中频炉结构节能原理分析

作者：杨靖

来源：《中国科技博览》2018年第16期

        [摘 要]目前能源的利用方式成为人们关注的热点，节能环保的意义越来越突出。中频谐振式感应炉技术已经相当成熟。随着我国电力供应环境的改善及环保要求的提高，发展和扩大感应加热的规模，改变铸造行业耗能高的现状符合当前形势。随着感应加热装置功率的进一步提高，如何节能的问题将更加突出，由于中频谐振电炉用户多，因此对其节能的研究具有很大的意义。

        [关键词]中频炉 节能 熔炼

        中图分类号：S955 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）16-0291-01

        1 中频炉主电路节能原理分析

        1.1 逆变主电路对比分析

        我们知道，中频感应电炉中，根据逆变线路感应圈负载和补偿电容的连接方式，可分为串联逆变和并联逆变两种中频感应电源。虽然我国并联谐振中频电炉占据着工业熔炼设备很大比例，但是已经投入使用的串联谐振电炉的运行情况显示，串联感应电炉系统具有节能优势。并联逆变电源，工频电压经整流得到的可调直流电压，经电抗器Z，滤波后，进入单相桥式并联逆变器，其作用有三：使直流电流连续，纹波小；中频电流进入工频电网，起隔离中频交流的作用；逆变失败时，故障电流，电抗器近似认为是恒流源。

        串联逆变电源，工频电压经整流得到的直流电流，经电容Cj滤波后，进入单相半桥桥式串联逆变器。电容Cy除了滤波，还为中频电流提供旁路，为此C，的容量必须足够大，可近似认为逆变器的直流电源为恒压源。

        1.2 根据谐振方式不同的节能分析

        在并联谐振时，由电源输入的电流很小，电感和电容上的电流却很大，均为为电源输入电流的Q倍，而电压都等于逆变器的输出电压。在串联谐振中，电容和电感两端的电压相等，均为逆变输出电压的Q倍，流过电感和电容的电流等于逆变器的输出电流。

        由于我们在串联谐振电源中采取脉宽调制的方法，在中频感应电炉的逆变电压允许的范围内，串联谐振的感应圈电压相对比较高。所以根据谐振电炉谐振方式的不同，在输出功率相同的条件下，串联谐振式中频电炉的感应圈电流损耗比较小。

        1.3 根据负载功率因数的不同节能。

        晶阐管中频电源功率因数的调整是由低频往高频调，并逐步接近谐振频率。其中并联谐振式中频感应电炉，逆变电路的工作频率高于负载的谐振频率，所以脉冲触发须在负载电压过零之前。逆变触发角越大，晶闸管所能承受的反压越大，促使晶闸管越能可靠的关断，有利于换流。但逆变触发角不能无限的超前。

        由公式（1-2）可知，电路功率因数的提高和换流的有利是互相矛盾的。

        逆变角的最小值为换相角，但为了保证可靠的换流，逆变角一般都大于换相角。

        如图1所示，并联逆变电路的输出电流波形近似为矩形波，所以中频电流中含有明显的基波和谐波。谐波含量越高，功率因数越低。

        在理想情况下，串联逆变电路负载的谐振频率近似于逆变电路的工作频率。由逆变电路工作过程的分析可知，触发时间越短，工作频率越接近谐振频率，电压波形叠加，引起电压幅度的增加。串联逆变的电压波形叠加如图2所示。

        由逆变电路主槽路的功率，可知电压升高，主槽路的电流下降，逆变电路的损耗降低，且随着触发时间的缩短，工作频率越接近谐振频率，每组“W”波形都工作在逆变角为零的状态，图2所示每组波形基本为正弦波，谐波含量少，有用的基波成分多，功率因数较高。

        1.4 能耗对比试验结果

        以某公司铸造车间实验对象，对串并联两种中频电炉的能量消耗进行对比试验。两种中频电炉的容量均为一吨，通过实验数据可知，在实际运行中，熔炼一吨金属（铸铁废料）的电耗量，串联谐振式中频感应电炉更节能。在对中频感应谐振电炉节能分析的过程中，我们以两种谐振电炉的节能方式为对比，从谐振方式、负载回路的功率因数不同分析了节能，最后以司两种中频电源能耗表，得出在实际的工作过程中，串联谐振电炉更加的节能。

        2.1 炉衬对节能的影响

        在中频电炉系统中，通过炉衬散热的损耗，每吨铁水需要30～60，约占输入功率的5%～10%，为了降低这部分能量的损失，在上面的文章中对炉衬的烧结工艺、炉衬的材料、炉衬的形状、炉衬的厚度以及炉料的清理做了初步的分析和研究，并取得了初步的效果。炉衬节能基本原理如下：

        1）选择优质炉衬：薄炉衬打结的电炉一般采用感应圈胶泥以提高安全性，并选用优质干式炉衬捣打材料，我们一般选用硅砂和硼酸混合材料。

        2）炉衬的厚度：一般炉衬厚度减少30%，由于电磁感应效率提高，节能可达到3%-5%

        由于铁水的冲击与腐蚀，为了延长炉衬的寿命，要求炉衬又不能太薄。因此，分析得出炉衬厚度和坩埚容量的关系曲线，当炉子容量小于2t时，容量越大，炉衬越厚；当炉子超过2t时，随着炉子容量的增大，炉衬厚度增加越慢。

        3）炉料的形状：炉料的块度太大或太小都会影响电炉的电效率和熔化质量，炉料的块度越大，熔化的速度就会越慢，而且金属液的均匀程度会不稳定。通过分析得出炉料吸收的功率与炉料碎度的关系曲线。当炉料的块度过大，即当碎度很小时，炉料吸收的功率较小；随着值的增大，功率也随之增加，当时，吸收的功率达到峰值，此时，功率吸收面积和电效率才能达到一个最佳值，电效率才能得到充分的利用。

        4）炉料的清理：在熔化铁水时如果炉料中夹杂着的氧化物和铸造用废砂等，其单位电耗量将增加10。所以我们在将炉料投炉之前，尽量确保炉料不掺杂铸造用废砂、金属氧化物等杂质。

        2.2 熔炼操作对节能的影响

        在采用中频感应电炉熔炼时，如果操作方法不当，会增加额外的能量损耗。因此对熔炼过程中的热力学反应、中频透热能量消耗、实际熔化铁水消耗三个方面进行分析，以此来降低能量损耗，从而提高能源利用效率。熔炼操作节能原理如下：

        1）热力学计算的热能：铁水温度达到1500℃左右时，才开始熔化，通过分析计算知道，1吨铁水从室温加热到1500℃所需要0。69xl09J的热量，需要消耗200度电。

        2）中频透热能量：开始时（0T2之后，工件的温度超过居里点，电阻率及相对导磁率都几乎不变，各参数渐趋稳定。

        3）实际熔化铁水消耗：中频电炉熔化铁水一般分为三个过程，冷炉料有磁状态、未熔化状态、熔化状态。通过对熔化过程的分析，得出预留铁水熔炼运行阻抗和温度的关系曲线，知道当采用预留铁水的方法，整个熔炼过程中运行阻抗保持一致性，功率变化不大，因此熔炼的速度很快，减少了散热的时间，从而节能。

        3.总结

        中频电炉综合节能设计原理。其中涉及到两种谐振电炉的设计原理，通过对比分析得出串联谐振电炉更加的节能；炉衬和熔炼操作对节能的影响，对日后中频炉的选择有比较积极的意义。