感應(yīng)電爐的原理_構(gòu)造和筑爐_修爐方法.pdf

1、!#$% &知識(shí)講座文章編號(hào)-!(#)*#$%.(%/()(%&)(&感應(yīng)電爐的原理、構(gòu)造和筑爐、修爐方法金仲信(三立環(huán)保設(shè)備工程有限公司，江蘇常州!#!(!)中圖分類號(hào)：01#,%文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：2%& () -.*+)1 &2)1 1(13 4(52)1 /( 62&(7),0 7(5 89, & : ( (; 2 +5 (; 7(5 =,*7 &(;345 6789:);9? 29A89BC9D EA8DCFD89 2GHVBC9D 29:9CCA9:N78H !#!(!M J7)II現(xiàn)代鑄鐵！#$!#$% &知識(shí)講座II現(xiàn)代鑄鐵！#$!#$% &知識(shí)講座我國(guó)的鑄鐵熔煉歷來(lái)以沖天爐為主。隨著

2、我 國(guó)加入世貿(mào)組織，國(guó)際鑄件市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈 和鑄件出口的逐步增長(zhǎng)，顧客對(duì)材質(zhì)穩(wěn)定性的要 求日趨嚴(yán)格；采用感應(yīng)電爐單獨(dú)熔煉或與沖天爐 等雙聯(lián)熔煉已是一種必要的生產(chǎn)手段。本文介紹 感應(yīng)電爐的類型和熔煉特性、熔化原理和爐型構(gòu) 造、筑爐和修爐方法。!感應(yīng)電爐的熔煉特點(diǎn)感應(yīng)電爐與其它熔煉爐相比，除了熔煉原理收稿日期：($)!)!*作者簡(jiǎn)介：金仲信(!+$*,*)，男，高級(jí)工程師，在有關(guān)鑄造 雜志上發(fā)表論文、譯文百余篇，原從事鑄造工藝、鑄造熔煉工 作，現(xiàn)從事質(zhì)量管理工作。!其它耐火粉料調(diào)制的涂料膏，晾干后即可下芯。當(dāng) 生產(chǎn)內(nèi)腔清潔度和光潔度要求很高時(shí)，必須對(duì)砂 芯采取整體涂料而后表面烘干。但是在水套砂

3、芯 頂端的不易脫落的殘砂似乎不屬于機(jī)械粘砂，因 為能被捅下，表明鐵液沒有鉆入砂芯表層中。產(chǎn)生 原因可能有以下幾種：芯砂中加入氧化鐵以防 氮針孔，能夠降低砂芯的燒結(jié)點(diǎn)。為了防止氣孔 缺陷而將澆注溫度過(guò)分提高。例如砂型澆注溫度 提高到！ $( O以上。水套頂端的砂芯三面受熱， 即使二氧化硅含量較高的福建原砂也會(huì)輕度燒結(jié)。砂型和砂芯表面燒結(jié)形成的粘砂可以稱為“熱粘砂”。通常鑄件外表面的熱粘砂不難拋丸清除掉 落，而內(nèi)表面就需要由人工用專門細(xì)柄工具細(xì)心 清理。!$,我廠曾經(jīng)發(fā)生煤粉料斗持續(xù)冒煙，不知如之外還有如下的特點(diǎn)：(!)采用電磁感應(yīng)將材料直接加熱，熱效率高。)由于熔煉中未使用空氣，元素?zé)龘p少，雜

4、質(zhì)混入也少。(#)操作簡(jiǎn)單，成分調(diào)整、添加微量元素和溫 度控制容易?？煞奖愕厝蹮挸煞志鶆虻母吲铺?hào)鑄 鐵和合金鑄鐵。($)熔煉爐周圍的熱散發(fā)小，煙塵發(fā)生量低； 作業(yè)環(huán)境改善，有利于環(huán)境保護(hù)。(%)占地面積小。(&)電流密度高，適用于高溫熔煉。(-容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，特別是可利用計(jì)算 機(jī)進(jìn)行程序控制。何撲滅。為什么煤粉會(huì)自己冒煙呢？應(yīng)該如何消除 和防止？這就是煤粉發(fā)生“自燃現(xiàn)象”。有些煤粉揮發(fā) 分較高，或配煤的成分中含氣煤較多，煤粉在堆積 嚴(yán)密，不能透風(fēng)散熱的條件下，就有可能產(chǎn)生自燃 現(xiàn)象。筆者認(rèn)為消滅煤粉料斗冒煙，絕對(duì)不可向料 斗中吹風(fēng)，否則燃燒更加猛烈。更不可澆水滅火， 以免難于清除。也許可以將

5、用于水玻璃砂型硬化 的二氧化碳?xì)馄咳?lái)，自煤粉料斗底部向斗內(nèi)吹 氣 排除斗內(nèi)氧氣，使煤粉的燃燒熄滅。以后選購(gòu) 煤粉時(shí)也應(yīng)把是否容易自燃做為條件之一。國(guó)外 資料介紹煤粉口袋在庫(kù)房中堆放不可過(guò)高，還要 注意口袋之間留出通道，以便散熱。還有的造型材 料供應(yīng)公司專門供應(yīng)一種摻入少量(！(P左右)膨潤(rùn)土的煤粉，制成混合粉，即可防止自燃。II現(xiàn)代鑄鐵！#$!#$% &知識(shí)講座II現(xiàn)代鑄鐵！#$!ki. ncl 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.!#$%&知識(shí)講座DDDoDDpo

6、bD感應(yīng)電爐的分類及熔煉特性的比較!$%感應(yīng)電爐的分類熔煉鑄鐵用感應(yīng)電爐一般作如下的分類： 工頻感應(yīng)電爐：工頻有芯感應(yīng)電爐，工頻無(wú)芯感應(yīng)電爐。 中頻感應(yīng)電爐：并聯(lián)變頻中頻感應(yīng)電爐，串聯(lián)變頻中頻感應(yīng)電爐。通常，把電流頻率 ? EF的感應(yīng)電爐稱為工頻 感應(yīng)電爐，而把電流頻率 G? EF=!? HEF的感應(yīng)電 爐稱為中頻感應(yīng)電爐。除此以外，還有真空感應(yīng)電爐和與其它加熱 機(jī)構(gòu)復(fù)合的等離子感應(yīng)電爐，感應(yīng)電弧爐等特殊 構(gòu)造的電爐，都能用于鑄鐵熔煉。除了單獨(dú)熔煉以 外，還可用兩種爐子以如下方式組成雙聯(lián)熔煉。(!)工頻無(wú)芯感應(yīng)電爐或中頻感應(yīng)電爐與工 頻有芯感應(yīng)電爐雙聯(lián)熔煉。(D)中頻感應(yīng)電爐與工頻無(wú)芯感應(yīng)電爐

7、的雙 聯(lián)熔煉。(B)沖天爐、電弧爐等其它熔煉方式的化鐵 爐與工頻有芯、無(wú)芯感應(yīng)電爐的雙聯(lián)熔煉。!$!各種感應(yīng)電爐的特性比較各種感應(yīng)電爐的特性比較如表！所示。表！鑄鐵熔煉用各種感應(yīng)電爐特性比較表#$%! & #(#)*+(-*,)- )./0#(,-.1 .2 3#(,.4- ,154)*,.1 24(1#)+- 2.( )#-* ,(.1 /+6*,17項(xiàng)目工頻無(wú)芯感應(yīng)電爐中頻感應(yīng)電爐工頻有芯感應(yīng)電爐用途熔煉保溫升溫?zé)? 一部分升溫保溫升溫操作條件間隙或連續(xù)間隙或連續(xù)連續(xù)熔煉形式單獨(dú)或雙聯(lián)單獨(dú)為主雙聯(lián)攪拌力強(qiáng)中弱電流密度中高低熔煉速度中快慢用電效率89:;?;A=;C=C;綜合效率89:=;!

8、成分波動(dòng)中=較大少少8包括元素?zé)龘p：成分調(diào)整容易容易較難要用起熔塊-起動(dòng)時(shí)間短起動(dòng)時(shí)需要有鐵液其他用殘留鐵液熔煉不需殘留鐵液需要經(jīng)常殘留鐵液空爐可休止熔煉可以空爐不能空爐構(gòu)造較為復(fù)雜B感應(yīng)電爐的熔化原理感應(yīng)電爐的熔化原理如圖！所示。當(dāng)線圈通過(guò) 交流電流時(shí)，在其內(nèi)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。當(dāng)其中放有金屬導(dǎo)體時(shí)，由于電磁感應(yīng)作用，金屬導(dǎo)體中在與磁 力線成直角的圓周方向，產(chǎn)生與線圈電流方向相 反的渦流，由渦流產(chǎn)生的焦耳熱 |DJ使導(dǎo)體加熱 而熔化。圖I庫(kù)力戮馬謁通f吟應(yīng)也爐第此嫖起團(tuán)1忙.1lirkH?w “mH&$%感應(yīng)電流的密度在金屬導(dǎo)體(即爐內(nèi)金屬爐料)產(chǎn)生的感應(yīng) 電流密度在線圈內(nèi)側(cè)的表面最大。越向內(nèi)，電

9、流密 度按指數(shù)函數(shù)急劇減小。這種現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)。 即加熱集中在金屬塊表面，傳導(dǎo)到內(nèi)部較緩慢。 &$!頻率與電流透入深度電流透入深度隨頻率而變動(dòng)，并與頻率的平 方根成反比。即頻率越高，電流透入深度淺，但其 間電流密度高。也就是說(shuō)，頻率越高集膚效應(yīng)越強(qiáng) 烈，加熱效率越高。所以，中頻感應(yīng)電爐可以直接 用金屬爐料熔煉，而工頻感應(yīng)電爐必須用起熔塊 或殘留鐵液才能熔煉。電流透入深度又如圖 D所示的那樣，隨爐內(nèi)金屬爐料(鐵液)溫度的升高而加大，并且中頻與工 頻電爐的差別也擴(kuò)大。工頻感應(yīng)電爐爐內(nèi)鐵液量 與電力的關(guān)系如圖 B所示。由此更可以理解為什么 工頻感應(yīng)電爐必須用殘留鐵液來(lái)熔煉的道 理。&$&鐵液的攪拌

10、盛有鐵液的感應(yīng)電爐通電后便會(huì)產(chǎn)生如圖A所示的攪拌運(yùn)動(dòng)，這是感應(yīng)電爐熔化的特征。攪 拌力可用式(！)計(jì)算：?%!BM( !)n 56!莎式中：KH7 )/ND攪拌力，MHM功率，現(xiàn)代鑄鐵!#$!IIhttp;/wwvhcnki.nct 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing flense. AH rights reserved.!#$% &知識(shí)講座? ? M問r軒胡度也誥;；：x江總:系J1 i.2 K*N仝bhtuwn bietcil評(píng)論Liu；jjd ”：ueI；山“；. rJt|ih uf i.j|,.rKiir田心軟浪

11、的桃甘運(yùn)勸Fia-4 AgstalioH fliuvc*oenl uf iron melt同3二訛無(wú)芯感應(yīng)電爐的肉荷嵇注.瓷知n.n.3 A rxati!plr d Jogd rharrirLetis：it,：F. cd cxirftJ-.-hs m j n lifiinrih indijrSEnEs fnnuicr嗚X.主或丄幀有芯感應(yīng)赴煙Pip 5 Vert： nuin ix?中ir；ncp “胡日討詁山 冷吃站0 wi ill iiun c:on#爐內(nèi)徑，$鐵液高度，%被加熱體的固有電阻，& （頻率，從式（）中可以看出，攪拌力與功率成正比 例，而與頻率的平方根、爐內(nèi)徑和爐內(nèi)鐵液高度成 反

12、比例。攪拌力對(duì)熔煉操作是十分重要的。攪拌力弱#Q #臥式工頻有芯感應(yīng)電爐如圖-，加熱鐵液的熔 溝部接近于水平位置，鐵芯傾斜設(shè)置，由于拆除容 易而便于筑爐和修爐，常用作沖天爐的前爐。工頻有芯感應(yīng)電爐的主要結(jié)構(gòu)由爐體、傾爐 機(jī)構(gòu)、水冷系統(tǒng)和電氣配套設(shè)備等部分組成。爐體一般有爐膛、爐蓋、導(dǎo)磁體、感應(yīng)線圈、熔 溝等部分。立式爐爐蓋的啟閉一般由手動(dòng)操作提 升機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。傾爐機(jī)構(gòu)多采用液壓裝置，用兩個(gè)感應(yīng)電爐的構(gòu)造僭白臥戎工城有芯謝應(yīng)電甲I1 ig.6 lloHzonld E3JM.LE4iiiduciLon funuv* willl I FthTL Mil時(shí)，增碳劑和合金類熔化不好；對(duì)生產(chǎn)率和材質(zhì)調(diào) 整

13、不利。相反，攪拌力過(guò)度激烈時(shí)，不僅爐襯燒損 大，對(duì)灰鑄鐵則影響石墨核心的析出和助長(zhǎng)白口 化傾向。因此，爐內(nèi)徑小時(shí)宜采用中頻感應(yīng)電爐， 而爐內(nèi)徑大時(shí)宜采用工頻感應(yīng)電爐。%$&工頻有芯感應(yīng)電爐的爐體構(gòu)造 立式工頻有芯感應(yīng)電爐如圖+所示。在鐵芯的周邊有一次線圈和進(jìn)入鐵液的熔溝部（相當(dāng)于，次線圈），在熔溝部的鐵液產(chǎn)生渦流而加熱，熔溝 部鐵液的自動(dòng)攪拌作用使其與上部爐室的鐵液循 環(huán)交換，從而使整體鐵液升溫。n現(xiàn)代鑄鐵!#$!#$%&ki. ncl 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserv

14、ed.!#$%&液壓柱塞缸傾動(dòng)。電氣部分包括調(diào)壓變壓器，相平衡裝置，補(bǔ)償 電容器組，控制柜等。工頻有芯感應(yīng)電爐一般作為前爐使用。由于 它能提供成分恰當(dāng)、溫度適宜的定量鐵液，已是近 代大批量鑄件生產(chǎn)和高速生產(chǎn)線上必不可少的熔 煉設(shè)備。%$!工頻無(wú)芯感應(yīng)電爐的爐體構(gòu)造工頻無(wú)芯感應(yīng)電爐或稱坩堝型工頻感應(yīng)電 爐，其 典型的爐體構(gòu)造如圖！，是由坩堝（爐襯）、 磁軛及 緊固裝置等部分組成。較大容量（#$%# & ）知識(shí)講座 臺(tái)生產(chǎn)使用，另臺(tái)備用。兩臺(tái)同時(shí)使用時(shí)， 臺(tái)用于升溫，另一臺(tái)則用于保溫。兩爐只需配備!#$%&1 專兀7機(jī)的爐子，其爐體為整體筒殼式結(jié)構(gòu)，在筒殼內(nèi)裝磁 軛和感應(yīng)線圈。&以下較小容量的爐子

15、的爐體大 都為框架式結(jié)構(gòu)，由感應(yīng)線圈、磁軛及爐襯配以型 鋼構(gòu)成一個(gè)整體。爐體安置在由柱塞缸驅(qū)動(dòng)、通過(guò) 液壓操縱臺(tái)手動(dòng)閥傾轉(zhuǎn)的傾轉(zhuǎn)架上。!#$%&禺7式工販殺芯崔.應(yīng)電護(hù)Hnrinrmrnai n rrqi;子hit i-ndrirtiori Eiimiw with iron miy：爐體中的感應(yīng)線圈是用優(yōu)質(zhì)銅管繞制的，管 內(nèi)通循環(huán)水冷卻，外部?jī)?nèi)磁軛作為磁屏并加固感 應(yīng)器。水冷電纜經(jīng)由爐體后的電極板引入感應(yīng)線 圈，水冷電纜冷卻水自成循環(huán)回路。電氣部分由電源變壓器、主接觸器屏、電抗 器、電控柜、補(bǔ)償電容器組及接觸器架等組成。此 外，一般還裝有漏鐵液報(bào)警裝置。%$&中頻感應(yīng)電爐的爐體構(gòu)造及電路中頻感

16、應(yīng)電爐一般由電源及電氣控制系統(tǒng)、 爐體、傳動(dòng)裝置及水冷系統(tǒng)等部分組成。爐體的基本構(gòu)造與工頻無(wú)芯感應(yīng)電爐相同，包括爐蓋、感應(yīng) 線圈、坩堝、爐架等。中、小型爐均配置兩臺(tái)爐體,套電源。中頻感應(yīng)電路是按如下進(jìn)行頻率變換的: 整流器 !平滑器!逆變換器！匹配器工業(yè)用頻率的交流電，事先通過(guò)整流器和平 滑器轉(zhuǎn)換成平滑的直流電，再在逆變換器變換成 所需的頻率。作為中頻感應(yīng)電爐，這樣的頻率變換 方式有并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振兩種方式。兩者在功 能上明顯的不同點(diǎn)是輸出功率的調(diào)整部位。前者 是在整流器，而后者則是在逆變換器（變頻器）。 以前，鑄鐵熔煉用中頻感應(yīng)電爐大都采用 并聯(lián)諧振方式。而在最近則大都轉(zhuǎn)變?yōu)橛么?lián)諧 振方

17、式。 串聯(lián)諧振方式的電路如圖（所示。兩種 方式的電力圖如圖）。!#$%&!#$%&控制 5ri iz3tg 輸人 丄I . 斷電器翔玄相；1滋監(jiān)攔限爺扼流I也現(xiàn)代鑄鐵,!#$!1994-2008China Academic Journal Electronic PuhlJsliing ncusc. AU rights reserved, httpi/wLcnki.nct從圖）中可以看出伴隨通電時(shí)間頻率與輸出功率的負(fù)荷匹配特性。虛線為并聯(lián)形，實(shí)線為串聯(lián) 形。正如圖中所示的那樣，并聯(lián)諧振方式對(duì)爐內(nèi)負(fù) 荷變動(dòng)的追隨性不好，在熔煉初期的輸出功率如!#$%&!#$%&井聯(lián)諧伍片式罔8串聯(lián)諧據(jù)電骼Br-r

18、sriiiriit cirri lit 衛(wèi)廣和比咋in strifefin!#$%&邇電 一時(shí)間禺卬中饋感應(yīng)電護(hù)電力曲Fi卿 Poww grjifih of mndium iitenccI Iixluctilin furjiar-H!#$% &知識(shí)講座虛線所示的那樣彎曲過(guò)度，不可能按額定功率投 入。而串聯(lián)諧振方式則能與爐內(nèi)負(fù)荷變動(dòng)相適應(yīng)， 振蕩頻率如圖中實(shí)線那樣，可強(qiáng)制性變換，因此在 熔煉作業(yè)開始時(shí)就可以投入連續(xù)的額定功率。應(yīng) 當(dāng)說(shuō)明的是，串聯(lián)式的優(yōu)點(diǎn)是指理想狀態(tài)，在實(shí)際 熔煉作業(yè)中必須有效控制才能接近這種狀態(tài)。由于目前國(guó)內(nèi)大都使用并聯(lián)變頻中頻感應(yīng)電 爐，本文后述的中頻感應(yīng)電爐均指并聯(lián)變頻中頻 感應(yīng)電爐。其它的諸如操作注意事項(xiàng)，也是如此。 筑爐與修補(bǔ)#$%筑爐 (？)耐火材料感應(yīng)電爐因爐型、熔煉金屬種類、爐內(nèi)部位的 不同，應(yīng)選擇與其適應(yīng)的耐火材料。熔煉鑄鐵時(shí)， 鐵液容易鉆入耐火材料，因而不用耐火磚而使用 干式施工的粉狀耐火材料。對(duì)于無(wú)芯感應(yīng)電爐，由于爐子結(jié)構(gòu)限制了爐 襯厚度，爐襯又受到急冷急熱及鐵液攪拌的影響， 因而選用有一定熱穩(wěn)定性和耐火度高的硅質(zhì)或熔 凝硅石質(zhì)。當(dāng)有高溫熔煉和高耐火度要求時(shí)，可使 用高鋁質(zhì)或鎂質(zhì)耐火材料。對(duì)于工頻有芯感應(yīng)電爐，因