1、感应电炉熔炼,铜陵旭时新材料科技有限公司,铸造/工艺/熔炼,中频感应电炉的发展与应用,熔炼是铸造生产的的关键步骤，合理的熔炼设备与工艺能够保证获得合格金属液对于铸件质量起至关重要的作用。目前铸造车间熔炼主要分为冲天炉熔炼、感应电炉熔炼、冲天炉+感应电炉双联熔炼、电弧炉熔炼和燃气坩锅炉熔炼等。中频感应电炉在当前铸造企业生产中，已表现出明显的环保、生产灵活和自动化程度较高等方面的优势。,中频感应电炉的发展与应用,随着电气及信息技术的发展，“一拖二”、“一拖三”供电技术的逐步稳定，以及对环境保护要求的提高，中频感应电炉在汽车零部件、柴油发动机、船用大型铸件、风力发电用零部件、铁道机车用部件、离心铸造
2、管件、工程机械部件、电动机部件、压缩机部件、机床部件和电梯用铸件领域获得了日益广泛的应用。,1感应电炉熔炼铁液的优势,感应电炉是利用三相工频电整流后转变成直流电，再把直流电变为可调的中频电，在感应圈中产生高密度的磁力线，在金属材料中发生很大的涡流，这种涡流经过金属的电阻要发生热量，感应产生热量来加热和熔化金属料的熔炉，适用于熔炼灰铁、球铁、铸钢、铝合金等金属料。与传统的冲天炉熔炼相比，感应电炉熔炼具有优质、高效、稳定、环保和可控等优势。,以焦炭提供能源的冲天炉生产，为满足熔炼对热量的要求需消耗大量的焦炭，在熔炼过程中，焦炭易于将CO：还原，使烟气中的CO量增高，不但浪费了热量，而且增加了对大气
3、的污染。焦炭中含有S元素在燃烧过程产生SO：，为烟气的后期处理带来困难。,随着社会环保意识的逐渐增强和环保法规的不断健全，要满足达标排放，冲天炉烟气处理的成本将越来越高，特别对10 t甚至15t以下的冲天炉由于铸造企业产量达不到一定规模，冲天炉环保成本在单位铸件产品中所占比例提高，造成铸件产品成本的提高，降低市场竞争力。,我国铸造企业平均产能较低，中频感应电炉利用涡流直接对内装金属进行加热，热效率高，加热速度快，不会造成金属液的污染。同时加料后炉料不再受外界冲击，因此，粉尘很少，配备除尘系统后，排放符合环保要求，亦无需要炉渣粒化处理。除生产过程中产生一定噪声外，其他污染较少减少对环保设备的投入
4、。在熔炼过程中不会产生增碳和增硫现象，而且熔炼过程可以造渣覆盖金属液，在一定程度上能防止金属液中硅、锰及合金元素的氧化，并减少金属液从炉气中吸收气体，从而使金属液比较纯净。,中频感应电炉易操作，故障率少，减少了操作管理及日常的维护保养工作量。除了上述优点，中频电炉还具有节省空间、操作便捷、易于实现自动化、生产灵活度高、对炉料适应能力强、熔炼工艺稳定易控、铁液化学成分准确等优点。因此在进行建设及改造过程中，国内铸造企业特别是铸铁生产企业更多的选择中频感应电炉作为熔炼设备。,2感应电炉技术的发展21 感应加热电源的发展上世纪七八十年代，铸造企业就有应用感应加热进行熔炼的先例。当时由于感应熔炼技术为
5、发展的初期，仅限于工频感应电炉，未大面积推广。上世纪九十年代末期，随着感应加热技术的发展，欧美一些公司开始推广中频感应电炉在铸造企业的应用。随着铸造企业对与节能的不断追求，中频电源技术从最初的并联谐振、串联谐振发展到目前的IGBT技术。IGBT技术广泛被国内外感应加热设备制造企业所用。电源主电路都是采用交流直流一交流的方式，整流器把工频电整流成脉动直流，再用滤波器转变为直流电，最后经由逆变器逆变成单相中频。,串联谐振中频电源的典型应用就是“一拖二”变频炉。一台整流器带了二个逆变器驱动二台规格相同的电炉，这样可使一台变频电源的功率能灵活地分配给两台炉体，从而实现一台电炉熔化，一台电炉保温，使电炉
6、系统具备连续生产铁水的能力。并联谐振中频电源因为在整流器上控制输出功率，当输出功率降低的时候会产生较大的无功损耗，因此并联谐振中频电源适合于纯熔化的应用(基本不保温或很短的保温操作)，类似于一班造型，一班熔化浇注，一班清理的生产流程，是典型的并联谐振中频电源应用。,22控温技术的发展传统的控温技术是目测炉料(金属液)，人工判断接近出炉温度时，用热电偶进行测量，对操作工人的经验要求高，反复测温消耗大量的热电偶。如果测温不及时，可能造成金属液过热，烧损化学成分或烧坏炉衬。目前新的温度控制方法是采用基于能量平衡的控制技术。这是通过一个内置软件不断监测中频电源的输出功率同时，对环境温度、冷却水温度和流
7、量等进行连续监测，用来计算电炉消耗的能量，计算得出炉料升温情况。并且软件具备误差修正功能，调整自己的计算模型，使以后的计算结果更加趋近实际的结果。,23谐波控制的发展IGBT串联谐振电源采用二极管整流，任何功率下功率因数都在095以上，可控硅串联谐振电源功率因数也在09以上。并联谐振电源的功率因数比较低，在满功率情况下才能达0809。另外还有不可避免的谐波，对电网构成了一定的污染，电源功率越大，这种问题越突出。新一代电源必须是高功率因数、低谐波的电源。目前发展的技术：多重化整流技术、全控功率管加上矩阵控制或PWM控制等技术、串联线路、斩波技术等。同时也催生了电源谐波的滤除和功率因数补偿的消谐装
8、置的开发和生产。,24感应电炉的其他发展由于卷板技术的不断发展，使得整体卷制厚钢板成为可能，目前广泛采用的是整块厚钢板卷制成封闭式炉体。封闭式炉体全周非常牢固、炉框外的漏磁很小、噪音低、能够有效防止铁粉进入炉体内部，避免粉尘等进入炉体内部引起线圈短路。在出铁水倾炉作业时，由以前的炉体直接倾转，露出炉体坑洞发展为随炉体倾注而上升的安全栅栏，有效保证了操作工人的安全性。,3 感应电炉的配套设施好的设备还要有好的土建和配套设计。在中频电炉设备选型等结束后，工作只进行了一半，合理的土建、配套设计，不仅能节省造价及施工周期，也为后期运行提供安全保障和节能减排。,31 水冷系统感应电炉的电器元件如电源、线
9、圈以及炉体等都需要用水进行冷却，因此水冷系统对于感应电炉至关重要。根据对目前中频炉使用企业调查的情况来看，中频炉事故由冷却水故障而造成几率是最高的。因为需要冷却的部件为电器元件，冷却水中的导电值尽可能小，并且由于需要冷却的炉体长时间处于高温，需要对冷却水进行去钙、镁等离子，在生产中广泛采用的是软化水。此外，冷却水的进水温度、出水温度、水压和流量都必须符合设计规定。电炉的冷却水系统设有各种传感器，以监测冷却水的相关参数。当冷却水参数出现异常、超出设定值时就会报警或停止设备运行。,32液压系统液压系统用于控制炉盖的旋转、启闭，控制炉体的倾转。由于炉体的倾转倒出高温熔融金属，因此要求液压系统十分可靠
10、，在设置液压系统时，需要配置两台规格相同的液压泵(一用一备)。在断电的情况下，由于备用应急水只能保证较短时间，为了避免熔融金属长时间存在于炉体内烧坏线圈，需要保证液压泵能够旋转炉体倒出熔融金属，因此电炉的液压系统应配有应急内用电源。当电网供电中断时，如有必要可用应急内用电源将炉内的金属液倒出，以免凝固在炉内。,33接地系统中频感应电炉在进行土建设计的时候，需要同时考虑配置电气设备接地系统，对需要接地的电气设备进行可靠的接地。坩埚式感应电炉运行过程中，往往因种种原因在炉衬中形成裂纹而导致漏炉事故。,4感应电炉的环保与冲天炉相比，感应电炉利用电能，涡旋加热，不燃烧焦炭，无CO、SO：和氮氧化物的排
11、放其排放的烟气和粉尘大幅度减少。另外的环保问题还有烟尘、噪声、谐波和磁场等方面。,41中频感应电炉的除尘42中频感应电炉的噪声在中频感应电炉的运行过程中，噪声主要产生于中频电源、炉体、液压泵及其外部的风机，变压器、水泵产生的噪声程度相对较小。在进行设备布置时，将这些产生噪音的设备(如中频电源、液压泵等)布置于室内，将风机等布置于车间外部，并且要经常进行设备维护，避免设备长期运行某些部件松动产生更大噪音。,43中频感应电炉的谐波固态中频电源采用工频电整流成脉动直流，再用滤波器转变为直流电，最后经由逆变器逆变成单相中频的整流和逆变过程，会对供电电网造成谐波干扰。国家对电流谐波注入电网有严格的要求，
12、固态中频电源所产生的谐波干扰主要取决于其整流电路的形式。电压反馈串联谐振型中频电源的整流采用桥式不可控整流电路，其产生的谐波比电流反馈并联谐振型中频电源小。另外，采用多相整流的方式，如6相12脉冲整流、12相24脉冲整流，以及整流变压器的绕组采取移相等措施，可大幅减少中频电炉的谐波干扰。,感应电炉熔炼,8.1概述感应电炉熔炼是利用交流电的感应作用，使坩埚内的金属炉料本身发出热量，使其熔化，并进一步将铁液过热的一种熔炼方法。8.1.1感应电炉的分类和结构,（1）按电流频率分类 感应电炉按交流的频率可分为工频、中频和高频3类：工频感应电炉50Hz；中频感应电炉为大于5010000Hz（一般常用10
13、003000Hz）；高频感应电炉为大于10000Hz（例如70200kHz）。目前，国内铸铁熔炼采用的感应电炉以中频感应电炉居多，工频感应电炉次之，高频感应电炉很少。（2）按炉体结构分类 感应电炉按炉体结构分类，有无芯感应电炉（坩埚式）和有芯感应电炉（沟槽式）两类，其结构示意如图8-1所示。,（3）按铸造用途分类 感应电炉按用途分类，可分为熔化炉、保温炉和浇注炉3类。,8.1.2感应电炉的工作原理,（1）电磁感应与感应加热 在一个电路围绕的区域内存在交变磁场时，电路两端就会产生感应电动势，感应电动势的大小等于磁通变化率。若磁通按正弦变化，则电动势E的有效值可用下式表示：E=4.44fN.式中
14、f频率（Hz）； N匝数； 磁通（Wb）。,感应电炉的工作原理,感应电炉就是利用上述电磁感应的原理进行工作，熔化金属炉料的。以无芯感应电炉（坩埚式）为例，如图8-2所示。,在一个用耐火材料制成的坩埚外面，套着螺旋形的感应线圈（感应器）。坩埚内装有金属炉料。当线圈上通过交流电时，交流电感应作用在金属炉料内部产生感应电动势，从而在炉料内部产生感应电流，并克服金属炉料的电阻而转换为电流，并克服金属炉料的电阻而转换为热量，将金属炉料熔化。,根据焦耳-楞次定律，上述感应加热的热量表达式为：Q=I2Rt式中 Q电流通过电阻时产生的热量，J；I感应电流，A；R金属炉料的电阻，；t通电时间，s。因此，要进行感
15、应加热，必须具备两个基本条件：使用交流电，产生交变磁场；被加热的物体为导电材料，如铸铁的金属炉料。,（2）感应电流分布和交流电效应 在感应电炉加热过程中，感应电流在导体（金属炉料）上的分布是不均匀的，它受集肤效应、邻近效应和圆环效应的影响。集肤效应。被加热的金属导体内的感应电流绝大部分集中于表面，电流密度由表向里迅速衰减，这种现象称为集肤效应。因此，电流密度表面最大，中心最小，其分布曲线如图8-3所示。图8-3中将电流密度衰减至表面电流密度的1/e（约0.368）处的深度定义为电流透入深度。e为自然对数的底，e2.718。据理论计算，在感应加热时，86.5%的功率是在电流透入深度内转化为热能。
16、在电流透入深度的5倍处（即5处）的电流接近于零。电流透入深度可用下式表示：,=5030 / f （cm）式中 导电材料电阻率，cm；导体材料的相对磁导率；f电流频率。由上式可知，f越大，越小；越大，越大。随温度升高而变大 ，故在感应加热过程中，会相应增加。,邻近效应。当两个通有交流电的导体相互靠近时，在相互影响下，两导体的电流要重新分布，这种现象叫做邻近效应。实质上它和集肤效应相似。图8-4为两平行导体在通过交流电情况下磁场及电流分布。由于邻近效应，载有反向电流的两个导体平行靠近时,电流趋于导体内侧如图8-4（a）所示；载有同向电流的两个导体靠近时，电流趋于导体外侧如图8-4（b）所示。邻近效
17、应导致导体有效截面的利用率降低。导体间的距离越近，邻近效应越显著。电流密度的不均匀分布，与自身磁场和所有邻近导体磁场的总作用有关。,圆环效应。当交流电用过螺线管（或环状线圈）时，最大电流密度出现在线圈导体的内侧，这种现象称为圆环效应，如图8-5所示。感应电炉是以上几种效应的综合利用。在环形感应器中放置金属炉料。当感应器两端施加交流电压时，即产生交变磁场。此时，感应器本身表现为圆环效应，感应器与金属炉料间为邻近效应，而金属炉料本身表现为集肤效应。,（3）电磁搅拌和驼峰现象 在无芯（坩埚式）感应电炉内，被熔化金属由于受到电磁力作用产生强烈搅拌，这是无芯感应电炉的一个主要特点。感应电炉多采用单相供电
18、。根据邻近效应，感应线圈中电流与熔化金属中的感应电流方向相反，线圈与铁液之间有斥力，线圈受到向外推力，铁液受到指向坩埚中心的推力，如图8-6所示。铁液之间可以看成很多同方向平行载流导体，相互间有压缩力。力的方向示于图中。铁液在斥力和压缩力的共同作用下，产生如图8-6所示的所谓两段四区电磁搅拌，液面隆起，产生驼峰，称为驼峰现象。,（4）应用 根据电磁感应的理论，当电流频率增加时，感应电动势也增加，并相应提高了发热能力（E=4.44fN，Q=I2Rt）。在感应器电流不变的情况下，被加热导体单位面积接收的功率随频率的增加而增加，即加热速度加快。但是，在频率提高的同时，由于集肤效应金属炉料的电流透入深
19、度变小，即加热层变薄，炉料的中心部分要靠热传导加热，从而降低了加热效率=5030 （ / f） 。,因此，高频仅限于使用小块炉料的60kg以下的小感应电炉，供实验室试验采用。35t以上的大容量感应电炉则采用工频（50Hz），但工频感应电炉需有启熔块。与工频感应电炉相比，中频感应电炉的功率密度大，无需启熔块，生产灵活，变更铸铁牌号与种类方便。在同等生产率条件下，中频（变频）感应电炉炉体尺寸小，占地小，而且不需三相平衡和功率因数补偿装置，造价较低。因此，中频感应电炉在铸造生产中得到广泛应用。而且，随着变频器功率的大型化，工频感应电炉在大容量炉子中的地位，将逐渐被中频感应电炉所取代。,此外，对于不同
20、结构的无芯（坩埚式）感应电炉和有芯（沟槽式）感应电炉，它们的应用也不尽相同。工频无芯感应电炉主要用于铸铁的熔炼和保温，也可用于有色金属的熔炼。由于电磁搅拌力大，故用于炼铁时炉衬寿命很短，因此不适宜用作炼钢。对于含气量要求严格的有色金属（如无氧铜）也不宜选用工频无芯感应电炉。工频无芯感应电炉用作保温炉时，感应线圈较短，约为坩埚高度的1/4。,中频无芯感应电炉适用于铸铁的铸钢及有色金属的熔炼和保温。由于它功率密度大，启熔方便，可以倒空，更便于变换熔炼合金的品种。有芯感应电炉主要用于铜、铝、锌等有色金属的熔炼、保温和铸铁的保温，以及在浇注线上用作浇注炉。其频率多采用工频。,无芯感应电炉炉衬形状简单，
21、筑炉方便，易于检查和修补炉衬，适合于单品种或多品种材质的生产，故应用十分普遍。有芯感应电炉，感应器绕在由硅钢片叠成的闭合铁芯上，加强了导磁作用。熔沟自成回路构成二次绕阻。感应器与熔沟之间的电磁耦合好，其电效率、热效率和功率因数比无芯感应电炉的高。但有芯感应电炉不适于冷启动，启熔时间长，熔沟易损坏，沟槽部分的耐火材料不容易检查和修补，不生产时也需要通电流保温，变换熔炼金属的品种较难。,8.1.3感应电炉熔炼的特点,优点（1）熔炼工艺稳定，可以熔炼各种成分的铸铁 在感应电炉中，可以熔炼各种成分、多个品种的铸铁，如灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁、耐磨铸铁、耐热铸铁和耐腐蚀铸铁等。由于感应电炉热
22、量产生于炉料内部，无需外接传导，因而热效率高，加热和熔化速度快。并且，熔炼工艺稳定，操作易控，铁液化学成分准确。,（2）铁液成分变化小，铁液质量好 感应电炉熔炼铸铁的过程中不含有增碳和增硫的现象发生，而且可以造渣覆盖铁液，在一定程度上能减少铁液中铁、硅、锰及合金元素的氧化浇损，并防止铁液吸收气体。因而，铁液中气体和非金属夹杂物少，铁液成分变动小，铁液比较纯净，质量较好。此外，由于电磁搅拌作用，铁液成分比较均匀。,据相关资料介绍，感应电炉熔炼的铸铁的含气量（氮、氢、氧）比冲天炉熔炼的铸铁含气量要少1/4-1/3。此外，由于非金属夹杂物少，铁液质量好，故铸件强度高，性能可靠，从而在一般情况下可以减
23、少铸件的截面积和整体重量，使金属材料的消耗降低10%20%。,（3）铁液温度容易调控，出铁温度高 感应电炉使用电能作能源，在正常操作的情况下，容易调节和控制铁液温度，获得铁液必需的过热温度，以满足熔炼工艺所要求的出铁温度、处理温度和浇注温度，因而保证铸件质量。,（4）可以多用废钢，用增碳的方法生产合成铸铁或球墨铸铁 在感应电炉熔炼铸铁时，可在炉料中配以60%以上的废钢，先得到低碳的原铁液，同时用增碳剂进行增碳处理，最终使铁液的化学成分达到工艺规定的要求。,用这种方法生产的灰铸铁也称为合成铸铁。不仅由于使用了大量废钢，节约了成本，而且铁液的冶金质量指标也优于普通灰铸铁。因此，生产的铸铁性能较好，
24、应力较低，已得到越来越广泛的应用。相关内容可参阅有关内容。在生产要求较高的球墨铸铁铸件时，由于要求的磷、硫含量很低，而一般的生铁等炉料又满足不了要求，故可以采用此法熔炼球墨铸铁的原铁液。,（5）可利用廉价的原材料 切屑和细小的边角料等难以在冲天炉内直接利用的廉价废料，可以在感应电炉熔炼过程中，利用电磁搅拌作用，将这些细小废料加入铁液表面，就会很快被卷入铁液之中熔化，且氧化烧损较少。此举不仅大量利用了这些废料，而且可以大幅度降低铸件的成本。,（6）减少环境污染 由于感应电炉没有能量载体的燃烧生成物，排除的烟气和粉尘较少，发出的噪声也远远低于冲天炉，对于环保治理比较方便；操作者的劳动强度和劳动条件
25、都得到了改善。只要条件许可，在铸铁生产中使用感应电炉熔炼、双联和保温浇注，往往是十分有利的。,（7）容易实现自动化管理缺点感应电炉熔炼的不足之处 炉渣不能感应发热，熔渣温度低； 坩埚的高径比大，感应电炉的冶炼能力远不及电弧炉，仍属于重熔设备的范畴。 感应电炉铁液的过冷倾向大，易出过冷石墨或白口，缩孔或缩松的倾向也大，故在炉前应采取相应的防范措施。,由于现代工业迅速发展，对铸造生产提出了优质、精化和节能三大要求。高牌号灰铸铁、优质的球墨铸铁和蠕墨铸铁、高合金特种铸铁都需要由高温、洁净、低硫，且化学成分准确而少干扰元素的原铁液为前提，感应电炉正好提供了符合上述要求的熔炼条件。而且，节能降耗、减排防
26、污和环境保护已成为我国铸造业创新发展的主流。因此，目前在机械、冶金、汽车、动力、化工、铸管等部门的核心铸件生产中，采用感应电炉熔炼或冲天炉-感应电炉双联已十分普遍。,目前，中频感应电炉的发展趋势如下所述, 提高比功率，实现电功率和热效率的双高和快速熔炼。 功率连续可调，以适应不同升温和保温能力的需要。 可以变频。如在熔化期间用较高频率，提升功率加快熔化；在后期用较低频率，以加大搅拌力，促进增碳和合金成分的调整。, 实现双供电，即一套电源配置两个换炉开关，分别联系两个炉体。在两炉之间可以任意分配功率，实现两炉同熔或一炉熔化一炉保温，确保随时可以提供铁液。也可以在一炉熔化的同时另一炉进行炉衬烧结。
27、而且，可以使电源的功率利用系数几乎达到100%。, 实行计算机（或微处理机）自动化管理。如对熔化、保温、炉衬预热烧结实行可编程自动化；对电源、炉体和水冷系统进行诊断和作故障处理等。人工操作仅限于接通电源，开启变频器和调定输入功率。 使用宽口炉体，可实现大料直接入炉。,8.2 无芯感应电炉熔炼过程,8.2.1 无芯感应电炉的设备组成无芯感应电炉由炉体系统、倾炉系统、水冷系统和电气系统四部分组成。（1）炉体系统 立体系统是无芯感应电炉的主要工作部分，它包括坩埚、感应器、磁轭、炉架、炉盖、冷却集水管及馈电线缆等，如图8-7所示。现将主要部件介绍如下：,无芯感应电炉的设备组成, 坩埚。中小型无芯感应电
28、炉的坩埚大多由炉衬材料打结而成，大型感应电炉的炉衬制作以炉内砌筑式为主，成型整体坩埚目前在国内使用不多，偶见于小容量感应电炉。为了达到良好的电气性能，为了达到良好的电气性能，坩埚设计成瘦长形，而壁较薄。 感应器。感应器由空心紫铜管绕制而成，中频感应电炉多采用方形管或矩形管，工频感应电炉采用异型管。大容量的路子将感应器分成上、中、下三段，以调控功率及搅拌力度。例如。冷料熔炼时上、中、下三段都通电，以输入全功率加快熔炼；当需要脱硫或增碳时，使上、中两段以强化搅拌；而炉子处于保温阶段时，使用中、下两段或只用下段，以减少功率和熔池铁液的搅拌。, 磁轭。磁轭由硅钢片叠成，分数列均匀分布于炉体周围，起辅助
29、导磁作用，以加强感应器对炉料的功率传递和两者间的电磁感应，约束漏磁的发散，减少炉架等金属构件的发热。磁轭与炉壳牢固连接，防止炉子工作时因电磁力引起的振动而使炉体系统产生松动。, 炉盖。有无炉盖和炉盖的开闭状态对电炉的保温功率影响很大。炉盖由盖框和耐火材料组成。常用的耐火材料有耐火砖、可塑性耐火材料和耐热混凝土。大容量感应电炉的炉盖上还分设小盖，供检查炉况、添加合金料和取样之用，以减少辐射的热损失。炉盖启闭有手动和液压两种形式。现代感应电炉大多采用液压驱动的回转式炉盖启闭机构。,（2）倾炉系统 倾炉系统包括倾炉机构、油箱和油泵及各种功能阀等。, 倾炉机构。常见的倾炉机构有3种方式：手轮、蜗轮蜗杆
30、式；电动机-减速机式；油泵-液压缸式。其中以第三种液压倾炉方式为最佳，不仅转动平稳，调速方便，占用空间少，而且出铁口摆动小。因此，液压倾炉机构应用越来越广泛。 倾炉油缸。倾炉油缸多为柱塞油缸，炉体的下降靠其自重来完成，因此倾炉油缸结构比较简单，液压系统较为简化。油箱安置在炉体固定支架的地平面上。油箱与炉体间以砖墙相隔，以免飞溅火星引起油箱和油管着火。油箱处理向倾炉油缸供油外，常兼作炉盖启闭的动力源。,（3）水冷系统 感应器的工作电流很大，达几千至上万安培，故自身电阻的发热量就很大，约占电炉额定功率的20%30%。此外，坩埚内炉料和铁液还通过炉衬向感应器不断传递热量。这两部分热量均需通过冷却水带
31、走，以确保感应器工作温度和电阻率的降低。铜感应器的工作温度每降低10，电阻减少4%，电耗可相应降低4%。必须指出，感应器的水冷却对于炉衬结构的相对稳定，保证坩埚的安全作业和提高炉龄也是相当重要的。,除了感应器外，水冷却部位还有汇流母线排、电缆、电容器、磁轭、变频器和电抗器等，视需要而定。通常规定，冷却水的进水温度应低于35，出水温度控制在5055以下，冷却水的升温不超过25，水的流速大致在1.01.5m/s。为了节约水资源，必须设置带冷却池、冷却塔的循环水冷却系统。,（4）电气系统 电气系统包括主电路、控制电路和保护电路等。工频感应电炉的功率因数很低，一般仅为0.100.25。因此，必须并联电
32、容器以补偿无功功率，提高功率因数。为了克服感应电炉单相负载对电网的影响，保持电网的三相平衡，必须配置三相功率平衡装置。三相功率平衡装置由平衡电抗器和平衡电容器组成。图8-8为工频感应电炉的供电系统示意。,中频感应电炉的主电路较为简单，包括炉用变压器、变频器和感应炉。中频感应电炉通常采用晶闸管变频器，它利用可控硅变频，其结构紧凑、无噪声、工作可靠、电能利用效率高达95%以上，已完全替代了早年应用的中频发电机组。晶闸管变频器可自动变频以适应炉料参数的变化，无需如工频感应电炉那样通过接触器增减电容来补偿功率因数，也无需三相平衡装置。,以并联谐振变频器为例，它通过晶闸管将三相交流电变换为直流电，再经平
33、波后由逆变器中的晶闸管将直流电变换为中频交流电。负载为感应器和电容并联谐振回路。并联电容起补偿感应器功率因数和换相时提供能量关断晶闸管的双重作用。感应电炉电源的输入电压在一定范围内是可调的，以满足烘炉、熔化和保温时对不同功率的需要。,8.2.2无芯感应电炉的规格,无芯感应电炉的规格一般以容量（t）为基本参数，其系列为0.1,0.15,0.25,0.35,0.5,0.75,1,1.5,2,3,5,7,10,15,20,25,30,50等。型号表示方法，各电炉制造厂不尽相同，但基本参照全国型号的规定。如GW3-800中，G表示感应电炉，W表示无芯，3表示额定容量（t），800表示额定功率（kW）。
34、部分工频无芯感应炉的型号和主要规格见表8-1；部分熔炼用的中频无芯感应电炉的型号和主要规格见表8-2；部分保温用的中频无芯感应电炉的型号和主要规格见表8-3。,表8-1 工频无芯感应炉的型号和主要规格,表8-2 中频无芯感应炉的型号和主要规格（熔炼用）,8.2.3 无芯感应电炉的炉衬材料及筑炉,（1）对炉衬耐火材料的要求 感应电炉对炉衬材料的选择都是以炉子的利用率和经济性为主要依据的。而且，对炉衬材料的质量要求又是很高的。因为为了电气上的紧密耦合，炉衬的厚度应力求在不影响使用寿命的前提下越薄越好。但是，这样薄的炉壁，内侧直接和高温铁液接触，外面却围绕着水冷的感应器，故其工作条件是相当恶劣的。对
35、于无芯感应电炉来说，还存在着反复的加热和冷却，使其工作状态更趋严酷。因此，为了保存感应电炉的正常工作，对炉衬材料应严格要求，必须具有以下特性。, 足够的耐火度和荷重软化温度。耐火度高于1580的材料称为耐火材料。感应电炉炉衬工作温度一般低于熔融金属的温度。但基于对炉衬寿命的要求，还得考虑铁液偶然的或经常的超温，故使用耐火度和荷重软化温度低的材料往往是不安全的。作为铸铁无芯感应电炉的炉衬材料，其耐火度应大于16501700，荷重软化温度高于1650。 良好的热稳定性。感应电炉的炉衬是在径向温度梯度较大的状态下工作的，而且，开炉时由于加料、出铁甚至停炉的影响，炉衬的温度总是不断变化，因此，炉衬材料
36、应具有优良的热稳定性。, 化学稳定性好。炉衬材料应不与铁液和熔渣发生化学反应，以至于污染铁液。 热膨胀系数小。随温度的变化，体积要比较稳定，没有剧烈的膨胀和 。 较高的力学性能。炉衬在加料时要经受得住炉料的撞击；能承受铁液的压力和电磁搅拌力；在铁液长时间冲刷下耐磨和耐侵蚀。 绝缘性能好。炉衬在高温状态下不得导电，否则会引起漏电和短路，造成严重的事故。 材料的施工性能好，易修补机烧结性能要好，筑炉及维修方便。, 资源丰富，价格便宜。由上可知，感应电炉对炉衬材料的要求是相当严格的，几乎没有一种天然的耐火材料能全部满足上述要求。这就需要根据不同的使用要求，选择适宜的耐火材料。同时，应对天然的矿产资源
37、进行必要的提纯、合成或在加工，使其尽可能满足感应电炉的要求。,（2）炉衬材料的分类 感应电炉的炉衬材料以耐火氧化物为主体，按其化学成分和化学性质的不同分为酸性（硅质耐火材料）、碱性（镁质耐火材料）和中性（高铝质耐火材料）三类炉衬材料。常见的炉衬材料及其主要特性见表8-4。,表8-4 常见炉衬材料及其主要特性,表8-4 常见炉衬材料及其主要特性2,一般而言，铸铁的熔炼温度低于1600，使用酸性炉衬是最经济的选择。而且，由于铸铁中含有较高的硅量，回炉铁也往往附有较多的硅砂，熔化时所产生的熔渣呈酸性，所以和酸性炉衬是最为匹配的。酸性炉衬虽然耐火度高，但热稳定性差，容易产生裂纹而又无自弥合能力，因而炉
38、龄短，漏炉几率高，故仅用于熔炼含铬量或含锰量较高铸铁的中小型感应电炉。,中性炉衬综合性能优于酸性炉衬，但成本较高。当熔炼温度高，或有脱硫处理、炉渣量多而对炉衬有严重侵蚀，或作球墨铸铁保湿，或有脱硫处理、炉渣量多而对炉衬有严重侵蚀，或作球墨铸铁保温，为避免残余镁与炉衬反应而侵蚀炉壁时，可使用中性炉衬。因此，本节仅讨论酸性炉衬。,（3）酸性炉衬及其打结和烧结,石英砂。石英砂属酸性炉衬材料，由石英岩破碎而得。石英砂在600800就基本完成其膨胀变化，再提高温度则体积变化甚微，故热稳定性和抗铁液渗漏性能较好，能适应于间断熔炼作业。此外，石英砂的荷重软化温度较高，接近于它的耐火度，高温强度较高。因此，石
39、英砂被广泛用于熔炼铸铁的无芯感应电炉的酸性炉衬材料。,关于石英砂原砂的技术要求如下：SiO298%；Fe2O30.5%，碱性金属氧化物小于0.2%；结晶状况好，即晶格完整、缺陷少，晶粒均匀。国内外优质石英砂的化学组成见表8-5。一般认为国外瑞典和国内长沙、秦皇岛的石英砂质量最佳。, 炉衬的打结。炉衬的打结按以下步骤进行。,a.配制筑炉料。自行配制筑炉料时，须先用磁铁清除铁质，去除混入的杂物等。然后按级配要求配置好石英砂，再加入黏结剂并充分搅拌均匀。如采用干法打结的，应对混合好的筑炉材料进行覆盖并在短时间内使用；若采用湿法打结的，可加入1%2%的水分，混合后放置12h再用。近年来，商品化的袋装筑
40、炉材料应用越来越多。,b.炉衬绝缘保温层。在感应器内侧衬垫35层由玻璃丝布、云母板和石棉布等组成的绝缘保温层（设有漏炉报警装置的需再垫上报警电极网），并用胀圈将其压紧于感应器内侧。炉底没有绝缘要求，仅需铺垫35层石棉布保温层。,c.打结炉底。第一层加料的厚度应控制在80100mm内，以后每层为4050mm。先用平头弧形叉，按先边缘后中间的顺序重复操作34遍，再用平锤捣实。每层如此，但不得将保温绝缘层挂穿。炉底的厚度一般应打结到下数第二个感应圈的位置，并检查炉底是否保持水平。,d.坩埚模放置和定位。炉底打好后，就可防止坩埚模。坩埚模一般由钢板焊制而成，也可在其周围钻均匀排气孔，直径在23mm。坩
41、埚模要放平、放正，且四周均匀，四周用斜木块楔紧，然后在坩埚模内放入熔块料压紧，以防打结炉衬时发生偏移。,e.打结炉壁。先将炉底结合处刮毛，然后填料打结炉壁。应分层加料，逐层打实（坩埚底和坩埚壁交界处的打结要特别细心）。每次加料厚度不大于5070mm。每次加料前需把打实层刮毛再加料；打实过程中要时常检查坩埚模的高度和斜度。当硬砂层达到上数第二个感应线圈的位置时，则可转入炉口和炉嘴的打结操作。,f.打结炉口和炉嘴。炉口和炉嘴对炉衬寿命影响不大，且炉口区烧结条件差，故打结料中应增加细粉料的比例，或增加硼酸的加入量，或添加水玻璃及耐火泥，以保证炉口区的成型性和烧结强度。此种混合料不宜太干或太湿，用手捏
42、成团即可。先在炉口或炉嘴处涂适量的水玻璃，然后填上混合料，用小锤打结实，炉嘴修成内低外高约呈45，最后用石墨粉涂料刷光并扎气眼。,炉衬的筑炉方法有手工打结筑炉法、电动振锤筑炉法、电动筑炉机筑炉法和电动锤机筑炉法。手工打结筑炉法适用于1.5t以下的无芯感应电炉的炉衬打结；大容量的感应电炉应采用电动或气动机械的振动筑炉法。图8-9为气动锤击式筑炉机，压缩空气通过炉底振动块和炉壁振动器把振动力传递给筑炉料，使炉衬紧实。, 炉衬的烧结。炉衬烧结的目的是使炉衬获得较高的强度和抗侵蚀力，提高炉龄。虽然，具体的炉衬烧结工艺不尽相同，但一般都遵循“低温缓慢烘烤、高温满炉烧结”的原则。现提供一例，仅供参考。,a
43、.烘炉开始前加入一定数量的炉料，约为炉膛高度的2/3左右，并尽量减少炉料的缝隙。b.开始烘炉时要采取低功率（10%30%，逐渐加大），慢升温，同时要通冷却水。烘炉初期，以100/h的升温速度均匀上升，直至800900，并保温2h。c.继续升温，炉衬温度达到1000以上时，改用50%功率供电，使坩埚模和炉料缓慢升温，慢慢熔化。,d.当初装炉料熔化量达90%时，再投入洁净无锈的回炉料。然后以220/h的升温速度达到高于正常出铁温度50后（不高于1600），再保温1h，使炉衬均匀烧结。e.降到出铁温度时再出铁液。第一炉的整个熔化时间约为正常熔化时间的23倍。第一炉铁液应满一些，使炉口也能得到满意的烧
44、结，整个坩埚由上到下有一个均匀、密实的烧结层。f.在熔化第一炉，坩埚的烧结层还很薄，应再连续熔化23炉后才能完成烧结过程。如烧结温度太低，保持时间不够，炉衬冷却后会发生破裂。, 炉衬的维护,a.当炉壁出现纵向裂纹时，应采取缓慢升温方式，使裂纹弥合后再进行熔炼。b.当炉壁出现横向裂纹时，按实际情况可在横向裂纹内充填细粉耐火材料，然后进行加料熔化。c.当炉底被侵蚀时，可用炉衬材料进行修补，并在修补后用铁板覆盖其上，然后加入炉料，低功率熔化一段时间后再满功率熔化。d.炉衬的维护与保养一般在冷炉情况下进行，炉子应采用自然冷却或水冷却系统冷却，不允许喷水冷却。,e.熔炼结束后出净铁液，为防止炉壁出现裂纹
45、，应在炉口上加石棉板保温。f.如长时间停炉，在下一次开炉时要缓慢升温熔化，使炉衬中的细小裂纹自行弥合。8.2.4 无芯感应电炉的熔炼操作铸铁一般采用酸性无芯感应电炉熔炼。虽然感应电炉熔渣温度低、渣量少，酸性渣没有脱硫脱磷的能力，但是却具有炉龄长、维修方便等优点。此外，酸性渣粘度比碱性渣大，能较好地保护铁液以减少气体氧化及温度损失。,（1）装料 装料前要先检查感应电炉炉衬有无裂缝和炉衬厚度是否足够。若有3mm以上的裂缝一定要进行修补；如炉衬厚度小，必须修炉；若上一炉漏电值超过规定或冷却水温偏高，则应启用备用炉体。对于炉料，有如下要求： 炉料应尽可能低硫低磷； 成分明确，精确配料；, 炉料尽可能排
46、列紧密，小块炉料放底部和中间，大块贴近坩埚壁，最佳炉料直径（d）与电流透入深度（）有关，一般宜取d（36）； 炉料不得超时，表面应无锈无油，锈蚀严重和附砂多的炉料应剔除，严防管状和罐类废钢混入，为了操作安全，镀锌件不宜使用。熔炼铸铁的酸性无芯感应电炉主要有两种，即工频炉和中频炉，它们的装料有所不同。,工频炉频率低，集肤效应小，加热炉料的热能密度低。为了满足冷炉熔炼快速熔化的需要，在冷炉起动时需用“启熔块”。启熔块由铁液浇成，其直径小于坩埚内径1020mm，高度为坩埚深度的1/3左右。工频炉热启动可提高炉子电功率，加快熔化速度，此时炉内应保留上一炉的30%左右的铁液，无需启熔块，可以多用切屑和薄
47、料。工频炉冷炉装料次序为：炉底装少量碎玻璃渣料或集渣剂启熔块（要放置紧实）生铁和回炉料废钢。,中频炉装料是在不带剩余铁液的情况下进行的，无需启熔块。显然，这明显有别于工频炉。装料次序为：炉底少量渣料回炉料和生铁（切屑）废钢。回炉料熔点低可及早形成熔池，底装渣料则可及时对初期熔池起保护作用。此外，装料重量应计入5%左右 熔损和烧损。,（2）熔化 工频炉冷启动，开始以低压供电，为40%60%，然后逐步提高电压，在启熔块开始熔化时以最大功率供电。为了保证快速熔化，要及时调节功率因数，并做好相平衡。工频炉热炉启动时，一开始即可使用额定功率送电加热。中频炉功率连续可调，且密度大，有利于实现快速熔炼，但操
48、作时也须遵循功率先小后大的原则。,熔化期要密切注意炉料有否“搭桥”故障。一旦发现有搭桥现象，要及时加以排除。因为产生炉料搭桥时，下部铁液将过热，温度剧增，可能引起底部炉衬的严重侵蚀，甚至导致漏炉事故。铁液过热也会加剧元素烧损和含气量的增加。后续炉料都要在前次投入的炉料未熔完前投入。切屑均匀投于熔池液面，一次投入量不宜超过炉子熔炼的6%8%。切屑冷装在炉内是不允许的，因为这将增加氧化烧损。废钢熔点高，应在熔化后期逐渐加入，以利控制熔化期的炉温。,熔化过程中会产生一定量的非金属夹杂物，它们中有一些是由炉料和炉衬带来，也有的是元素氧化生成的氧化物。由于感应电炉的电磁搅拌作用，绝大多数非金属夹杂物会浮
49、升至液面，与渣料一起结合为熔渣，而另有少量的可能黏附于炉壁或残留在铁液之中。,（3）精炼 炉料化清后，适当补加渣料，务须覆盖整个液面。熔渣形成后即进入精练期。精练期的主要任务是：调整铁液的化学成分至规定的范围；进一步清除非金属夹杂物和降低气体含量；提高铁液温度至符合出炉要求。酸性无芯感应电炉熔炼铸铁整个期间的元素变化不很大，一般正常情况下符合表8-7所列的烧损范围。工频炉的C、Si烧损稍高于中频炉，配料时可取表中烧损范围的中上限。至于每一个具体的感应电炉内铁液化学成分的变化情况，应根据开炉实践进行多次的检测、校验和调整，最终才能基本上确定下来。相关的配料计算方法等内容，可参阅第7章有关内容。,
