感应电炉熔炼节能的电气技术

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1、感应电炉熔炼节能的电气技术冯胜山（湖北工业大学机电研究设计院武汉430070）摘要：简要介绍了感应电炉熔炼的特点和能量损失途径，重点分析了电源频率、电炉容量、电炉功率与功率密度、电源型式及其控制系统、供电线路、变压器和炉壳等方面的节能措施及其应用效果。关键词：感应电炉；熔炼；节能；电气感应熔炼电炉是利用电磁场感应原理将电能转化为热能，使金属炉料熔化的设备。中频感应熔炼电炉由于熔化速度快、电效率和热效率高、能源消耗量低（见表1）、操作使用方便，已成为熔炼铸钢和化学成份耍求严格的球墨铸铁、高强度铸铁、合金铸铁的重要设备。近年来，高功率、快速熔化、大型化已成为目前感应熔炼电炉发展的潮流。表1

2、冲天炉和中频炉熔炼铸铁时能源消耗比较项目熔化能耗率（1380°C）过热能耗率（1380^1530°C）熔炼总能耗率折算成电能（按焦炭3000元/t、电价0.8元/kW•h计）能源节约率冲天炉熔炼166.7kg（铁焦比6：1）80kg246.7kg925kW•h中频炉熔炼550kW•h60kW•h740kW-h610kW-h34%注：能耗率指每吨铁液耗能量，单位为kg表示焦炭消耗，单位为kw-h表示电能消耗。但是，中频感应熔炼电炉在电能、磁能及热能的转换过程中仍有以下几种能量损失：(1)电磁感应器有电阻，必然在感应器上产生电能损耗，称Z为铜耗。(2)电能转换成的热能大部分用于熔化炉料，但

3、通过炉壁、炉盖也要散失一部分，称之为炉衬热损。(3)炉口在加料、熔化(无炉盖时)及出炉时，产生的热辐射要损耗一部分能量，称之为辐射热损。图1屮频电炉的热平衡(4)配电设备(如变压器、电容器、电抗器以及水冷电缆、供电母线等)也要损耗一部分能量，称之为附加损耗。用无芯感应电炉熔炼时，一般仅约有70%的能量真正用于预热、熔化和过热金属，其余的能量通过以上各种途径损失掉，其中电流热损失(主要为铜耗)高达20%,其次为8%的炉衬热损，其余为变压器、元器件和电缆等产生的附加损耗(见图1)。从电源频率、电炉容量、电炉功率与功率密度、电源型式及其控制系统、供电线路、变压器和炉壳等电气方血采取相应的技术

4、措施，可显著降低上述能量损失，提高能源利用效率。1电源频率、电炉容量、电炉功率与功率密度无芯感应电炉熔炼时，炉料和钢液中的感应电流是服从集肤效应由表面向中心依次减弱的。电流强度降低到表面电流强度的36.8%的那一点到导体表面的距离称为电流透入深度。电流透入深度At的计算式为：At=5030Xp1/2•ur-1/2•f-1/2上式中：P—金属炉料电阻率，Q・cm；ur一金属炉料相对磁导率；f一电源频率，Hz。电源频率越高，电流透入深度就越小，集肤效应越明显。炉料中的感应电流主要集中在透入深度层内。加热炉料的热量主要由表面层供给。为使炉料整个横断面升到相同的温度，随加热时间的延长,炉料向周

5、围介质中散失的热量增多，导致热效率下降。为了获得高的电效率，对不同容量的炉子要选择适合的频率。从理论分析可知：当珀埸直径与电流透入深度之比为10左右时，电炉电效率最高。用下式可计算出电效率最高时的频率f：f=2.5X109P•nr-1•d-2上式中：d—圮竭内直径，cmo一般地，电源频率越低，电效率也越低。生产中应根据实际情况合理选用电源频率以降低电耗。据有关资料介绍：在熔炼黑色金属时，电源的最低频率为：fmin=d-2xl05(Hz)不论是工频炉还是屮频炉，随着炉子容量的增大，炉子表面积与体积之比减少，每吨容量的热损失也减小。无芯感应电炉的额定熔化率越大,则每吨铁水的平均耗电量越低。

6、因此，为了降低能源消耗，应该尽量选用额定熔化率较高的电炉。通常炉子容量增加，功率也耍增加。对于一定容量的炉子，功率增大时，炉子的功率密度也增大，熔化速度加快，熔炼时间缩短，单位电耗损失相应减少，热效率提高。但是功率增大时，电磁搅拌力也增大，加速了炉衬的侵蚀，影响铁液质量，炉衬的寿命降低。所以炉子输入功率的提高受到一定的限制。电磁搅拌力的计算式为：Fj=31600xp-l/2-f-l/2-S-1P上式中：S—被感应器包围的金属炉料表面积，cm2；P—通过加热金属炉料转换为热能的部分功率，kWo不同频率下电炉的功率密度允许值见下表。频率/Hz电炉容量/t功率密度/kW•t-110000.2

7、~1.513455000.6^69452501.1~186701252.5^60475508^100300目前国内生产的中频电炉，无论是容量（吨位）还是熔炼速度，都与国外先进的同类产品相差甚远。究其原因，国内中频电炉除受到基础元器件的质量限制外，关键在于功率密度通常配置到600kW/t左右，工作频率在0.9〜3kHz,熔炼时间一般90~120mino而国外的功率密度通常配置到600〜800kW/t,小容量熔化炉的功率密度配置可高达1000kW/