12種感應熔煉爐

　　目前，在鑄鐵生產中應用最多最普遍的感應熔煉爐有工頻感應爐和中頻感應爐。

　　工頻感應爐能使金屬熔化和升溫，且加熱均勻燒損少，便于調節鐵液的成分、污染小。但工頻感應爐熔化冷料速度慢、不利于造渣、冷爐啟動需啟動塊、生產不夠靈活、故一般常用于金屬和合金的重熔與升溫。另外，工頻感應爐功率因數低，需配置大量補償電容器，也增加了占地面積和設備投資。

　　中頻感應爐則電效率和熱效率高、熔煉時間短、省電、占地面積較少、投資較低，易于實現過程自動化和具有生產靈活性。

　　中頻感應爐適合熔煉鑄鐵，特別適合熔煉合金鑄鐵、球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵。它對爐料的適應性也較強，爐料的品種和塊度可在較寬的范圍內變動。應該指出，雖然中頻感應爐優點較多，發展較快，但工頻感應爐則在鐵液貯存、保溫、調整合金成分和過熱升溫等方面，仍不失為1種良好的設備，尤其是作為高爐、沖天爐等熔煉爐的雙聯用爐仍然得到廣泛應用。世界上最著名最大的離心球墨鑄鐵管生產廠家，法國的木松橋公司就采用工頻感應爐與高爐雙聯工藝，而日本久保田公司則采用工頻感應爐與沖天爐雙聯工藝。首鋼鑄造廠早在80年代初，就在國內首先采用了工頻感應爐與高爐或沖天爐雙聯工藝，試制成功連續鑄造鑄態球墨鑄鐵管，并在以后的生產提供著高溫優質鐵液，一直延用至今，效果良好。

　　2中頻感應爐的發展

　　目前，工頻感應爐向大容量發展已基本停止，中頻感應爐的發展則令人矚目。

　　2.1靜力變頻器

　　中頻感應爐的發展得益于靜力變頻器的使用，這種變頻器和磁力變頻器比較，其效率高達95%～98%。作為感應爐使用的變頻器額定功率不斷提高，近來，9 000 kW變頻器已投產，把它聯接在容量為12 t的爐子上，熔化鐵液的生產率可達18 t/h；將中頻感應爐功率密度每噸熔化能力提高到1 000 kW，能使熔化期縮短到35 min。感應爐的熔化率是隨爐子的容量變化而變化，一般中頻感應爐熔化鑄鐵的熔化率為0.4～35 t/h。例如，使用2 t容量的爐子，可得到2～2.38 t/h的熔化率，使用12 t的爐子則可達到18～21 t/h的熔化率；而采用工頻感應爐熔化冷料的熔化率，1.5 t爐為0.75 t/h、3 t爐為1.5 t/h、5 t爐為2.5 t/h，10 t爐只有4 t/h。可見中頻感應爐的熔化率遠遠超過了工頻感應爐，這就為在選擇鑄鐵生產熔煉設備時可以以小代大，使用較小容量的中頻感應爐代替較大容量的工頻感應爐創造條件，中頻爐取代工頻爐既減少了用地，又降低了投資，也保證了鐵液的連續供應，對于連續作業、生產能力較大的鑄鐵生產均十分有利。將中頻感應爐用于連續鑄造或離心鑄造球墨鑄鐵管生產的鐵液熔煉，用它取代沖天爐，或與高爐、沖天爐進行雙聯，其生產能力將可得到充分發揮。例如，國內有1個離心球墨鑄鐵管生產廠家，就是采用了10 t中頻感應爐與高爐雙聯工藝，對鐵液進行升溫和調整成分，將貯存的高爐鐵液從1300℃升溫到1520℃，大約需要27 min。該爐頻率100～200 Hz，功率為2 500 kW。

　　中頻感應爐電效率和熱效率高，不但提高了熔化率、縮短了熔化時間，其單位電耗也相應降低。與工頻感應爐相比，其電耗可從700 kW.h/t降低到515～580 kW.h/t。有關資料表明，在考慮爐渣的熔化和過熱所需能量損失的情況下，中頻感應爐冷啟動時，單位電耗約582 kW.t/h，熱爐操作時，單位電耗為505～545 kW.h/t，如果連續加料操作，則單位電耗僅為494 kW.h/t。

　　2.2生產靈活性

　　中頻感應爐在生產安排上有較大的彈性，熔化操作有較大的靈活性。對于工頻感應爐，要求不間斷地連續工作，因為間斷會增加冷啟動，冷啟動不但增加熔化時間和能源消耗，且每1次都還必須使用啟動塊。而中頻感應爐在間斷短時間使用時，則可不使用啟動塊就進行冷啟動，更換爐料十分方便，鐵液又可完全倒空，能實現在短時間內的材質更換，有利于生產組織安排。這為單件小批量生產帶來有利條件。例如，鋼鐵冶金企業中的行業性機修廠，主要承擔鋼鐵企業所需的備品、備件及大宗消耗件的生產，并承擔一些非標準設備的制造，又多是單件小批量生產，品種較多，材質要求經常變換。在這方面中頻感應爐所具有的生產靈活性，彌補了工頻感應爐及其它熔煉用爐的不足。

　　2.3爐體結構

　　隨著中頻感應爐功率密度的不斷提高，也就對爐子的安全運行、提高爐襯壽命和降低噪音等要求越來越高，爐體結構的合理性也就越來越為人們所重視，其中重型鋼殼爐具有耐久性強、效率高、生產率高且噪音小、易于維修等許多優點。

　　重型鋼殼爐與框架爐不同，它是設置有多個較大檢查口的高強度環型鋼殼，爐子運行時，檢查口是關閉的，檢修時則每個檢查口均可打開。重型鋼殼爐內部結構結實，可以避免傾斜出鐵澆注可能引起的變形，延長了爐襯壽命，而且由于封閉的堅固爐殼及其內部可增加吸音隔離材料，使得工作噪音大大降低。結實的鋼殼還能夠有效地保護感應線圈避免飛濺金屬的危險，使爐子在運行過程中具有最大的安全性。為了有效地隔熱保溫并提高爐襯壽命，重型鋼殼爐還在頂部和底部分別設置了冷卻環，起到了均勻爐襯溫度，降低熱膨脹作用。低能耗、高強度的不銹鋼冷卻環，大大提高了爐子效率。

　　重型鋼殼爐不僅有堅固的鋼殼，而且設計了專門用于感應熔煉的厚壁管結構線圈，并通過正確選擇感應線圈的匝間距離使得線圈的轉換效率最高、電阻最小。1方面，厚壁感應線圈載流截面大、壁厚均勻、不易發生因電弧和膨脹引起的破壞，另1方面，線圈采用特殊的支撐系統，每1匝都被牢牢鎖緊，剛性好，減少了由于電磁力引起的振動，大大延長了爐襯的使用壽命。另外，這種感應線圈的周圍覆蓋了50%的磁軛，有效地改變了磁場的分布。同時隔離緩沖墊也降低了噪音和振動，增加了磁軛的效率。重型鋼殼爐還采用感應線圈延伸并超過爐襯底部的加長線圈設計，從而使得從爐體頂部到底部之爐料負載與磁場的耦合非常均勻，提高了能量轉換效率，也減少了因磁場產生的攪拌力對底部爐襯的影響。

　　合理的爐體結構十分重要，重型鋼殼爐只是其中1種。不少廠家都在致力改進爐體結構，以適應中頻感應爐的應用與發展。

　　2.4除渣與修爐

　　中頻感應爐生產率高，熔化期可縮短到35 min左右，為了最大限度利用爐子的功率，必須盡可能快地除渣。采用撇渣器或人工除渣，效果均差且時間較長，勞動條件惡劣。為了解決這個非常費時而又繁重的作業，出現了1種爐子后傾出渣方法，即通過爐體頂部后邊的開槽將爐渣倒入運輸車里，這種方法既快捷又方便。爐子后傾角度一般為20°～25°。

　　中頻感應爐工作1個爐役后，必須進行拆除和修爐。為了縮短更換耐火材料爐襯的停爐時間，必須考慮機械化，振動筑爐和爐襯推出機也就成了大型感應爐的主要配件。爐襯推出機可以在耐火材料爐襯完全冷卻之前將其推出，進一步縮短了修爐時間，改善了勞動環境。

　　2.5雙供電電源與控制系統

　　中頻感應爐的1個獨特發展是用1套供電系統向2臺爐子供電，實現了無生產間隔作業的工作制度。實踐證明，1臺感應爐的總有效功率通常在整個熔化期不能被充分利用，在測定鐵液溫度、取樣、除渣、出鐵、尤其是在澆注的情況下，都要降低功率或切斷電源。如果澆注周期較長，利用率只有50%左右，這表明要想達到所需要的生產率，電源設備的額定功率需是利用率為90%的1.8倍。為了解決這個問題，研制成功了1種雙電源系統。該系統使用2個相同的換流器和電容器組，每臺爐用1組，但都用共同的整流器和變壓器來供電，每個換流器均可單獨控制，能夠將總有效功率以任意比例分配到2臺爐子里。這種系統除對1臺爐子保溫提供充足的電力外，其余功率都可用于第2臺爐子進行鐵液熔煉。一旦熔煉爐準備澆注，其換流器的功率立即降低到保溫水平；此時另1臺爐子則倒空，然后重新裝冷料，提高換流器的功率，開始新的熔煉。如有必要，可將總有效功率接到1臺爐子上，另1臺爐子停用；或將總有效功率平均分配到2臺爐子上，使其同時熔煉。例如，神光電爐的雙供電電源及控制系統，就是可同時向2臺爐子供電，且輸送給2臺爐子的功率是無級分配的。采用這種電源可同時向1臺爐子輸送熔化功率，向另1臺爐子輸送保溫功率，使電源利用率達到100%。這種電源向2臺爐子同時送電，完全避免了切換開關或另加1套電源，不必在熔煉中將電源切換到保溫爐子上以保持必要的澆注溫度，從而使中頻爐實現了熔化和保溫2種功能。當1臺爐子處于維修狀態時，電源可與這臺爐子隔離，而只給另1臺爐子供電，也增加了安全性。

　　應該提到的是，配有雙供電電源與控制系統的中頻感應爐，即使在1臺爐子烘爐時，也能保證另1臺爐子正常生產，從而實現鐵液的及時連續供應，這也是工頻感應爐無法比擬的。首鋼鑄造廠1變2爐實踐證明，2臺10 t工頻感應爐使用1套電源供電，在1臺爐子烘爐時，另1臺爐子也不能生產。如果1次烘爐約需3天時間，則1年當中約1個月不能生產，影響極大。為了實現能夠連續生產的目的，1是增加工頻感應爐數量，2是增加1套烘爐電源設備。首鋼鑄造廠在建設離心球墨鑄鐵管車間時，就是在原有1變2爐基礎上增加1臺工頻感應爐及相應的電源設備；國內另1個離心球墨鑄鐵管生產廠家則在原有1變2爐基礎上，擬增加1套烘爐電源設備。無論采用如上所說的哪種措施，都要增加相應的設備與設施，也就增加了占地與投資。中頻感應爐雙供電電源與控制系統的應用，不但同時保證了熔煉和保溫，也同時實現了烘爐不停產。

　　2.6自動化程度

　　中頻感應爐采用計算機控制系統，自動化程度較高。對于大功率中頻感應爐，熔化期非常短、過熱率非常大，只有采用計算機控制系統才能發揮設備潛力，才能對工廠和操作人員提供最有效的保護。25～30℃/min速率過熱熔化爐料的爐子，在滿功率狀態幾分鐘無人看管，很可能造成災難性事故。目前，大型中頻感應爐已裝備了比較完整的計算機輔助監視和控制系統，其主要內容包括：

　　(1)當爐子坩堝中鐵液達到預編程溫度時，保證自動降低爐子功率；

　　(2)爐子固定在測重儀上，測重儀為計算機提供爐子里金屬爐料的質量數據；

　　(3)監測、計算和控制鐵液溫度；

　　(4)為新爐襯提供自動燒結程序；

　　(5)確定達到要求的鐵液成分所需要的碳、硅及其他添加元素的數量；

　　(6)包括1臺自動冷啟動裝置在內的其他有用的必要的功能。

　　另外，安裝自動化機械裝料系統也是發揮大功率中頻感應爐全部潛力所不可缺少的。一般安裝在軌道上可做橫向和縱向移動或繞樞軸轉動的振動給料系統最為合適。

　　高效中頻感應爐的熔化處理系統是由熔化處理機監控整個熔化過程所需的功能及操作程序的，這個處理系統是由1個帶有彩色監控器的微處理機組成的。工作時，在爐子裝料系統和稱重系統的共同作用下，自動計算熔化到澆注溫度所需的功率，控制熔化期爐子熔化過程所需能量的吸收。在電橋的作用下，實現爐子熔化過程的自動裝料；熔煉完畢鐵液達到澆注溫度，處理系統能夠自動轉換保溫過程，可以用最小的能量達到預想的過熱度；通過附加程序，在最利于保護爐襯的情況下，自動控制爐子冷啟動和爐襯耐火材料的燒結過程。

　　熔化處理系統能夠對電源和爐體進行全面自診斷，如果非正常狀態啟動了系統報警，該處理系統可以提供問題所在，并可將這些故障信息存儲起來，也可與打印機相連進行打印保留。

　　3結束語

　　中頻感應爐比工頻感應爐具有更多優點，它適合熔煉各種鑄鐵，特別適合熔煉合金鑄鐵和球墨鑄鐵，近年來在鑄鐵生產中已愈得到廣泛的應用。該爐生產率高、節能省電且有較大生產靈活性，對于諸如鋼鐵冶金企業等行業機修廠及其他單件小批量生產極為有利；它自動化程度高且配有雙供電電源與控制系統。