感應(yīng)熔煉技術(shù)在鑄鐵生產(chǎn)中的應(yīng)用和發(fā)展

12種感應(yīng)熔煉爐

　　目前，在鑄鐵生產(chǎn)中應(yīng)用最多最普遍的感應(yīng)熔煉爐有工頻感應(yīng)爐和中頻感應(yīng)爐。

　　工頻感應(yīng)爐能使金屬熔化和升溫，且加熱均勻燒損少，便于調(diào)節(jié)鐵液的成分、污染小。但工頻感應(yīng)爐熔化冷料速度慢、不利于造渣、冷爐啟動需啟動塊、生產(chǎn)不夠靈活、故一般常用于金屬和合金的重熔與升溫。另外，工頻感應(yīng)爐功率因數(shù)低，需配置大量補償電容器，也增加了占地面積和設(shè)備投資。

　　中頻感應(yīng)爐則電效率和熱效率高、熔煉時間短、省電、占地面積較少、投資較低，易于實現(xiàn)過程自動化和具有生產(chǎn)靈活性。

　　中頻感應(yīng)爐適合熔煉鑄鐵，特別適合熔煉合金鑄鐵、球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵。它對爐料的適應(yīng)性也較強(qiáng)，爐料的品種和塊度可在較寬的范圍內(nèi)變動。應(yīng)該指出，雖然中頻感應(yīng)爐優(yōu)點較多，發(fā)展較快，但工頻感應(yīng)爐則在鐵液貯存、保溫、調(diào)整合金成分和過熱升溫等方面，仍不失為1種良好的設(shè)備，尤其是作為高爐、沖天爐等熔煉爐的雙聯(lián)用爐仍然得到廣泛應(yīng)用。世界上最著名最大的離心球墨鑄鐵管生產(chǎn)廠家，法國的木松橋公司就采用工頻感應(yīng)爐與高爐雙聯(lián)工藝，而日本久保田公司則采用工頻感應(yīng)爐與沖天爐雙聯(lián)工藝。首鋼鑄造廠早在80年代初，就在國內(nèi)首先采用了工頻感應(yīng)爐與高爐或沖天爐雙聯(lián)工藝，試制成功連續(xù)鑄造鑄態(tài)球墨鑄鐵管，并在以后的生產(chǎn)提供著高溫優(yōu)質(zhì)鐵液，一直延用至今，效果良好。

　　2中頻感應(yīng)爐的發(fā)展

　　目前，工頻感應(yīng)爐向大容量發(fā)展已基本停止，中頻感應(yīng)爐的發(fā)展則令人矚目。

　　2.1靜力變頻器

　　中頻感應(yīng)爐的發(fā)展得益于靜力變頻器的使用，這種變頻器和磁力變頻器比較，其效率高達(dá)95%～98%。作為感應(yīng)爐使用的變頻器額定功率不斷提高，近來，9 000 kW變頻器已投產(chǎn)，把它聯(lián)接在容量為12 t的爐子上，熔化鐵液的生產(chǎn)率可達(dá)18 t/h；將中頻感應(yīng)爐功率密度每噸熔化能力提高到1 000 kW，能使熔化期縮短到35 min。感應(yīng)爐的熔化率是隨爐子的容量變化而變化，一般中頻感應(yīng)爐熔化鑄鐵的熔化率為0.4～35 t/h。例如，使用2 t容量的爐子，可得到2～2.38 t/h的熔化率，使用12 t的爐子則可達(dá)到18～21 t/h的熔化率；而采用工頻感應(yīng)爐熔化冷料的熔化率，1.5 t爐為0.75 t/h、3 t爐為1.5 t/h、5 t爐為2.5 t/h，10 t爐只有4 t/h?？梢娭蓄l感應(yīng)爐的熔化率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了工頻感應(yīng)爐，這就為在選擇鑄鐵生產(chǎn)熔煉設(shè)備時可以以小代大，使用較小容量的中頻感應(yīng)爐代替較大容量的工頻感應(yīng)爐創(chuàng)造條件，中頻爐取代工頻爐既減少了用地，又降低了投資，也保證了鐵液的連續(xù)供應(yīng)，對于連續(xù)作業(yè)、生產(chǎn)能力較大的鑄鐵生產(chǎn)均十分有利。將中頻感應(yīng)爐用于連續(xù)鑄造或離心鑄造球墨鑄鐵管生產(chǎn)的鐵液熔煉，用它取代沖天爐，或與高爐、沖天爐進(jìn)行雙聯(lián)，其生產(chǎn)能力將可得到充分發(fā)揮。例如，國內(nèi)有1個離心球墨鑄鐵管生產(chǎn)廠家，就是采用了10 t中頻感應(yīng)爐與高爐雙聯(lián)工藝，對鐵液進(jìn)行升溫和調(diào)整成分，將貯存的高爐鐵液從1300℃升溫到1520℃，大約需要27 min。該爐頻率100～200 Hz，功率為2 500 kW。

　　中頻感應(yīng)爐電效率和熱效率高，不但提高了熔化率、縮短了熔化時間，其單位電耗也相應(yīng)降低。與工頻感應(yīng)爐相比，其電耗可從700 kW.h/t降低到515～580 kW.h/t。有關(guān)資料表明，在考慮爐渣的熔化和過熱所需能量損失的情況下，中頻感應(yīng)爐冷啟動時，單位電耗約582 kW.t/h，熱爐操作時，單位電耗為505～545 kW.h/t，如果連續(xù)加料操作，則單位電耗僅為494 kW.h/t。

　　2.2生產(chǎn)靈活性

　　中頻感應(yīng)爐在生產(chǎn)安排上有較大的彈性，熔化操作有較大的靈活性。對于工頻感應(yīng)爐，要求不間斷地連續(xù)工作，因為間斷會增加冷啟動，冷啟動不但增加熔化時間和能源消耗，且每1次都還必須使用啟動塊。而中頻感應(yīng)爐在間斷短時間使用時，則可不使用啟動塊就進(jìn)行冷啟動，更換爐料十分方便，鐵液又可完全倒空，能實現(xiàn)在短時間內(nèi)的材質(zhì)更換，有利于生產(chǎn)組織安排。這為單件小批量生產(chǎn)帶來有利條件。例如，鋼鐵冶金企業(yè)中的行業(yè)性機(jī)修廠，主要承擔(dān)鋼鐵企業(yè)所需的備品、備件及大宗消耗件的生產(chǎn)，并承擔(dān)一些非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的制造，又多是單件小批量生產(chǎn)，品種較多，材質(zhì)要求經(jīng)常變換。在這方面中頻感應(yīng)爐所具有的生產(chǎn)靈活性，彌補了工頻感應(yīng)爐及其它熔煉用爐的不足。

　　2.3爐體結(jié)構(gòu)

　　隨著中頻感應(yīng)爐功率密度的不斷提高，也就對爐子的安全運行、提高爐襯壽命和降低噪音等要求越來越高，爐體結(jié)構(gòu)的合理性也就越來越為人們所重視，其中重型鋼殼爐具有耐久性強(qiáng)、效率高、生產(chǎn)率高且噪音小、易于維修等許多優(yōu)點。

　　重型鋼殼爐與框架爐不同，它是設(shè)置有多個較大檢查口的高強(qiáng)度環(huán)型鋼殼，爐子運行時，檢查口是關(guān)閉的，檢修時則每個檢查口均可打開。重型鋼殼爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)結(jié)實，可以避免傾斜出鐵澆注可能引起的變形，延長了爐襯壽命，而且由于封閉的堅固爐殼及其內(nèi)部可增加吸音隔離材料，使得工作噪音大大降低。結(jié)實的鋼殼還能夠有效地保護(hù)感應(yīng)線圈避免飛濺金屬的危險，使?fàn)t子在運行過程中具有最大的安全性。為了有效地隔熱保溫并提高爐襯壽命，重型鋼殼爐還在頂部和底部分別設(shè)置了冷卻環(huán)，起到了均勻爐襯溫度，降低熱膨脹作用。低能耗、高強(qiáng)度的不銹鋼冷卻環(huán)，大大提高了爐子效率。

　　重型鋼殼爐不僅有堅固的鋼殼，而且設(shè)計了專門用于感應(yīng)熔煉的厚壁管結(jié)構(gòu)線圈，并通過正確選擇感應(yīng)線圈的匝間距離使得線圈的轉(zhuǎn)換效率最高、電阻最小。1方面，厚壁感應(yīng)線圈載流截面大、壁厚均勻、不易發(fā)生因電弧和膨脹引起的破壞，另1方面，線圈采用特殊的支撐系統(tǒng)，每1匝都被牢牢鎖緊，剛性好，減少了由于電磁力引起的振動，大大延長了爐襯的使用壽命。另外，這種感應(yīng)線圈的周圍覆蓋了50%的磁軛，有效地改變了磁場的分布。同時隔離緩沖墊也降低了噪音和振動，增加了磁軛的效率。重型鋼殼爐還采用感應(yīng)線圈延伸并超過爐襯底部的加長線圈設(shè)計，從而使得從爐體頂部到底部之爐料負(fù)載與磁場的耦合非常均勻，提高了能量轉(zhuǎn)換效率，也減少了因磁場產(chǎn)生的攪拌力對底部爐襯的影響。

　　合理的爐體結(jié)構(gòu)十分重要，重型鋼殼爐只是其中1種。不少廠家都在致力改進(jìn)爐體結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)中頻感應(yīng)爐的應(yīng)用與發(fā)展。

　　2.4除渣與修爐

　　中頻感應(yīng)爐生產(chǎn)率高，熔化期可縮短到35 min左右，為了最大限度利用爐子的功率，必須盡可能快地除渣。采用撇渣器或人工除渣，效果均差且時間較長，勞動條件惡劣。為了解決這個非常費時而又繁重的作業(yè)，出現(xiàn)了1種爐子后傾出渣方法，即通過爐體頂部后邊的開槽將爐渣倒入運輸車?yán)铮@種方法既快捷又方便。爐子后傾角度一般為20°～25°。

　　中頻感應(yīng)爐工作1個爐役后，必須進(jìn)行拆除和修爐。為了縮短更換耐火材料爐襯的停爐時間，必須考慮機(jī)械化，振動筑爐和爐襯推出機(jī)也就成了大型感應(yīng)爐的主要配件。爐襯推出機(jī)可以在耐火材料爐襯完全冷卻之前將其推出，進(jìn)一步縮短了修爐時間，改善了勞動環(huán)境。

　　2.5雙供電電源與控制系統(tǒng)

　　中頻感應(yīng)爐的1個獨特發(fā)展是用1套供電系統(tǒng)向2臺爐子供電，實現(xiàn)了無生產(chǎn)間隔作業(yè)的工作制度。實踐證明，1臺感應(yīng)爐的總有效功率通常在整個熔化期不能被充分利用，在測定鐵液溫度、取樣、除渣、出鐵、尤其是在澆注的情況下，都要降低功率或切斷電源。如果澆注周期較長，利用率只有50%左右，這表明要想達(dá)到所需要的生產(chǎn)率，電源設(shè)備的額定功率需是利用率為90%的1.8倍。為了解決這個問題，研制成功了1種雙電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用2個相同的換流器和電容器組，每臺爐用1組，但都用共同的整流器和變壓器來供電，每個換流器均可單獨控制，能夠?qū)⒖傆行Чβ室匀我獗壤峙涞?臺爐子里。這種系統(tǒng)除對1臺爐子保溫提供充足的電力外，其余功率都可用于第2臺爐子進(jìn)行鐵液熔煉。一旦熔煉爐準(zhǔn)備澆注，其換流器的功率立即降低到保溫水平；此時另1臺爐子則倒空，然后重新裝冷料，提高換流器的功率，開始新的熔煉。如有必要，可將總有效功率接到1臺爐子上，另1臺爐子停用；或?qū)⒖傆行Чβ势骄峙涞?臺爐子上，使其同時熔煉。例如，神光電爐的雙供電電源及控制系統(tǒng)，就是可同時向2臺爐子供電，且輸送給2臺爐子的功率是無級分配的。采用這種電源可同時向1臺爐子輸送熔化功率，向另1臺爐子輸送保溫功率，使電源利用率達(dá)到100%。這種電源向2臺爐子同時送電，完全避免了切換開關(guān)或另加1套電源，不必在熔煉中將電源切換到保溫爐子上以保持必要的澆注溫度，從而使中頻爐實現(xiàn)了熔化和保溫2種功能。當(dāng)1臺爐子處于維修狀態(tài)時，電源可與這臺爐子隔離，而只給另1臺爐子供電，也增加了安全性。

　　應(yīng)該提到的是，配有雙供電電源與控制系統(tǒng)的中頻感應(yīng)爐，即使在1臺爐子烘爐時，也能保證另1臺爐子正常生產(chǎn)，從而實現(xiàn)鐵液的及時連續(xù)供應(yīng)，這也是工頻感應(yīng)爐無法比擬的。首鋼鑄造廠1變2爐實踐證明，2臺10 t工頻感應(yīng)爐使用1套電源供電，在1臺爐子烘爐時，另1臺爐子也不能生產(chǎn)。如果1次烘爐約需3天時間，則1年當(dāng)中約1個月不能生產(chǎn)，影響極大。為了實現(xiàn)能夠連續(xù)生產(chǎn)的目的，1是增加工頻感應(yīng)爐數(shù)量，2是增加1套烘爐電源設(shè)備。首鋼鑄造廠在建設(shè)離心球墨鑄鐵管車間時，就是在原有1變2爐基礎(chǔ)上增加1臺工頻感應(yīng)爐及相應(yīng)的電源設(shè)備；國內(nèi)另1個離心球墨鑄鐵管生產(chǎn)廠家則在原有1變2爐基礎(chǔ)上，擬增加1套烘爐電源設(shè)備。無論采用如上所說的哪種措施，都要增加相應(yīng)的設(shè)備與設(shè)施，也就增加了占地與投資。中頻感應(yīng)爐雙供電電源與控制系統(tǒng)的應(yīng)用，不但同時保證了熔煉和保溫，也同時實現(xiàn)了烘爐不停產(chǎn)。

　　2.6自動化程度

　　中頻感應(yīng)爐采用計算機(jī)控制系統(tǒng)，自動化程度較高。對于大功率中頻感應(yīng)爐，熔化期非常短、過熱率非常大，只有采用計算機(jī)控制系統(tǒng)才能發(fā)揮設(shè)備潛力，才能對工廠和操作人員提供最有效的保護(hù)。25～30℃/min速率過熱熔化爐料的爐子，在滿功率狀態(tài)幾分鐘無人看管，很可能造成災(zāi)難性事故。目前，大型中頻感應(yīng)爐已裝備了比較完整的計算機(jī)輔助監(jiān)視和控制系統(tǒng)，其主要內(nèi)容包括：

　　(1)當(dāng)爐子坩堝中鐵液達(dá)到預(yù)編程溫度時，保證自動降低爐子功率；

　　(2)爐子固定在測重儀上，測重儀為計算機(jī)提供爐子里金屬爐料的質(zhì)量數(shù)據(jù)；

　　(3)監(jiān)測、計算和控制鐵液溫度；

　　(4)為新爐襯提供自動燒結(jié)程序；

　　(5)確定達(dá)到要求的鐵液成分所需要的碳、硅及其他添加元素的數(shù)量；

　　(6)包括1臺自動冷啟動裝置在內(nèi)的其他有用的必要的功能。

　　另外，安裝自動化機(jī)械裝料系統(tǒng)也是發(fā)揮大功率中頻感應(yīng)爐全部潛力所不可缺少的。一般安裝在軌道上可做橫向和縱向移動或繞樞軸轉(zhuǎn)動的振動給料系統(tǒng)最為合適。

　　高效中頻感應(yīng)爐的熔化處理系統(tǒng)是由熔化處理機(jī)監(jiān)控整個熔化過程所需的功能及操作程序的，這個處理系統(tǒng)是由1個帶有彩色監(jiān)控器的微處理機(jī)組成的。工作時，在爐子裝料系統(tǒng)和稱重系統(tǒng)的共同作用下，自動計算熔化到澆注溫度所需的功率，控制熔化期爐子熔化過程所需能量的吸收。在電橋的作用下，實現(xiàn)爐子熔化過程的自動裝料；熔煉完畢鐵液達(dá)到澆注溫度，處理系統(tǒng)能夠自動轉(zhuǎn)換保溫過程，可以用最小的能量達(dá)到預(yù)想的過熱度；通過附加程序，在最利于保護(hù)爐襯的情況下，自動控制爐子冷啟動和爐襯耐火材料的燒結(jié)過程。

　　熔化處理系統(tǒng)能夠?qū)﹄娫春蜖t體進(jìn)行全面自診斷，如果非正常狀態(tài)啟動了系統(tǒng)報警，該處理系統(tǒng)可以提供問題所在，并可將這些故障信息存儲起來，也可與打印機(jī)相連進(jìn)行打印保留。

　　3結(jié)束語

　　中頻感應(yīng)爐比工頻感應(yīng)爐具有更多優(yōu)點，它適合熔煉各種鑄鐵，特別適合熔煉合金鑄鐵和球墨鑄鐵，近年來在鑄鐵生產(chǎn)中已愈得到廣泛的應(yīng)用。該爐生產(chǎn)率高、節(jié)能省電且有較大生產(chǎn)靈活性，對于諸如鋼鐵冶金企業(yè)等行業(yè)機(jī)修廠及其他單件小批量生產(chǎn)極為有利；它自動化程度高且配有雙供電電源與控制系統(tǒng)。