鑄造車(chē)間感應(yīng)電爐的選型

1、鑄造車(chē)間感應(yīng)電爐的選型摘要：闡述了中頻電爐在現(xiàn)代化鑄造車(chē)間中日趨廣泛的應(yīng)用。討論了感應(yīng)電爐選型時(shí)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(lèi)型、電源與電爐的配置等與工藝需求的關(guān)系。著重對(duì)目前感應(yīng)電爐選型時(shí)比較容易混淆的電爐熔化率與生產(chǎn)率的關(guān)系展開(kāi)了深入的討論，并引入了功率利用系數(shù)K的概念。此外，對(duì)選型時(shí)需要考慮的系統(tǒng)功能完整性、安全性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性以及對(duì)環(huán)保的適應(yīng)性也作了詳細(xì)的論述關(guān)鍵詞：鑄造車(chē)間，感應(yīng)電爐，選型；1.        中頻感應(yīng)電爐在現(xiàn)代化鑄造車(chē)間中得到日趨廣泛的應(yīng)用隨著固態(tài)中頻電源技術(shù)

2、的快速發(fā)展，其變換效率已逐步提高到目前的9697%，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(diǎn)，使得它自上世紀(jì)的80年代后期起在歐、美等發(fā)達(dá)國(guó)家得到廣泛應(yīng)用，基本上替代了傳統(tǒng)的工頻感應(yīng)電爐。自90年代中期起，隨著我國(guó)電子技術(shù)的飛速發(fā)展，大功率的國(guó)產(chǎn)固態(tài)中頻電源也已得到成功的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用。因此，傳統(tǒng)的工頻感應(yīng)電爐在我國(guó)已逐漸從銷(xiāo)售市場(chǎng)上消失，鑄造車(chē)間內(nèi)現(xiàn)有的工頻感應(yīng)電爐也在技術(shù)改造中逐步被中頻感應(yīng)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(jì)算機(jī)控制管理系統(tǒng)連接等優(yōu)勢(shì)（見(jiàn)下表1），甚至連使用工業(yè)頻率（50Hz）的有

3、心感應(yīng)電爐的傳統(tǒng)的工頻電源自90年代中期起在國(guó)外也開(kāi)始被固態(tài)中頻電源替代（輸出50200Hz）。國(guó)內(nèi)第一臺(tái)配置固態(tài)中頻電源的有心感應(yīng)電爐（50Hz）也已經(jīng)于去年問(wèn)世，該電爐還配置有計(jì)算機(jī)熔化過(guò)程自動(dòng)控制管理系統(tǒng)，對(duì)爐況、爐襯燒結(jié)、功率輸入及熔化溫度可實(shí)行全自動(dòng)控制和檢測(cè)。      表1 中頻與工頻無(wú)心感應(yīng)電爐的性能比較（以鑄鐵為例）序號(hào)比較指標(biāo)中頻感應(yīng)電爐工頻感應(yīng)電爐評(píng) 論1功率密度600 1400 kW/t300 kW/t 每噸爐容的配置功率密度允許值隨頻率變化，見(jiàn)表22熔化作業(yè)方法批料熔化法殘液熔化法見(jiàn)注13對(duì)加入料塊要求要求小要求高4熔

4、化單耗500 550 kWh/t540 580 kWh/t由于中頻爐的功率密度大，熱損失小，熔化時(shí)間短，其總效率較高5功率調(diào)節(jié)范圍0100%無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)有級(jí)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(fù)雜6功率自動(dòng)調(diào)節(jié)可以困難7熔液的攪拌效應(yīng)可調(diào)大且固定中頻爐的攪拌效應(yīng)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(hù)功能完全，強(qiáng)部分有11與計(jì)算機(jī)連網(wǎng)可能性可以困難中頻爐可與計(jì)算機(jī)熔化過(guò)程自動(dòng)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 (t)0

5、.21.50.661.1182.5608100功率密度 (kW/t)1345945670475300由表2可見(jiàn)，電爐的工作頻率愈高，其允許功率密度值愈高。目前，國(guó)外制造的中頻感應(yīng)熔化爐的功率密度通常配置到600800 kW/t,，小容量熔化爐的功率密度配置可高達(dá)1000 kW/t 。國(guó)內(nèi)制造的中頻感應(yīng)熔化爐的功率密度通常配置到600 kW/t左右。這主要考慮到爐襯的使用壽命和生產(chǎn)管理二個(gè)因素，因?yàn)楦吖β拭芏惹闆r下工作的爐襯受到強(qiáng)烈的熔液攪拌效應(yīng)的沖刷。從上面的分析可以看出，與工頻感應(yīng)電爐相比，無(wú)論從技術(shù)性能和作業(yè)性能還是從投資方面來(lái)說(shuō)中頻感應(yīng)電爐在現(xiàn)代化鑄造車(chē)間內(nèi)用作熔化設(shè)備具有無(wú)可爭(zhēng)議的地位

6、。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(shí)不需要起熔塊，對(duì)加料塊尺寸和狀態(tài)限制小，爐料過(guò)熱時(shí)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(shì)。2.         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(yīng)滿足二個(gè)條件，一是滿足最大鑄件的澆注重量需要，二是與工藝對(duì)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(dāng)其配置功率密度大于600 kW/t時(shí)，其熔化能力基本上可以做到每爐次的熔化時(shí)間在一小時(shí)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

7、的功率就可以根據(jù)下面公式（1）計(jì)算得到。3.         電源類(lèi)型的選擇中頻電源的類(lèi)型主要有二類(lèi)：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(guó)的鑄造行業(yè)中，習(xí)慣對(duì)配置可控硅(SCR)全橋并聯(lián)逆變固體電源的中頻感應(yīng)電爐通常俗稱(chēng)為中頻爐。而對(duì)配置(IGBT)或(SCR)半橋串聯(lián)逆變固體電源的中頻感應(yīng)電爐通常俗稱(chēng)為變頻爐（這個(gè)稱(chēng)呼并不確切，只是為了與前者相區(qū)別）。由于這二種感應(yīng)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(jī)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

8、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(duì)它們的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍作一簡(jiǎn)單比較(見(jiàn)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(lèi)型的電爐。                表3二種固體電源的主要性能比較比較項(xiàng)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 4000 kW50 2500 kW電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)額定功率時(shí)接近于1功率減小

9、時(shí)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(shí)相同, 大功率時(shí)略低中功率時(shí)相同, 大功率時(shí)略高負(fù)載適應(yīng)范圍一般寬廣恒功率輸出能力冷料啟動(dòng)階段輸出功率較低；改進(jìn)逆變控制后可接近恒功率運(yùn)行，但控制技術(shù)復(fù)雜整個(gè)熔化過(guò)程中始終可以保持恒功率運(yùn)行，控制簡(jiǎn)單工作頻率范圍高至2500 Hz主要用于感應(yīng)熔化和保溫最高可達(dá)100 kHz適用于感應(yīng)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(qiáng)較高。中頻電流必須通過(guò)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(guò)流容量和過(guò)流保護(hù)過(guò)流容量大，保護(hù)電路簡(jiǎn)單過(guò)流容量小，保護(hù)

10、電路復(fù)雜，技術(shù)要求高配置電源變壓器的余量要求較大。變壓器配置容量約為固體電源最大輸出功率的1.25倍小。變壓器配置容量約為固體電源最大輸出功率的1.1倍電源功率共享可能性不能可以設(shè)備價(jià)格較低CS系列的價(jià)格通常比PS系列高30%左右。最近西安機(jī)電研究所研制開(kāi)發(fā)的CA系列電源具有較高的性能價(jià)格比，電源容量在1100kW以下，其價(jià)格比PS系列略高出20%左右。備件價(jià)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。              

11、;  表4二種固體電源適用范圍電爐類(lèi)型固體電源類(lèi)型優(yōu)點(diǎn)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(jià)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4.         中頻電源與電爐的配置如表1所述，采用中頻無(wú)心感應(yīng)電爐實(shí)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

12、最大的負(fù)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(yàn)結(jié)果等），系統(tǒng)中沒(méi)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(yīng)各種不同的鑄造工藝需要，同時(shí)也為了充分提高電源的功率利用系數(shù)（將在下節(jié)詳細(xì)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序號(hào)配置方案評(píng) 論1單臺(tái)電源配單爐簡(jiǎn)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(chǎng)合。僅對(duì)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)（K2值，見(jiàn)下述）低。2單臺(tái)電源配二爐（通過(guò)開(kāi)關(guān)切換）常見(jiàn)

13、的經(jīng)濟(jì)性配置方案。一臺(tái)電爐熔化作業(yè)，另一臺(tái)爐澆注作業(yè)或維修、筑爐。在作小容量多次澆注作業(yè)時(shí)，可將向熔化作業(yè)電爐供電的電源短時(shí)間內(nèi)切換到澆注作業(yè)的電爐作快速升溫，以補(bǔ)償澆注溫度的下降。二臺(tái)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(yīng)高溫合格金屬液。該配置方案的作業(yè)功率利用系數(shù)（K2值）較高。3二臺(tái)電源 （熔化電源和保溫電源）配二爐（通過(guò)開(kāi)關(guān)切換）該配置方案采用SCR 全橋并聯(lián)逆變固體電源，通過(guò)切換開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)二臺(tái)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(dá)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(dòng)切換開(kāi)關(guān)完成，操作方便、工作可靠

14、性較高。該方案的不足之處是，保溫電源為了能與同一感應(yīng)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(dǎo)致合金化處理時(shí)的攪拌作用可能較小，有時(shí)需短時(shí)間將熔化電源切換過(guò)來(lái)以增強(qiáng)合金化過(guò)程。該配置方案的作業(yè)功率利用系數(shù)（K2值）較高。4單臺(tái)雙供電源配二爐該配置方案又可以稱(chēng)為功率共享電源系統(tǒng)。它是目前國(guó)內(nèi)外被用戶廣泛采用的一種先進(jìn)的配置方案。西安機(jī)電研究所自1998年開(kāi)發(fā)出這種系統(tǒng)以來(lái)，至今已向國(guó)內(nèi)用戶提供了30余套，足見(jiàn)它受歡迎的程度。該方案的優(yōu)點(diǎn)是：1.          每臺(tái)電爐可以根據(jù)各自的工況選擇合

15、適的功率；2.          無(wú)機(jī)械切換開(kāi)關(guān)，工作可靠性高；3.          作業(yè)功率利用系數(shù)（K2值）高，理論上可達(dá)1.00，從而大幅度地提高了電爐的生產(chǎn)率；4.          由于采用IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源，如表2所述，在整個(gè)熔化過(guò)程中始終能以恒功率運(yùn)行，所以其電源功率利用系數(shù)（K1值，見(jiàn)下述）也高；5.

16、          單臺(tái)電源僅需一臺(tái)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(lèi)型有關(guān)，與而生產(chǎn)作業(yè)制度無(wú)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(shí)間，

17、如：加料、撇渣、取樣化驗(yàn)和等待化驗(yàn)結(jié)果（與化驗(yàn)手段有關(guān)）、等待澆注等。這些空載輔助時(shí)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(jiàn)，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)K1是指在整個(gè)熔化周期內(nèi)電源輸出功率與其額定功率之比，它與電源類(lèi)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(yīng)電爐的K1數(shù)值通常在0.8左右，西安機(jī)電研究所對(duì)該類(lèi)型電源增加了逆變控制后（通常的該類(lèi)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(yīng)電爐的K1數(shù)值理論上可達(dá)到1.0。作業(yè)功率利用系

18、數(shù)K2的大小與熔化車(chē)間的工藝設(shè)計(jì)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(gè)作業(yè)周期內(nèi)電源實(shí)際輸出功率與額定輸出功率之比。通常，功率利用系數(shù)K2的大小在0.7 0.85 之間選擇，電爐的空載輔助作業(yè)時(shí)間（例如：加料、取樣、等待化驗(yàn)、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(dá)1.0, 實(shí)際上在電爐空載輔助作業(yè)時(shí)間很低的情況下可達(dá)0.9以上。由此，電爐的生產(chǎn)率N可以由下式計(jì)算而得：N = P·K1·K2 / 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

19、- 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(tái)機(jī)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(yīng)電爐為例，技術(shù)規(guī)格表示的熔化單耗p為520 kWh/t，電爐功率利用系數(shù)K1數(shù)值可達(dá)0.9，作業(yè)功率利用系數(shù)K2數(shù)值取為0.85。由此可得電爐的生產(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(méi)有考慮電爐功率利用系數(shù)K1和作業(yè)功率利用系數(shù)K2，這樣的計(jì)算結(jié)果會(huì)是N =

20、 2500 / 520 = 4.8 (t/h)。如此選擇的電爐就不可能達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)率。6.         電爐選型時(shí)對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能的評(píng)估作為鑄造車(chē)間的重要熔化設(shè)備，感應(yīng)電爐的投資在鑄造車(chē)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(lèi)因素外，尚應(yīng)結(jié)合鑄造車(chē)間本身的投資規(guī)模、技術(shù)先進(jìn)性、管理水平等背景對(duì)所選的電爐系統(tǒng)的安全性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性、對(duì)環(huán)保的適應(yīng)性等系統(tǒng)的各項(xiàng)功能作一個(gè)全面的分析和評(píng)估。以下對(duì)上述幾個(gè)方面略作討論：l     

21、0;   系統(tǒng)的安全性 系統(tǒng)的機(jī)械方面的完整的保護(hù)功能應(yīng)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(bào)警，應(yīng)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(hù)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(jiān)固性。系統(tǒng)的電氣方面完整的保護(hù)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(cè)（或漏爐檢測(cè)）功能、電源（包括電容器等）的可靠冷卻措施等。l         系統(tǒng)的先進(jìn)性 它應(yīng)與整個(gè)鑄造車(chē)間的設(shè)備先進(jìn)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

22、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(lái)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(chēng)一拖二電爐系統(tǒng)）、電源的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、電爐的計(jì)算機(jī)熔化過(guò)程自動(dòng)控制管理系統(tǒng)、舊爐襯快速推出機(jī)構(gòu)、爐襯搗筑質(zhì)量穩(wěn)定的錘擊式氣動(dòng)筑爐機(jī)、鐵水自動(dòng)稱(chēng)量系統(tǒng)、爐襯自動(dòng)烘爐控制系統(tǒng)等先進(jìn)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(chē)間的技術(shù)和管理水平的先進(jìn)性，也為鑄造生產(chǎn)的質(zhì)量管理體系提供了有效的手段。l         系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性 應(yīng)該全面、合理地評(píng)估選用先進(jìn)電爐系統(tǒng)所支付的較高的一次性投資額與該系統(tǒng)的較低的日常運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用及生產(chǎn)率提高之間的關(guān)系。可從以下幾個(gè)方面來(lái)評(píng)估這種關(guān)系：a)       根據(jù)因先進(jìn)的熔化單耗指標(biāo)計(jì)算得到電爐每年運(yùn)行費(fèi)用的節(jié)約數(shù)值來(lái)評(píng)估投資額差價(jià)的