工頻感應爐

工頻感應爐是以工業頻率的電流(50或60赫茲)作為電源的感應電爐。工頻感應電爐已發展成一種用途比較廣泛的冶煉設備。它主要作為熔化爐用來冶煉灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵和合金鑄鐵。此外，還作為保溫爐使用，同前，工頻感應爐已代替沖滅爐成為鑄造生產方面的主要設備，和沖天爐相比，工頻感應爐具有鐵水成分和溫度易於控制、鑄件中的氣體與夾雜物的合量低、不污染環境、節約能源和改善了勞動條件等許多優點。因此，近年來工頻感應爐得到迅速發展。

基本介紹

• 中文名：工頻感應爐
• 外文名：induction furnace
• 套用：鑄造生產
• 電源：工業頻率的電流
• 電流強度：50或60赫茲
• 類別：感應電爐

歷史與發展

1887年英國人S.Z.弗蘭蒂(Sebestian Ziani de Ferranti)在英國首先取得明溝式有心感應爐的專利，但未得到實際套用。1917年美國人MR.J.R懷特(MR.J.R.Wyatt)開發了商品名為AJAX-WYATT的“潛溝式”(Sabmerged Register)有心感應爐，並用於黃銅的熔煉，開創了有心感應爐的工業套用歷史。1918年美國人DR.E.F.年諾思拉帕(DR.E.F.Northrup)研製出電火花高頻振盪電源裝置，並利用該電源裝置開發了高頻感應爐，成功地用於鋼的熔煉。20世紀20年代中期，電動發電機式(MG式)和電子管高頻振盪式電源裝置相繼問世，有力地推動了中、高頻感應熔煉爐和感應加熱設備的發展。1932年美國TOCCO公司完成了高頻淬火裝置的工業套用開發。第二次世界大戰中，感應透熱設備開始用於炮彈生產。第二次世界大戰後，工頻無心感應爐獲得開發，50年代起在鑄造行業得到迅速發展。1957年美國GE公司研製出晶閘管式變頻電源裝置，很快在中頻感應爐上得到推廣、套用，有力地推動了中頻感應爐的發展。1958年加拿大的P.柏林格(P.Biringer)發明了三倍頻器，在中頻加熱方面得到小範圍套用。70年代，特別是進入80年代後，電力電子與半導體技術的發展日新月異，電力電晶體、靜電感應電晶體(SIT)、功率場效應電晶體(power MOSFET)、絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)相繼開發，而且隨著半導體器件控制特性、開關特性等的不斷改進、提高，各電晶體變頻電源日趨大容量、寬頻域、高效率和長壽命化。20世紀末，中、高頻感應加熱、感應熔煉用變頻電源裝置基本上已全部靜止化。美、日等工業已開發國家已有8～10 MW、0.2～10 kHz的晶閘管式中頻電源設備供應市場。晶閘管式變頻電源已取代MG式，靜電感應電晶體式、場效應電晶體式變頻電源已逐步開始取代電子管式高頻電源。IGBT式變頻電源裝置和MOS柵控晶閘管MCT (MOS controlled thyristor)式變頻電源裝置已開始涉足10 kHz以下的中頻感應加熱領域。晶閘管式、IGBT式和靜電感應電晶體式中、高頻電源已分別可用到10，60，1000 kHz。20世紀90年代以來，工業計算機系統在感應爐自動化操作、爐況監控、故障診斷乃至熔煉與澆注的過程控制等方面的套用日趨擴大。由計算機控制的一台電源同時向兩台感應爐供電的功率分配式感應熔煉用新型電源設備已取得專利，並在感應熔煉中得到套用。

中國於60年代初開始研製工頻無心感應爐，1966年成功地製造出第一台鐵坩堝無心工頻熔鋁爐。此後，工頻無心感應爐的發展速度加快，並逐步形成系列。與此同時，有心感應爐也隨之問世，並在有色金屬熔煉和鑄鐵保溫領域得到有效套用。1975年6月中國第一台鑄鐵熔煉用20 t大型工頻無心感應爐由西安變壓器電爐廠研製成功，並在富拉爾基第一工具機廠順利投入運行。西安電爐研究所也先後於80年代和90年代研製出45 t鑄鐵保溫有心感應爐和120 t有心感應化鋅爐。70年代初，晶閘管變頻電源獲得開發，並逐步取代三倍頻電源和旋轉變頻機在中頻加熱領域得到廣泛套用。20世紀末已有100～300 kW、0.4～8 kHz系列的晶閘管變頻電源設備可供用戶選用，2.5 t/1500 kW煉鋼用中頻感應爐和30 t鑄鐵保溫用中頻感應爐已正式投入運行。靜電感應電晶體SIT式、絕緣柵雙極型電晶體IGBT式中、高頻電源等的研究始於20世紀80年代後半期，90年代已有100～200 kHz、20～300kW系列的全電晶體高頻電源裝置投放市場。但中國變頻電源裝置的整體技術水準與美國、日本等工業已開發國家相比還有相當差距。

加熱原理

工頻感應爐工作原理是電磁感應定律的具體套用，即給感應線圈通一交變電源時就產生一交變磁通，此磁通交鏈著坩堝中的金屬爐料，於是在爐料中引起感應電動勢。

由於爐料系統導體呈閉合迴路，在該電動勢的作用下產生很強的感應電流；又由於電流的趨表效應，使強大的電流僅沿爐料表層流過，產生大量焦耳熱，從而使爐料加熱以至熔化，如果用熱能和熱量加以表示，則：

；

工頻感應爐結構

工頻感應爐一般都由一套電源及電氣控制設備和兩台爐子組成，一台爐子熔煉，另一台爐子備用。 每台爐子主要由爐體、固定架、爐蓋機構、水電引入系統和液壓系統等組成。

1、爐體：

由框架式（5噸以下）或簡殼式（10噸以上）爐殼、感應器、導磁體以及坩堝等主要部件組成一個裝配單元，它是爐子的“心臟”，熔煉工作進行得如何，主要決定於此部分的工作如何。爐殼由鋼板或型鋼焊成一體，具有充足的強度和鋼性。感應器用優質異型鋼管繞制而成，中間通水冷卻，端部有供電接頭和供水接頭；感應器座於爐底線圈上，依靠周圍分布的磁軛定心並以徑向壓緊，它的上部設有彈性軸向緊固裝置，用以減少感應器送電過程中的振動和防止傾爐時感應線圈的移動。感應器根據設計需要，有一組或二組、三組的；按熔煉工藝要求，可分別或共同併入網路。

磁軛是由優質矽鋼片疊成，分布於感應器的外圍，起支撐感應器的骨架作用，同時可約束感應器外部撒漏磁通，以防止金屬構件發熱。坩堝作為盛裝熔化金屬溶液的容器，它在熔化過程中、高碳鋼、鑄鐵及銅、鋁等有色金屬及其合金時，多用石英砂搗打結而成。 由上述各部分組成的爐體，通過兩側軸承連線於固定架，兩隻柱塞缸實現爐體傾轉，倒出金屬溶液。

2、固定架 固定架用型鋼焊接而成，並用地腳螺栓牢固地固定在混凝土地基上。它承受整個爐體的全部負荷，在爐體傾轉中起支撐作用。

3、爐蓋機構
包括爐蓋、提升手柄或提升油缸。通過手動或液壓驅動，可使爐蓋做升降和旋轉運動，以實現裝料和防止大量輻射熱損失。爐蓋圈內填築耐火材料，也是用以減少熱損失。灶蓋上開有觀察孔，可用於熔煉過程中隨時監視熔煉情況。也克用於測溫、取樣。爐蓋開啟最大角度為90°。

4、水電引入系統

該系統由進回水總管、水冷電纜、各分支水路及其監視儀表等組成。主要用於通水冷卻感應器和水冷電纜。
冷卻水進水溫度一般控制在5~35℃之間，最好控制在稍低於環境溫度以下，否則，溫差太大，往往會引起感應器、電纜及管路外表結露，導致損壞絕緣和出現漏電現象。出水溫度應控制在55℃以下，以減少水中CaO、MgO沉積於感應器內壁而結垢。

冷卻水自水源進入總管分配到各支路，其中有用於冷卻感應器，有用於冷卻電纜，通常兩根電纜組成一支冷卻水路；每個支路設有截止閥，可根據出水大小調整其流量。 用水監視系採用準進水側總管上裝有電接點壓力表，當進水壓力小於最低壓力時，就發出信號和音響；出水側各支路的出水溫度用雙金屬信號溫度計控制，當任一支路水溫超過調整的最高水溫55℃時，均能發出迅號，再根據指示或測量找出超溫支路，便可人工調整該支路冷卻水量。

冷卻水必須清潔，要求水質：酸度PH6~9範圍，硬度不大於10度（每度為1升水含10毫克氧化鈣），總固體量不超過250mg/升，該系統與水源相連線處宜放置過濾器與之銜接，以免大型雜質堵塞水路。 本系統中所用之輸水夾布膠管，長度不得小於設計值，以免漏電造成操作者觸電事故。

5、液壓系統
二台爐體由一台或二台油壓裝置提供壓力油，通過操縱台手動閥和按鈕使爐體傾動或爐蓋啟閉，油壓裝置由兩套相同的油泵、電機、閥門等組成，兩套互為備用，工作油為3號定子油，爐體最大傾動角度95°。
傾爐油缸裝於爐體和固定架之間，作為傾轉的執行機構，其下部進油口裝有“管道破裂安全閥”，一旦由於某種事故使油管破裂或軟管開脫時，安全閥即刻動作，封閉油路，防止爐體自動下降。

日常操作

1． 爐體檢查：

1.1檢查爐體冷裂紋，裂紋在二毫米以下不用作修補。超過二毫米的裂紋必須進行修補。

1.2特別注意水平裂紋，因為水平裂紋在起爐時彌合比較困難。 1.3經常檢查爐體熔損情況，檢查方法必須精確。

2． 冷爐開爐：

升溫曲線；開始時每小時200-300度升溫；當升溫到900-1000度時；按正常的操作工藝工作。

3． 熱爐停爐：

倒完鐵水，清理乾淨爐渣，放入起熔鐵塊，加熱到起熔塊發紅，蓋好爐蓋，讓爐體慢慢冷卻。切記不可用壓縮空氣讓爐體急冷。

4．操作事項：

4.1加入爐料時注意防止爐口機械損傷。

4.2爐內的爐渣儘量扒乾淨，因為爐渣對爐體的侵蝕是特別厲害的，爐渣內的有害化學成份比較多，容易在局部造成異常熔損。

4.3加入脫硫後的鐵水時，必須扒渣乾淨。防止鐵水內的鹼性化學物質通過鐵水轉運包進入中頻爐內。一旦進入爐體內，就會和爐體內的耐火材料起化學反應，爐體耐火材料就會產生不正常熔解和侵蝕。

4.4當使用溫度達不到所選耐火材料的使用溫度時，每周應把爐膛鐵水溫度提高1-2次到耐火材料的使用溫度。

4.5加入合金時，其固體尺寸不大於30mm，防止合金沉底，與鐵水反應後，溶損爐體底部耐火材料。

4.6熔煉出的鐵水日常注意氧化鐵，必要時加入冶金級的炭化矽鐵，以還原鐵水中三氧化二鐵，但是加入矽鐵的溫度應控制在1350-1400度，保持15-25分鐘，利於矽鐵熔解。 4.7每次在倒出鐵水時，必須關閉爐體電源；防止爐底鐵水過熱。