鑄造車間感應電爐的選型

鑄造車間感應電爐的選型摘要：闡述了中頻電爐在現(xiàn)代化鑄造車間中日趨廣泛的應用。討論了感應電爐選型時需要著重考慮的各種因素：電爐容量及功率大小與工藝需求的關(guān)系，電源類型、電源與電爐的配置等與工藝需求的關(guān)系。著重對目前感應電爐選型時比較容易混淆的電爐熔化率與生產(chǎn)率的關(guān)系展開了深入的討論，并引入了功率利用系數(shù)K的概念。此外，對選型時需要考慮的系統(tǒng)功能完整性、安全性、先進性、經(jīng)濟性以及對環(huán)保的適應性也作了詳細的論述。關(guān)鍵詞：鑄造車間，感應電爐，選型；中頻感應電爐在現(xiàn)代化鑄造車間中得到日趨廣泛的應用隨著固態(tài)中頻電源技術(shù)的快速發(fā)展，其變換效率已逐步提高到目前的96?97%，它的操作安全性已完全能滿足生產(chǎn)的需要，而它的投資成本卻逐年下降到已低于工頻電源，再考慮到它在使用上的眾多優(yōu)點，使得它自上世紀的80年代后期起在歐、美等發(fā)達國家得到廣泛應用，基本上替代了傳統(tǒng)的工頻感應電爐。自90年代中期起，隨著我國電子技術(shù)的飛速發(fā)展，大功率的國產(chǎn)固態(tài)中頻電源也已得到成功的開發(fā)、生產(chǎn)和應用。因此，傳統(tǒng)的工頻感應電爐在我國已逐漸從銷售市場上消失，鑄造車間內(nèi)現(xiàn)有的工頻感應電爐也在技術(shù)改造中逐步被中頻感應電爐替代。由于中頻電源的成本低、控制方便、占地小、可以與計算機控制管理系統(tǒng)連接等優(yōu)勢（見下表1），甚至連使用工業(yè)頻率（50Hz）的有心感應電爐的傳統(tǒng)的工頻電源自90年代中期起在國外也開始被固態(tài)中頻電源替代（輸出50?200Hz）。國內(nèi)第一臺配置固態(tài)中頻電源的有心感應電爐（50Hz）也已經(jīng)于

去年問世，該電爐還配置有計算機熔化過程自動控制管理系統(tǒng)，對爐況、爐襯燒結(jié)、功率輸入及熔化溫度可實行全自動控制和檢測。表1 中頻與工頻無心感應電爐的性能比較(以鑄鐵為例)月號￡比較指標中頻感應電爐工頻感應電爐評論1功率密度600~1400kW/t300kW/t每噸爐容的配置功率密度允許值隨頻率變化，見表22熔化作業(yè)方法批料熔化法殘液熔化法見注13對加入料塊要求要求小要求高4熔化單耗500~55kWh/t) 540~580kWh/t由于中頻爐的功率密度大，熱損失小，熔化時間短，其總效率較高5功率調(diào)節(jié)范圍0~100%無級調(diào)節(jié): 有級調(diào)節(jié)工頻爐的功率調(diào)節(jié)還涉及三相平衡的調(diào)節(jié)，較復雜6功率自動調(diào)節(jié)可以困難7熔液的攪拌效應可調(diào)大且固定中頻爐的攪拌效應大小隨頻率變化而逆向變化8電源占用空間比率30~40%100%9電源維修量較小較大10故障診斷及保護功能完全，強部分有11與計算機連網(wǎng)可能性可以困難中頻爐可與計算機熔化過程自動控制管理系統(tǒng)連接12總投資比率~90%100%表2 不同頻率下電爐的功率密度允許值(鑄鐵和鋼)頻率(Hz)100050025012550電爐容量0.2~0.6~1.1~2.5~68~100(t)1.56180功率密度(kW/t)1345945670475300由表2可見，電爐的工作頻率愈高，其允許功率密度值愈高。目前，國外制造的中頻感應熔化爐的功率密度通常配置到600~800kW/t,，小容量熔化爐的功率密度配置可高達1000kW/t。國內(nèi)制造的中頻感應熔化爐的功率密度通常配置到600kW/t左右。這主要考慮到爐襯的使用壽命和生產(chǎn)管理二個因素，因為高功率密度情況下工作的爐襯受到強烈的熔液攪拌效應的沖刷。從上面的分析可以看出，與工頻感應電爐相比，無論從技術(shù)性能和作業(yè)性能還是從投資方面來說中頻感應電爐在現(xiàn)代化鑄造車間內(nèi)用作熔化設(shè)備具有無可爭議的地位。注1.以批料熔化法作業(yè)的中頻爐可以每次將熔液倒空，冷爐啟爐時不需要起熔塊，對加料塊尺寸和狀態(tài)限制小，爐料過熱時間短。這些都是以殘液熔化法作業(yè)的工頻爐所缺乏的優(yōu)勢。電爐容量和功率的確定電爐容量的確定要考慮許多工藝因素，但是基本上應滿足二個條件，一是滿足最大鑄件的澆注重量需要，二是與工藝對鐵水的需求量相符合。由于中頻電爐的功率密度配置較大，當其配置功率密度大于600kW/t時，其熔化能力基本上可以做到每爐次的熔化時間在一小時以內(nèi)。電爐功率大小基本上依據(jù)生產(chǎn)率確定。一旦電爐容量和生產(chǎn)率確定后，電爐的功率就可以根據(jù)下面公式(1)計算得到。電源類型的選擇中頻電源的類型主要有二類：具有并聯(lián)逆變電路的固體電源及具有串聯(lián)逆變電路的固體電源。在我國的鑄造行業(yè)中，習慣對配置可控硅(SCR)全橋并聯(lián)逆變固體電源的中頻感應電爐通常俗稱為中頻爐。而對配置(IGBT)或(SCR)半橋串聯(lián)逆變固體電源的中頻感應電爐通常俗稱為變頻爐(這個稱呼并不確切，只是為了與前者相區(qū)別)。由于這二種感應電爐的逆變供電電源不同，所以它們的工作性能也有很大的區(qū)別。西安機電研究所既生產(chǎn)配置SCR全橋并聯(lián)逆變固體電源的中頻爐(PS系列

電源），也生產(chǎn)配置IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源的變頻爐（CS或CA系列電源）。下文將對它們的優(yōu)缺點和適用范圍作一簡單比較（見表3），以使用戶能夠根據(jù)各自的工藝要求正確選擇這二種不同類型的電爐。表3二種固體電源的主要性能比較比較項目SCR全橋并聯(lián)逆變固體電源（PS系列電源）IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源（CS或CA系列電源）產(chǎn)品規(guī)格范圍160~4000kW50~2500kW電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)額定功率時接近于1功率減小時功率因數(shù)降低始終接近于1諧波干擾相同相同變換效率中功率時相同，大功率時略低中功率時相同，大功率時略高負載適應范圍一般寬廣恒功率輸出能力冷料啟動階段輸出功率較低；改進逆變控制后可接近恒功率運行，但控制技術(shù)復雜整個熔化過程中始終可以保持恒功率運行，控制簡單工作頻率范圍高至2500Hz主要用于感應熔化和保溫最高可達100kHz適用于感應熔化和保溫，也適用于透熱和淬火工作穩(wěn)定性高。中頻電流自成回路，觸發(fā)可控硅必須有一定的電流，抗干擾能力強較高。中頻電流必須通過IGBT構(gòu)成回路，IGBT是電壓控制器件，外界干擾電壓可能誤觸發(fā)IGBT器件過流容量和過流保護過流容量大，保護電路簡單過流容量小，保護電路復雜，技術(shù)要求高配置電源變壓器的余量較大。變壓器配置容量約為固體電源最大輸出功小。變壓器配置容量約為固體電源最大輸出功率的1.1

要求率的1.25倍倍電源功率共享可能性不能可以設(shè)備價格較低CS系列的價格通常比PS系列高30%列高。最近西安機電研究所研制開發(fā)的CA系列電源具有較高的性能價格比，電源容量在1100kW以下，其價格比PS系列略高出20%列右。備件價格低較高根據(jù)上表3,二種固體電源的適用范圍如下表4所示，供用戶選型參考。表4 二種固體電源適用范圍電爐類型固體電源類型優(yōu)點中、小功率熔化爐IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源高性能SCR全橋并聯(lián)逆變固體電源低價格大功率熔化爐SCR全橋并聯(lián)逆變固體電源高可靠性DX型雙向供電電爐IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源唯一選擇保溫電爐IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源高功率因數(shù)透熱爐IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源溫度穩(wěn)定表面淬火爐IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源唯一選擇中頻電源與電爐的配置如表1所述，采用中頻無心感應電爐實現(xiàn)批料熔化法可以使電源的輸出功

率從爐料被加熱起至澆注前保持在最大的負載水平。但是在其后的澆注作業(yè)周期及其它非生產(chǎn)性作業(yè)周期（例如撇渣、取樣、等待化驗結(jié)果等），系統(tǒng)中沒有功率輸出或者僅需少量功率輸出，以保持一定的澆注溫度。為了適應各種不同的鑄造工藝需要，同時也為了充分提高電源的功率利用系數(shù)（將在下節(jié)詳細討論），出現(xiàn)了許多形式的中頻電源與電爐的配置方案，現(xiàn)列于表5介紹如下。表5中頻電源與電爐的配置方案示例號序配置方案評論1單臺電源配單爐簡單可靠，適用于電爐內(nèi)金屬液熔化后迅速倒空，再重新加料熔化的作業(yè)條件，或作業(yè)不頻繁的場合。僅對小容量及較低功率的電爐適合。該配置方案的作業(yè)功率利用系數(shù)（K值，見下述）低。 2 2單臺電源配二爐（通過開關(guān)切換）常見的經(jīng)濟性配置方案。一臺電爐熔化作業(yè)，另一臺爐澆注作業(yè)或維修、筑爐。在作小容量多次澆注作業(yè)時，可將向熔化作業(yè)電爐供電的電源短時間內(nèi)切換到澆注作業(yè)的電爐作快速升溫，以補償澆注溫度的下降。二臺電爐的交替作業(yè)（熔化和澆注、加料作業(yè)）保證了向澆注作業(yè)線持續(xù)供應高溫合格金屬液。該配置方案的作業(yè)功率利用系數(shù)（K值）較高。 2 3該配置方案米用SCR全橋并聯(lián)逆變固體電源，通過切換開關(guān)實現(xiàn)二臺電爐交替與熔化電源和保溫電源相連。該方案目前被用戶廣泛接受并采用，它可以達到與配置方案5相同效果，但是投資卻大大降低。電源切換是借助于電動切換開關(guān)完

二臺電源（熔化電源和保溫電源）配二爐（通過開關(guān)切換）成，操作方便、工作可靠性較高。該方案的不足之處是，保溫電源為了能與同一感應線圈匹配工作，它需要以稍高于熔化電源的頻率工作。由此導致合金化處理時的攪拌作用可能較小，有時需短時間將熔化電源切換過來以增強合金化過程。該配置方案的作業(yè)功率利用系數(shù)（K2值）較高。單臺雙供電源配二爐4該配置方案又可以稱為功率共享電源系統(tǒng)。它是目前國內(nèi)外被用戶廣泛采用的一種先進的配置方案。西安機電研究所自1998年開發(fā)出這種系統(tǒng)以來，全今已向國內(nèi)用戶提供了30余套，足見它受歡迎的程度。該方案的優(yōu)點是：每臺電爐可以根據(jù)各自的工況選擇合適的功率；無機械切換開關(guān)，工作可靠性高；作業(yè)功率利用系數(shù)（％值）高，理論上可達1.00，從而大幅度地提高了電爐的生產(chǎn)率；由于采用IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源，如表2所述，在整個熔化過程中始終能以恒功率運行，所以其電源功率利用系數(shù)（K值，見下述）也高；1單臺電源僅需一臺變壓器和冷卻裝置，與方案3相比較，主變壓器的總安裝容量小，占用空間也小。5. 電爐熔化率與生產(chǎn)率的關(guān)系需要指出，一般電爐制造商在樣本或技術(shù)規(guī)格上提供的電爐熔化能力數(shù)據(jù)是熔化率。電爐的熔化率是電爐本身的特性，它與電爐的功率大小及電源類型有關(guān)，與而生產(chǎn)作業(yè)制度無關(guān)。而電爐的生產(chǎn)率則除了與電爐本身的熔化率性能有關(guān)外，還與熔化作業(yè)制度有關(guān)。通常，熔化作業(yè)周期內(nèi)存在一定的空載輔助時間，如：加料、撇渣、取樣化驗和等待化驗結(jié)果(與化驗手段有關(guān))、等待澆注等。這些空載輔助時間的存在減少了電源的功率輸入，即減低了電爐的熔化能力。為敘述清晰起見，我們引入電爐功率利用系數(shù)K1和作業(yè)功率利用系數(shù)K2的概念。電爐功率利用系數(shù)K是指在整個熔化周期內(nèi)電源輸出功率與其額定功率1之比，它與電源類型有關(guān)。配置可控硅(SCR)全橋并聯(lián)逆變固體電源的中頻感應電爐的K1數(shù)值通常在0.8左右，西安機電研究所對該類型電源增加了逆變控制后(通常的該類型電源僅有整流控制)，該數(shù)值可接近于0.9左右。配置(IGBT)或(SCR)半橋串聯(lián)逆變的功率共享固體電源的中頻感應電爐的K1數(shù)值理論上可達到1.0。作業(yè)功率利用系數(shù)%的大小與熔化車間的工藝設(shè)計和管理水平、電爐電源的配置方案等因素有關(guān)。其數(shù)值等于整個作業(yè)周期內(nèi)電源實際輸出功率與額定輸出功率之比。通常，功率利用系數(shù)%的大小在0.7-0.85之間選擇，電爐的空載輔助作業(yè)時間(例如：加料、取樣、等待化驗、等待澆注等)愈短，K2值愈大。采用表4方案4(雙供電源配二爐系統(tǒng))的K2值理論上可達1.0,實際上在電爐空載輔助作業(yè)時間很低的情況下可達0.9以上。由此，電爐的生產(chǎn)率N可以由下式計算而得：N=P.K1?%/p(t/h) (1)式中：P--電爐額定功率(kW)K1--電爐功率利用系數(shù)，通常在0.8~0.95范圍內(nèi)K2--作業(yè)功率利用系數(shù),0.7~0.85p---電爐熔化單耗(kWh/t)以一臺機電研究所生產(chǎn)的配置2500kW可控硅（SCR）全橋并聯(lián)逆變固體電源的10t中頻感應電爐為例，技術(shù)規(guī)格表示的熔化單耗p為520kWh/t，電爐功率利用系數(shù)K數(shù)值可達0.9,作業(yè)功率利用系數(shù)K數(shù)值取為0.85。由此可得電1 2爐的生產(chǎn)率為：N=P?K1?K2/p=2500?0.9.0.85/520=3.68（t/h）需要指出，有些用戶混淆了熔化率與生產(chǎn)率的含義，將它們視為意義同一，沒有考慮電爐功率利用系數(shù)K1和作業(yè)功率利用系數(shù)％，這樣的計算結(jié)果會是N=2500/520=4.8（t/h）。如此選擇的電爐就不可能達到設(shè)計生產(chǎn)率。6. 電爐選型時對系統(tǒng)的各項功能的評估作為鑄造車間的重要熔化設(shè)備，感應電爐的投資在鑄造車間的總投資中占有不小的比例。因此，電爐系統(tǒng)的選型除了上面需要考慮的各類因素外，尚應結(jié)合鑄造車間本身的投資規(guī)模、技術(shù)先進性、管理水平等背景對所選的電爐系統(tǒng)的安全性、先進性、經(jīng)濟性、對環(huán)保的適應性等系統(tǒng)的各項功能作一個全面的分析和評估。以下對上述幾個方面略作討論：系統(tǒng)的安全性-系統(tǒng)的機械方面的完整的保護功能應該具備：閉式冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的采用，冷卻水溫度及流量的監(jiān)控和報警，應急冷卻水柜和管路的設(shè)置、液壓系統(tǒng)的安全措施（軟管破裂保護措施、雙液壓泵的配置、阻燃油的采用），爐體的鋼架結(jié)構(gòu)堅固性。系統(tǒng)的電氣方面完整的保護功能有：功能完備和可靠的全數(shù)字化控制板和故障自診斷功能、爐襯檢測（或漏爐檢測）功能、電源（包括電容器等）的可靠冷卻措施等。系統(tǒng)的先進性-它應與整個鑄造車間的設(shè)備先進程度及管理水平背景相匹配。采用全數(shù)字化控制系統(tǒng)的中頻電源將大大提高電爐系統(tǒng)的作業(yè)（包括爐襯壽命和熔化作業(yè)）穩(wěn)定性和可靠性。此外，近年來在鑄造業(yè)逐漸被廣泛接受和采用的功率共享電源系統(tǒng)（俗稱一拖二電爐系統(tǒng)）、電源的遠程控制系統(tǒng)、電爐的計算機熔化過程自動控制管理系統(tǒng)、舊爐襯快速推出機構(gòu)、爐襯搗筑質(zhì)量穩(wěn)定的錘擊式氣動筑爐機、鐵水自動稱量系統(tǒng)、爐襯自動烘爐控制系統(tǒng)等先進裝置也大大提高了電爐系統(tǒng)的作業(yè)穩(wěn)定性和可靠性，體現(xiàn)了鑄造車間的技術(shù)和管理水平的先進性，也