1994年第1期(总118期) ·设备 · 工装 · 提高感应熔炼炉电效率的途径 东风实业开发公司 余风伦 [ 摘要] 简述了感应熔炼炉容量、 功率密度、 频率与单位能耗之间的一般关 系; 介绍了感应熔炼炉生产率计算及其选用的一般规则; 论述 了 影响感应熔炼炉单 位能耗的若干主要操作因素。 主题词: 感应电炉 能耗 电效率 1 前 言 3O多年来, 感应熔炼和保温技术在铸造生产中日益普及。用感应电炉作铸造车间的熔 炼和保温设备的数量已 获得稳定的增长。 据报道, 在世界主要铸件生产国家中, 用感应电炉熔炼的铸铁, 在铸铁件总产量中占有 相当的份额。其中美国超过2O ; 日本占27%; 德国约3O ; 前苏联8O年代中期为17%。 用感应 炉熔炼金属要消耗大量的电能。 因此, 提高感应炉的电效率是铸造生产节能降 耗的一个突出方面。 据推算, 国外熔炼的能耗费用通常占金属液成本的1O ~15%, 相当于 铸件成本的 18%"--30 , 东风汽车公司在铸件生产中大约分别为 6%~8%及 12%~2O 。 我国高速发展的汽车工业促进了高强度铸铁、 铝合金的应用, 因而感应电炉在汽车铸造 车间日益增多, 能源的矛盾显而易见。由于电力增容费和电价的急剧上涨( 目前增容费已达 500"--600元/ KVA ) , 因此, 人们对于节能兴趣正在与日 俱增。 然而, 困扰提高熔化炉和保温炉电效率的因素不仅仅是一个技术问题, 传统的观念也是 大障碍。 在方案规划、 设计、 运行和维护各阶段, 如何才能达到节纯的目的需要认真考虑和 综合平衡。例如, 在选用设备方面, 根据感应加热理论, 无芯感应炉适用于熔化, 有芯感应炉 则适用于保温或双重熔炼。但实际中用有芯感应炉进行熔化, 无芯感应炉用于保温(包括在 同一炉内熔炼和保温)也不少见。 在方案选定方面, 偏重于能力需要, 不适当地提高熔化能力 保险系数, 很少考虑能力过剩的结果。 作业规范制订也往往只满足生产率、 安全操作需要, 缺 乏炉前炉后的统筹兼顾对能耗的影响, 忽视炉料的处理。 操作者对感应熔炼技术及设备性能 的理论知识缺乏较为系统的培训, 习惯于按传统的模式及自己的方便 进行作业等。其结果 是增加了设备投资、 浪费了能源, 而且提高了运行成本。 有鉴如此, 本文力图以提高电能利用 的角度出发, 系统地、 扼要地认识感应熔炼炉的一般特征及其操作要素, 通过理论和实践的 数据阐述提高感应熔炼炉电效率的各项措施。 一2 感应炉功率、 容量与单位能耗之间的一般关系 2. 1 感应炉输人功率、 容量及功率密度 在设计制造阶段, 感应炉制造厂家考虑的主要问题是满足用户提出的熔化效率及能耗 维普资讯 http://www.cqvip.com 《 汽车科技》 有关的各项因素。 图1是制造厂家提供的描述无芯工频和中频熔化炉容量、 输入功率之间关 系的简要理论曲线。 在容量一定的情况下, 提高工频炉输入功率受到一定的限制。 当金属液在坩埚中的高度 与炉体中的感应器高度相等时, 电磁搅拌力掀起的液峰高度可简化为: Ⅳ 一 式中 P——输入功率 , — —电流频率 C——由炉料与炉子大小决定的常数 我们把感应炉每吨容量输入功率称之为功率密度。 从简式中可以理解, 图1 中中频感应 炉功率密度比工频感应炉功率密度高得多的原因。如果功率密度过高, 则电磁搅拌力也过 大, 而过大的电磁搅拌力会导致金属液加速氧化、 吸气及炉体壁的腐蚀乃至作业危险。 l -簪 子杏 量 t 图1 工频和中频炉容量与输入功率之关系 一 、 燃 悴 炉子 存 .I 图2 实际使用的感应炉功率密度分布 图2是实际使用的中 频炉和工频炉容量与功率密度分布的情况。 一般来说, 目前工频炉 和中频炉的功率密度都提高了, 欧洲大多数使用的工频炉由200~ --220kW/ t 提高到250~ " 300kW/ t, 中频炉由580-~600kW/ t 提高到600--~ . 800kW/ t, 甚至lO 00kW/ t。高功率密度要 求进行熔炼过程控制和相应的外围设备, 并在很大程度上取决于操作者的技能, 否则不能充 分发挥高效率的技术和经济优势, 且不利因素多。 我国的感直炉容量与输入功率之间的关系 同日 本接近。 图3为日 本铸铁熔化用坩埚炉容量与输入功率上限的关系, 图4为现代中频炉 容量、 输入功率范围及熔化率之间的关系示意。 2. 2 感应电炉的单位能耗 感应电炉无论是熔化还是保温, 其单位能耗与容量有关。 图5 描述了炉子容量与单位能 耗的一般倾向。 一般来说, 容量较大的单位能耗较小。 同一容量的炉子功率密度较大的则单 位能耗较小。该图来源于英国的统计资料。 一32 — 维普资讯 http://www.cqvip.com 1 994 年第 1期(总 118 期) 0. . 1 0. 2 0. 5 I 2 3 5 10 20 馅曩 = ‘ tl 图3 日 本铸铁用感应熔炼炉输入功率上限 : \ 一话 埔曩tI) 图4 现代中频炉容量、 输入功率 范圈及熔化率之间关系 Z 哥 _< 擘 从图中看出, 炉容超过lO t 的熔炼炉单位能耗不太显著。 小于lO t 的炉子导致结果分散 的主要原因, 多半是操作者差异所造成。 较大炉容其单位容积的表面积小, 热耗损较少, 相应 地熔化速度较快。用于保温也是同样道理。图6是不同容量的无芯感应炉单位容量的保温 所需功率。 图5 炉子容量与单位能 耗关系的一般趋向 、 - 簪 墨 赠 弹 j —e 图6 无芯感应炉容量与实际保温功率 之间关系 Wilford提供了选择电炉功率密度的经验数据。要使工频炉在熔炼铁水时具有合适的 搅拌作用. 保证添加剂满意地吸收, 并兼顾单位能耗合理. 其功率密度为210kW/ t左右, 对 于熔炼碳当量高、 铁水出炉温度较低的情况下, 功率的选择要特别谨慎。当可以进行熔炼过 程控制和相应手段时除外。 一2 2一 喜 - 咖啪 0 S 2 ● 一 量 一 簪 、 r 萤 耄 曩 莹 维普资讯 http://www.cqvip.com 《 汽车科技》 因此. 电炉容量、 频率、 功率密度对感应炉熔炼过程、 单位能耗具有影响(图7) 。在评估 熔化方案、 选择熔炼炉时按照实际条件, 借鉴已经获得的经验, 仔细地考虑是很重要的。 .一 \ ● I盖 一霉 蔷 妒r 容量.t 馏人能量 : 按l00'‘ il 嚣. 感应f 炉拗IE分布比l, 4 盘 lI F 《 , q / j 变饭 II )l火 热I{; lq- } 感碰盟 炉, t热f々 通 总拗lE 教醚鼍 图7 炉子容量、 功率密度与熔炼单位能耗之间的关系 图8 无芯感应熔炼炉热损耗分布 3 感应熔炼炉的生产率及其选用 3. 1 无芯感应熔炼炉热损失分布 热效率是炉子制造厂家考虑的重点之一。对使用者来说, 了解能耗的分布, 采取相应的 措施尽可能减小损耗很有必要。 国内外感应炉的电效率经过长期实践已有公论。 用于熔炼的工频感应炉一般约为7O% ~75%, 而操作合理的大多数感应熔炼的电效率可以达到8O %"-82%。在输入到感应器的 功率中, 约有2O%左右被水冷系统所吸收。因此, 冷却水带走的热量损失占全部热损失的 6O%"-68%。 除水冷系统外, 较多的热损耗是通过炉衬传导和炉口的热幅射。 各种因素产生 的热损耗参见图8。 大多数熔炼铸铁的感应炉采用高纯度石英砂——硼酸砌筑炉衬耐火层。 厚度为90--- 130r am, 用云母片、 陶瓷纤维或复合绝热材料作隔热、 绝缘衬里, 厚度 3~10m m, 总导热率 12~-14W/ m. K。有资料介绍, 绝热层厚度达到10mm时, 热传导损耗可减少1O %。 热幅射损耗同出炉、 加料、 除渣等操作有直接关系。本文将在后面进一步阐述。 3. 2 感应熔炼炉生产率的计算及利用率对单位能耗的影响 感应炉的生产率是确定熔炼方案, 合理选用熔炼炉的重要概念之一。 通常炉子样本提供的熔化率是连续通电热炉和最佳操作条件(包括合适块度的炉料)下 的参数。实际生产中受炉料、 材质要求, 工艺及生产方式制约而不可能达到。