中频电炉在铸造车间的发展和节能

1、中频电炉在铸造生产中的发展和节能颜文非（西安机电研究所710075）摘要本文结合作者多年从事中频感应电炉研制开发的经验，阐述了中極感应电炉在现代化铸造生产中的重要地位，并从先进性、聰定性及可靠性、节能、环保、自动化及工艺适应性等方面 对其发展方向作了论述和讨论.本文还结合我国的能源价格现状对在中频炉、冲天炉、冲夭炉 感应炉双联三种熔化工艺的经济性作了较详细的分析，指出双联熔化工艺目前在我国仍有相 当大的优势.文章最后从中频炉自身和配套工艺装备二方而提出了中蘋电炉可以采取的节能擋 施.关馋词：中频电炉、节能、铸造1.中频电炉在现代化铸造生产中的地位及其发展方向现代机械制造技术和冶金技术的飞速发展

2、对铸件提出了优质、精化和节能等要求，高性能的 球铁铸件、蠕状石墨铸铁及铝合金铸件等优质铸件的大量应用，使得感应电炉在现代化铸造生产 中的地位日益显得重要.铸造车间改造和新建铸造车间中，感应电炉的改造或添置往往被放在首 先考虑的位置.因此，“感应电炉的选型''是一个值得大家重视的课题.关于该课题不准备在本文 中详细论述，有兴趣的读者可以参阅发表在现代铸适第期的铸造车间感应电炉的选型 一文.高效、可靠和作业灵活的中频感应电炉的制造技术的发展在提高和确立感应电炉在铸造生产 中的重要地位的过程中起到了不可低估的作用。从下表1可以看出，与已经问世近百年的传统的 工频感应电炉相比，无论从技

3、术性能和作业性能还是从投资方面来说，中频感应电炉具有无可争 议的优势地位.这使得它自上世纪的80年代后期起在欧、美等发达国家得到广泛应用，基本上替 代了传统的工频感应电炉.自90年代中期起，随着我国电子技术的飞速发展，大功率的国产固态 中频电源也已得到成功的开发、生产和应用.因此，传统的工频感应电炉在我国也已逐渐从销售 市场上消失，铸造车间内现存的工频感应电炉也在技术改造中逐步被中频感应电炉替代.表1中频与工頻无心感应电炉的性能比较（以铸铁为例）序号比较指标中频感应电炉工频感应电炉评论1功率密度600 1400 kW/t300 kW/t每吨炉容的配置功率密度允许 值随频率变化，见表22熔化作业

4、方法批料熔化法残液熔化法见注13对加入炉料要求要求小要求高指料快大小、炉料干燥程度等 加料要求4熔化单耗500 540 kWh t540 600 kWlvt由于中频炉的功率密度大，热 损失小，熔化时间短，其总效 率较高5功率调节范围0100%无级调节有级调节丄频炉的功率调节还涉及三相 平衡的週节，较复杂6功率自动调节可以困难功率自动调节功能是实现节能 模式作业和恒功率输出的前提7熔液的搅拌效应可调大且固定中频炉的搅拌效应大小随频率 变化而逆向变化.因此，对于 铝合金熔化可以通过提高工作 频率来减小熔液的搅拌，降低 铝液在熔化过程中的氧化烧损8实现节能模式作业 的可能性能不能以节能模式运行的电炉

5、除了节 能外，尚可以避免熔液的过热9实现恒功率输出的 可能性困难实现熔化周飓内叵力梓输出叫 以提高电炉的生产率，降低熔化单耗10冶金作业特性熔液无多次过 热现象熔液存在多次 过热现象这是由于工频炉须实行残液熔 化作业，每次浇注后堆坍内须 留存1/3左右的残留熔液11故障诊断及保护功 能完全，强部分中频电炉可以实现自我故障诊 断和保护，减少维修时间和工 作量12与计算机连网可能 性可以困难中频炉可与计算机熔化过程自 动控制管理系统连接13对于电网的高次谐 波污染有无中频电源对于电网的高次谐波M可以采辰祜f心14电源占用空间比率30 40%100%15总投资比率85 90%100%注1.以批料熔化

6、法作业的中频炉可以每次将熔液倒空，冷炉启炉时不需要起熔块.对加料块尺寸和状态限制小，炉料过热时间短.这些都是以残液熔化法作业的工频炉所缺乏的优势.为适应现代化铸造生产在节能、安全、环保、自动化及良好的工艺适应性等方面的要求，近 年来，中频感应电炉制造技术在如下几方面作了很大努力，并已取得了成功和进展：1）双向供电电源的开发与应用；双向供屯电源的优点有： 配备双向供电电源的感应电炉的功率利用系数高，理论上可达1.00 （传统的一电一 炉配置方案的功率利用系数仅为0.75,甚至更低），从而大幅度地提高了电炉的生产 率；在相同功率配置条件下，最高可提高生产率达30%; 能够连续不间断地提供铁水，与铸

7、造生产线配合作业的工艺适应性强； 二台电炉可同时作业，仅配备单台电源和一台变压器和冷却装置，主变压器的安装容 量和占用空间也小，电网功率因数高。我所于1998年研制开发成功的CS系列一拖二中频感应电炉及随后开发成功的C A 系列一拖二中频感应电炉均深得国内铸造业的欢迎，仅去年就销售出22套，这二个系列 的累计销售量占该类型感应电炉的国内总持有量的1/3此外，我所研制开发的IGET串联逆变双向供电电源还具有独特的与铸造工艺适应的 频率.功率特性，详见下图1.如图所示，该型式电源的工作频率随功率上升而下降.众所 周知，感应电炉堆塢内铁液的搅拌力大小与工作频率的平方根大小成反比.因此，当电炉3功率增

8、大时.电炉的工作频率降低，从而增强了址竭内的铁液的搅拌反应.(S)H-日f/SCR /lGBT/ /SCRWlOBTlBKSfi中频却彻出功Tin«f的关系120100906040200100垛事0Q)2)配置高功率密度的电炉的开发和应用；电炉的工作频率愈高，其允许功率密度值愈高.二者之间的关系可从下图2看出.由于同样容量的电炉配置高功率后，其单位时间内输入到炉料中的有效能量增加，熔化时间降低(见图3),使得电炉的总效率得以提高，熔化单耗也降低。此外，具有同样生产能 力的此类电炉的容量小，占有空间也小，总投资也有所减少.这就是为什么近年来国外大 力发展此类电炉的原因.目前，国外制造的

9、中频感应熔化炉的功率密度通常配置到600-800 kW/t小容量熔 化炉的功率密度配置可高达1000 kW/t以上.国内制造的中频感应熔化炉的功率密度通常 配置到600 kW/t左右，从制造技术来说，配置更高的功率密度并没有什么大的困难.目 前主要受到炉衬的使用寿命和生产管理及配套设备二个因素的限制。因为在高功率密度情 况下工作的炉衬受到强烈的熔液搅拌效应的冲刷，对炉衬的要求相应提高，目前国内的炉 衬质量尚未能与之相适应.此外，由于配置高功率密度的感应熔化电炉的生产能力大，需 要配置相应的自动化加料装置；否则电炉的功率利用系数将大大降低，失去高功率密度的 意义.图2功率密度打频率的关系_ os

10、 -g2J-Osa-oos pool- c)培於sm (ZH)齐凍< 100 t < 60 t < 18 t < 6 t 1.5 t 功率密度(kW/t)050010001500允许配置功率密Jt (Kw/t)5图3,熔化时间与功率密度关系图（铸帙和铸钢）11012010080601020 05001000功率密度（kW/t）1500T一熔化时何（min.）#3）提高中频电源的稳定性、可靠性及安全性；中频电炉是铸造车间的主要设备、而中频电源的稳定性、可靠性及安全性尤其是流 水作业铸造生产线正常和稳定工作的保证.为了提髙中频电源的稳定性和可靠性，我所 在这方面采取了如下多

11、项先进技术： 具有自动故障诊断功能的全数字化的主控制板； 快速反应的电流、电压传感器替代了传统的电流、电压互感器，使得主控板有足够的时间来处理异常状况，保护电器元器件的安全； 在主控板与主电路的高压部分采用光纤信号传输技术，完全阻断高压部分对于主控 板的损害； 采用进口的大功率的逆变器件，提高中频邑源的可靠性.4）减小中频电源对于电网的高次谐波的污染措施；固态中频电源由整流器和逆变器二部分组成，由于整流器的存在，输入电流（变压 器二次电流）将不再是正弦波。因此，固体中频电源在丄作时产生的谐波电流不可避免 地会注入电网，造成电压正弦波形畸变，使电能质量下降，彫响其它用电设备的正常工 作.现代化的

12、铸造车间大都具有较大的生产能力，因此电炉的功率也较大（目前国内生 产的感应电炉用中频电源已达50006000kW以上），其工作时产生的谐波电流对于电网 的影响已经成为受严重关注的问题.中频固态电源对于电网的谐波干扰程度主要取决于它向电网的公共连接点注入的谐 波是否超过国家颁布的标准（见GBT14549-93,电能质量公用电网谐波）。减少抑制 电源向电网公共连接点注入谐波电流的主要措施有： 增加电源的整流相数.该措施可以消除5、7、17、19次谐波； 装设谐振滤波器，将主要谐波电流滤除，如装设5、7、11次滤波器； 改变供电点，将中频电源接到短路容量较大的公用电网上.我所在治理中频电源对于中.网

13、的高次谐波的污染措旅方面积累了丰富的经聆，主要 在电源变压器和整流器部分采取了有效措施，消除5次和7次谐波电流并降低了 11次及余下各次谐波电流的数值、从而基本上满足了国家标准中对于电能质量的要求.下表2是华东电力试验研究院对我所于1998年研制生产的感应熔铝炉的900kW中 频双向供电电源的谐波测试报告.该系统在不同工况下各次谐波电流和总电压谐波崎变 率均低于上述国家标准规定数值，说明所采取的措施行之有效，可以作为以后设计的重 要参考资料.同时，也表明该系统设计在降低和消除固态变频电源高次谐波对电网的污 染方面的技术先进性表2不同工况下各次谐波电流和总电压谐波畸变率电流（A）450 kVV运

14、行800 kW运行国标允许值31.782 802051 091.022070.350.341590.250.416.8112.3433393131.182.107.9150.100.174.1170.080 0660190.190 6S5.4210.250 662.9230 500 544.5250.440 444.1总电压谐波畸变率（）THD0.790.7145）实现熔化周期内恒功率输出的技术；在并联线路的中频电源感应电炉系统中实现熔化周期内恒功率输出对于提高电炉的 生产率和降低熔化单耗具有很大的意义，它也是中频电炉的一个重要的性能指标.因此, 目前国内中频感应电炉制造厂纷纷投入技术力量攻克

15、此技术课题.我所在全数字化控制 技术的基础上，通过整流和逆变的双控技术（智能功率控制算法），已经能够实现全熔 化周期内90%以上时间的恒功率输出.6）实现计算机管理和节能运行模式；如上所述，感应电炉正向配置高功率密度的方向发展.这对于整个熔化工艺过程的 各个环节的控制以及电炉外围辅助设备的性能提出了更高的控制要求.为了使电炉的高 功率配置充分发挥作用，防止熔液过热，实现节能作业，计算机控制的应用已经是十分 必要。再者，现代化铸造车间高节奏的生产节拍要求从原材料的管理、配料计算.配料优 7化、熔液成分和温度控制、熔化保温浇注工序之间的熔液平衡等各环节环环相扣.这 些繁重而细致的工作已经不是人力能

16、胜任.基于我所开发的全数字化控制技术，我所与1998年研制开发成功了国内首个CBMM 感应电炉计算机熔化管理软件，该软件已经在国内10余家铸造厂的感应电炉上得到应 用.CBMM计算机熔化控制管理系统的主要功能如下： 多台电源远程集中控制功能（包括工作参数显示和设定）； 运行数据（检测点温度、电气参数等）显示知记录； 异常状况记录 温度时间曲线自动运行（用于烧结炉衬），控制曲线用户可编程 功率时间曲线自动运行（用于预热炉衬），控制曲线用户可编程 自动称重和合金配料管理 定量定温度自动熔化（节能运行模式）CBMM熔化管理软件按预定的时间间隔将中频电源和电炉的工作参数存入硬盘.在典型 情况下（每分钟

17、保存一次时），CBMM软件可以保存长达5年的工作参数。这些参数可以随时 调出供显示或打印.这也为企业的质量管理体系提供了完善的作业档案.2.目前国内中频电炉的能耗指标分析中频电炉在铸铁、铸钢及有色金属熔化等方面的国内外熔化单耗指标（kWh/t）比较，见下表3表3序号熔化金属种类国外先进指标国内先进指标国家或行业指标备注1铸铁 (1450C)490-500510-550545-750l-10t炉容2铸钢 (1600C)525540560560-789l5t炉容3铝及铝合金（700°C ）500510550545-6750.45t炉容4铜(1250C )* * *400-440510-5

18、70l-10t炉容如前分析，影响熔化单耗指标的因素主要有： 感应电炉功率密度配置的高低； 熔化周期内恒功率输出时间的比例大小； 感应电炉的效率及感应线圈的电效率高低。国外先进的感应电炉总效率高达75% 感应线圈电效率高达80%。我所采用计算机辅助优化惑应线圈的设计，线圏电效 率达78%,电炉总效率达73%,两项指标接近国外先进水平； 中频电源转换效率的高低.国外先进的电源转换效率已达9798%,我所生产的中 频电源的转换效率已接近97%.3.双联熔化工艺和中频电炉的节能措施1 ）双联熔化工艺铸造车间最早出现冲天炉感应电炉双联熔化工艺是在上世纪的40年代末期.目前 它在铸造车间所占的比重有相当的

19、比例.在我国随着铸造技术的发展，球铁生产量在铸 铁生产中的比例越来越高，这种熔化工艺也受到重视和得到广泛的应用.尤其是中频感 应电炉生产技术的发展，中频感应电炉的效率和操作灵活性都优于工频感应电炉，使这 种工艺更具有吸引力.每吨灰铸铁从常温经预热（至1200C ）、熔化和过热（至1550C ）过程中各阶段所 需的热量比例如下图3。总计需要热量为1322600 KJ/t.冲天炉和中频感应电炉的熔化和过热效率分别见下图4图5冲天炉和中频炉的熔化和过热效率中频炉冲天炉过热阶J俺热和熔化阶段020406080效率©由上面二图可以看出，冲天炉的过热效率是非常低的。因此，冲天炉中频炉的双联 熔化工艺具有它的独特的优势。中频炉熔化、冲天炉熔化及冲天炉-中频炉双联三种熔化工艺的能源消耗费用比较见 下图5下图的能耗费用计算是基于下列条件： 目前电费和焦炭的市场价格分别为0.5元/度及1.1元/kg,电能和焦炭的热值分 别为 3600KJ 和 27210 KJ; 冲天炉中频炉双联工艺是将冲天炉出来的1350铁液经中频炉过热到1550C; 每吨铸铁的能量需求和个阶段的分配见图3所示数据； 冲夭炉和中频电炉的熔化及过热效率按图4的数据； 冲天炉的风机和除尘器电机耗电能量次15kWh/t计算.从图5可以得出如如