摘要：感應熔煉爐的應用，使鑄鐵生產(chǎn)進入1個新階段，中頻感應熔煉爐以其熱效率和電效率高、熔煉時間短、耗電省、占地少、投資低、生產(chǎn)靈活和易于實施過程自動化等優(yōu)點，近年來得到迅速發(fā)展。靜力變頻器的出現(xiàn)及其在鑄鐵生產(chǎn)中的應用呈現(xiàn)出新的趨勢。
關(guān)鍵詞：感應爐；應用；發(fā)展
熔煉技術(shù)是鑄鐵生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，其設(shè)備一般采用沖天爐較多。1個時期以來，感應熔煉爐得到迅速發(fā)展，在電力充足的情況下，日漸取代沖天爐。目前，無芯工頻感應爐容量已達110 t，有芯工頻感應爐容量則高達270 t。近年來，中頻感應爐的發(fā)展及其所呈現(xiàn)的優(yōu)越性，給鑄鐵生產(chǎn)注入了新的活力。
1 2種感應熔煉爐
目前，在鑄鐵生產(chǎn)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(diào)節(jié)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(chǎn)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(shù)低，需配置大量補償電容器，也增加了占地面積和設(shè)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(xiàn)過程自動化和具有生產(chǎn)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(nèi)變動。應該指出，雖然中頻感應爐優(yōu)點較多，發(fā)展較快，但工頻感應爐則在鐵液貯存、保溫、調(diào)整合金成分和過熱升溫等方面，仍不失為1種良好的設(shè)備，尤其是作為高爐、沖天爐等熔煉爐的雙聯(lián)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(chǎn)廠家，法國的木松橋公司就采用工頻感應爐與高爐雙聯(lián)工藝，而日本久保田公司則采用工頻感應爐與沖天爐雙聯(lián)工藝。首鋼鑄造廠早在80年代初，就在國內(nèi)首先采用了工頻感應爐與高爐或沖天爐雙聯(lián)工藝，試制成功連續(xù)鑄造鑄態(tài)球墨鑄鐵管，并在以后的生產(chǎn)提供著高溫優(yōu)質(zhì)鐵液，一直延用至今，效果良好。
2 中頻感應爐的發(fā)展
目前，工頻感應爐向大容量發(fā)展已基本停止，中頻感應爐的發(fā)展則令人矚目。
2.1 靜力變頻器
中頻感應爐的發(fā)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(chǎn)，把它聯(lián)接在容量為12 t的爐子上，熔化鐵液的生產(chǎn)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(chǎn)熔煉設(shè)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(chuàng)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(xù)供應，對于連續(xù)作業(yè)、生產(chǎn)能力較大的鑄鐵生產(chǎn)均十分有利。將中頻感應爐用于連續(xù)鑄造或離心鑄造球墨鑄鐵管生產(chǎn)的鐵液熔煉，用它取代沖天爐，或與高爐、沖天爐進行雙聯(lián)，其生產(chǎn)能力將可得到充分發(fā)揮。例如，國內(nèi)有1個離心球墨鑄鐵管生產(chǎn)廠家，就是采用了10 t中頻感應爐與高爐雙聯(lián)工藝，對鐵液進行升溫和調(diào)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(guān)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(xù)加料操作，則單位電耗僅為494 kW.h/t。
2.2 生產(chǎn)靈活性
中頻感應爐在生產(chǎn)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(xù)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(xiàn)在短時間內(nèi)的材質(zhì)更換，有利于生產(chǎn)組織安排。這為單件小批量生產(chǎn)帶來有利條件。例如，鋼鐵冶金企業(yè)中的行業(yè)性機修廠，主要承擔鋼鐵企業(yè)所需的備品、備件及大宗消耗件的生產(chǎn)，并承擔一些非標準設(shè)備的制造，又多是單件小批量生產(chǎn)，品種較多，材質(zhì)要求經(jīng)常變換。在這方面中頻感應爐所具有的生產(chǎn)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(jié)構(gòu)
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(jié)構(gòu)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(chǎn)率高且噪音小、易于維修等許多優(yōu)點。
重型鋼殼爐與框架爐不同，它是設(shè)置有多個較大檢查口的高強度環(huán)型鋼殼，爐子運行時，檢查口是關(guān)閉的，檢修時則每個檢查口均可打開。重型鋼殼爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)結(jié)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(nèi)部可增加吸音隔離材料，使得工作噪音大大降低。結(jié)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(shè)置了冷卻環(huán)，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(huán)，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(shè)計了專門用于感應熔煉的厚壁管結(jié)構(gòu)線圈，并通過正確選擇感應線圈的匝間距離使得線圈的轉(zhuǎn)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(fā)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(tǒng)，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(shè)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(zhuǎn)換效率，也減少了因磁場產(chǎn)生的攪拌力對底部爐襯的影響。
合理的爐體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，以適應中頻感應爐的應用與發(fā)展。
2.4 除渣與修爐
中頻感應爐生產(chǎn)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(yè)，出現(xiàn)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(huán)境。
2.5 雙供電電源與控制系統(tǒng)
中頻感應爐的1個獨特發(fā)展是用1套供電系統(tǒng)向2臺爐子供電，實現(xiàn)了無生產(chǎn)間隔作業(yè)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(chǎn)率，電源設(shè)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(tǒng)。該系統(tǒng)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?qū)⒖傆行Чβ室匀我獗壤峙涞?臺爐子里。這種系統(tǒng)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?qū)⒖傆行Чβ势骄峙涞?臺爐子上，使其同時熔煉。例如，美國應達公司DUAL-TRAK雙供電電源及控制系統(tǒng)，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(guān)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(xiàn)了熔化和保溫2種功能。當1臺爐子處于維修狀態(tài)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(tǒng)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(chǎn)，從而實現(xiàn)鐵液的及時連續(xù)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(chǎn)。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(chǎn)，影響極大。為了實現(xiàn)能夠連續(xù)生產(chǎn)的目的，1是增加工頻感應爐數(shù)量，2是增加1套烘爐電源設(shè)備。首鋼鑄造廠在建設(shè)離心球墨鑄鐵管車間時，就是在原有1變2爐基礎(chǔ)上增加1臺工頻感應爐及相應的電源設(shè)備；國內(nèi)另1個離心球墨鑄鐵管生產(chǎn)廠家則在原有1變2爐基礎(chǔ)上，擬增加1套烘爐電源設(shè)備。無論采用如上所說的哪種措施，都要增加相應的設(shè)備與設(shè)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(tǒng)的應用，不但同時保證了熔煉和保溫，也同時實現(xiàn)了烘爐不停產(chǎn)。
2.6 自動化程度
中頻感應爐采用計算機控制系統(tǒng)，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(tǒng)才能發(fā)揮設(shè)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(tài)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(jiān)視和控制系統(tǒng)，其主要內(nèi)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(zhì)量數(shù)據(jù)；
(3)監(jiān)測、計算和控制鐵液溫度；
(4)為新爐襯提供自動燒結(jié)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(shù)量；
(6)包括1臺自動冷啟動裝置在內(nèi)的其他有用的必要的功能。
另外，安裝自動化機械裝料系統(tǒng)也是發(fā)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(zhuǎn)動的振動給料系統(tǒng)最為合適。
高效中頻感應爐的熔化處理系統(tǒng)是由熔化處理機監(jiān)控整個熔化過程所需的功能及操作程序的，這個處理系統(tǒng)是由1個帶有彩色監(jiān)控器的微處理機組成的。工作時，在爐子裝料系統(tǒng)和稱重系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)能夠自動轉(zhuǎn)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(jié)過程。
熔化處理系統(tǒng)能夠?qū)?a >電源和爐體進行全面自診斷，如果非正常狀態(tài)啟動了系統(tǒng)報警，該處理系統(tǒng)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(jié)束語
中頻感應爐比工頻感應爐具有更多優(yōu)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(chǎn)中已愈得到廣泛的應用。該爐生產(chǎn)率高、節(jié)能省電且有較大生產(chǎn)靈活性，對于諸如鋼鐵冶金企業(yè)等行業(yè)機修廠及其他單件小批量生產(chǎn)極為有利；它自動化程度高且配有雙供電電源與控制系統(tǒng)，同時具有熔煉和保溫的功能，對于諸如鑄鐵管生產(chǎn)的連續(xù)作業(yè)也很適用，其應用前景必然看好。
中頻感應爐的新發(fā)展，應引起我國感應爐設(shè)計和制造廠家的重視與關(guān)注，努力加大自我研制開發(fā)的力度，適當輔以引進消化、提高創(chuàng)新，盡快把我國感應爐熔煉技術(shù)和設(shè)備提高到一個新水平。
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