔炼采用的感应电炉以中频感应电炉居多，工频感应电炉次之，高频感应电炉很少。•（2）按炉体结构分类感应电炉按炉体结构分类，有无芯感应电炉（坩埚式）和有芯感应电炉（沟槽式）两类，其结构示意如图8-1所示。（3）按铸造用途分类感应电炉按用途分类，可分为熔化炉、保温炉和浇注炉3类。8.1.2感应电炉的工作原理•（1）电磁感应与感应加热在一个电路围绕的区域内存在交变磁场时，电路两端就会产生感应电动势，感应电动势的大小等于磁通变化率。若磁通按正弦变化，则电动势E的有效值可用下式表示：E=4.44fNΦ.•式中f——频率（Hz）；•N——匝数；•Φ——磁通（Wb）。感应电炉的工作原理•感应电炉就是利用上述电磁感应的原理进行工作，熔化金属炉料的。以无芯感应电炉（坩埚式）为例，如图8-2所示。•在一个用耐火材料制成的坩埚外面，套着螺旋形的感应线圈（感应器）。坩埚内装有金属炉料。当线圈上通过交流电时，交流电感应作用在金属炉料内部产生感应电动势，从而在炉料内部产生感应电流，并克服金属炉料的电阻而转换为电流，并克服金属炉料的电阻而转换为热量，将金属炉料熔化。•根据焦耳-楞次定律，上述感应加热的热量表达式为：•Q=I2Rt•式中Q——电流通过电阻时产生的热量，J；•I——感应电流，A；•R——金属炉料的电阻，Ω；•t——通电时间，s。•因此，要进行感应加热，必须具备两个基本条件：①使用交流电，产生交变磁场；②被加热的物体为导电材料，如铸铁的金属炉料。•（2）感应电流分布和交流电效应在感应电炉加热过程中，感应电流在导体（金属炉料）上的分布是不均匀的，它受集肤效应、邻近效应和圆环效应的影响。•①集肤效应。被加热的金属导体内的感应电流绝大部分集中于表面，电流密度由表向里迅速衰减，这种现象称为集肤效应。因此，电流密度表面最大，中心最小，其分布曲线如图8-3所示。图8-3中将电流密度衰减至表面电流密度的1/e（约0.368）处的深度定义为电流透入深度δ。e为自然对数的底，e≈2.718。据理论计算，在感应加热时，86.5%的功率是在电流透入深度内转化为热能。在电流透入深度的5倍处（即5δ处）的电流接近于零。电流透入深度δ可用下式表示：••δ=5030√ρ/μf（cm）•式中ρ——导电材料电阻率，Ω•cm；•μ——导体材料的相对磁导率；•f——电流频率。•由上式可知，f越大，δ越小；ρ越大，δ越大。ρ随温度升高而变大，故在感应加热过程中，δ会相应增加。ffff㊣•②邻近效应。当两个通有交流电的导体相互靠近时，在相互影响下，两导体的电流要重新分布，这种现象叫做邻近效应。实质上它和集肤效应相似。图8-4为两平行导体在通过交流电情况下磁场及电流分布。由于邻近效应，载有反向电流的两个导体平行靠近时•电流趋于导体内侧[如图8-4（a）所示]；载有同向电流的两个导体靠近时，电流趋于导体外侧[如图8-4（b）所示]。邻近效应导致导体有效截面的利用率降低。导体间的距离越近，邻近效应越显著。电流密度的不均匀分布，与自身磁场和所有邻近导体磁场的总作用有关。•③圆环效应。当交流电用过螺线管（或环状线圈）时，最大电流密度出现在线圈导体的内侧，这种现象