中频感应电炉能耗及节能原理探究

中频感应电炉能耗及节能原理探究

夏真真

宁波双鹿能源科技有限公司浙江宁波315800

摘要：与冲天炉、燃料炉、电弧炉和工频电炉相比，中频感应熔炼炉在节能、环保等方面有明显的优势，此外，它还有比较容易变换熔炼品种，对于熔炼质量比较容易控制，具有较高的热效率，操作灵活简单，熔炼速度快，功率密度大等优点。

关键词：中频感应电炉；节能；措施

作为热工领域的重要设备，中频感应炉进行感应加热的方式主要是用中频交流电对金属工件产生的涡流效应。目前，在熔炼、淬火、透热等领域广泛的应用中频感应炉，主要是因为与传统加热方式相比，它效率高、速度快、加热均匀和能耗低。目前并联中频感应是我国普遍用的中频感应电炉，它具有较高的工作稳定性，较强的抗干扰能力，但是有较大的电能损耗，本文主要分析了并联中频感应炉主要能耗途径，并且从节能原理上提出一些方法使能耗减少。

一、提高中频电源的效率

1.1采用IGBT电压反馈串联谐振型中频电源

与并联谐振电路相比，串联谐振电路有以下优点：①串联逆变电路的整流角在正常工作时，始终为零，而且有较高的进线功率因数，12脉整流可达到0.988；②在功率输出相同条件下，感应圈消耗的能量，串联逆变电路流经感应圈的电流小于并联电路，而且消耗的能量也小；③谐振状态下的串联逆变电路，正弦波波形利用率较高，流过感应圈的电流为“W”波形，波形谐波含量极少；④感应圈的频率经串联电路的“W”波形倍增，有效的降低了感应圈的空载电流；⑤串联电炉通过调节频率而调节电炉功率，恒功率特性好，相对熔炼时间短。总之，串联谐振式中频感应电炉具有节能的显著优点。

1.2中频电源频率的选择

如果增加了中频电源的频率，就会增加磁力线切割炉料的速度，在炉料所形成的闭合回路中，就会增大产生的涡流数值，就会有显著的发热效果，提高电效率。有研究表明，电源的频率和电效率成正相关，但是当电效率接近90%时，电源频率增加后基本不会影响到电效率[1]。同时，由于存在集肤效应，炉料的直接加热层的深浅和电源的频率成反比，靠长时间的传导，可以使工件表面和心部获得接近的温度，但会降低热效率。过长的传热时间，在周围介质中损失热量是热效率降低的原因。考虑到炉料的尺寸对电效率和热效率有影响，应当合理的对中频电源的频率进行选择，即不能选择过大也不能选择过小。

二、中频电炉效率的提高

中频电炉主要由三部分结构组成：①感应线圈是由水冷铜管绕制而成；②坩埚是由耐火材料捣制的；③炉料。中频电源向感应炉的感应线圈供电，在中频电流的作用下产生强大的交变磁场，在磁场的作用下炉膛内的金属产生涡流而发热熔化，线圈是电能与热能转换的关键，所以设计线圈至关重要。

2.1感应线圈电阻率的选择

采用厚壁高纯无氧铜管制作炉子的感应线圈。真空除气冶炼铜材的含氧量＜20×10——6，显著提高铜材的导电率。由于厚壁管的导电截面大（一般为5——8mm），并且铜材有较高导电率，损耗得以减少。

2.2磁轭的截面积的设计要合理

可以采用厚度小于0.3mm优质单向趋晶的冷轧硅钢片，从而来对磁轭减少铁损制造。由D形取代矩形来作为中频感应炉的感应线圈的横截面的形状。D型铜管的应用可节省线路走廊，而且能降低输送单位容量的价格，同时降低了输送成本。这对于目前中国能源相对紧张的情况下是非常重要的[2]。对这种偏心D型铜管绕制而成的感应器采用，整个设备可以提高效率10%。

三、中频电炉能耗分析与节能原理

当前社会能源愈发紧张,实现节能环保对各行业都提出了较高要求。而中频感应加热电源功率不断提高,如何实现中频电炉节能降耗,节约电能是熔炼企业需要考虑的问题。在实际生产过程中,中频电炉能耗主要有三个方面：大部分功率用于加热熔炼金属,部分热量通过炉盖、炉壁散失掉;感应线圈存在一定电阻,通过电流时会有能量损耗；剩余部分能量损耗是通过电炉滤波电抗器、水冷电缆等电气设备散失掉。中频感应电炉输入的功率大部分用于对工件加热,但负载回路感应线圈等效电阻流过电流时也会发热消耗部分功率。在熔炼过程中,感应圈电阻可视为定值,减小感应圈损耗应从减小电流开始。感应圈电流分为两部分,即空载电流和有功电流。有功电流直接影响工件加热速度,空载电流产生主磁通,保持主磁通不变,由磁通公式可知,增大感应圈电感量可降低空载电流,即降低了感应圈损耗。中频电炉炉衬的制造工艺、炉料的形状等因素不仅直接影响到炉温的控制,而且对企业的生产效率和实现降低能耗也是至关重要的。炉衬的厚度直接决定了炉子的特性。炉衬越薄,通过炉料的有效磁通越多，即加热效率越高。但熔炼铁水会对炉衬腐蚀,因此炉衬需要足够的厚度来延长使用寿命。因此,需要综合考虑来选取炉衬的厚度。

加强熔炼设备的管理。对熔炼设备的管理加强，提高对筑炉、烘炉、烧结、熔炼等操作工艺要求和中频电源维护保养制度规范，有效提高炉龄，从而使中频电源可以正常运转，进而降低熔炼电耗。在中频感应熔炼炉不断的使用，熔化速度变慢，必须清理出炉渣。炉壁上聚集着炉渣，炉壁变得越来越厚，富集的废钢氧化物和过多的旧铁粘砂增大阻抗，使得功率比额定值低。

中频电炉炉料的尺寸、炉料与炉壁的间隙等熔炼工艺对熔炼的效率和质量有直接影响,因此,对熔炼操作工艺进行改善不仅实现节能降耗而且可使炉衬的使用周期延长,节约设备维修经费,具有良好经济效益[3]。

四、改进熔炼作业的方式、加强生产管理

4.1执行正确的熔炼操作

为了加速炉料的熔化，加料的方法应当注意。炉膛空间需要充分利用，搭配大小块的炉料进行装料。由于炉料在感应炉内磁通的分布是不均匀的，磁通密度越靠近坩埚壁越大，越靠近坩埚的中心线越小，产生的电动势和电流外层中比里层大，即“集肤效应”。通常来说，炉料间隙由小块料来填充，坩埚壁的附近装大块的炉料，炉底和中间部分装小块的炉料。中频电源一般都具备必要的限压限流保护，加料时炉体内可先装约2/3的炉料，快速升温炉料，温度迅速超过居里点，然后炉料阻抗增大，电流在限流值以内，可保证电炉以额定功率运行，再将另外1/3的炉料加入，这样将会缩短限流时间[3]。在整个熔化过程中，不必要的限压时间必须被减少，采用炉钎捅料，避免由于炉料大小不同，长短不一，互相挤住发生“搭接”，使炉子出现中频电压高而限压，功率上不去，熔化速度将变慢。

4.2加强熔炼设备的管理

加强对熔炼设备的管理，规范筑炉、烘炉、烧结、熔炼等操作工艺要求和中频电源维护保养制度，有效提高炉龄，保证中频电源的正常运转，从而降低熔炼电耗。在中频感应熔炼炉使用的后期，熔化速度变慢，炉渣必须被清理出来。炉壁上聚集着炉渣，炉壁变得越来越厚，富集的废钢氧化物和过多的旧铁粘砂使得阻抗增大，使得功率低于额定值。

结语：

当前并联谐振式是普遍使用的中频感应电炉，但其有比较大的电能损耗、不高的系统整体功率因数，且对电网产生有害谐波，对其发展应用有严重制约。在实际生产中，串联谐振感应电源更具有节能优势，启动方便、功率因数高。未来感应加热中频电源将随着电力电子机器件的发展不断增大单机容量，以后发展趋势必将成为串联谐振感应加热中频电源。

参考文献：

[1]张健林。中频感应熔炼炉与保温炉的电源频率选择及功率计算[J].中国铸造装备与技术，2016（5）：51-53.

[2]冯胜山，许顺红，刘庆丰，等。无芯感应电炉成型炉衬的研究与应用进展[J].铸造技术，2014，29（7）：975-978.

[3]袁达，刘芸。中频无芯感应电炉改造感应圈提高熔化率的实践[J].特种铸造及有色合金，2015（1）：40-41