中频感应炉节能研究

中频感应炉节能研究

贾晓英

陕西龙门钢铁有限责任公司  陕西省韩城市  715405

摘要：目前中频感应炉广泛应用于工业领域，因此进一步加强对其研究十分必要。特别是节能领域的应用，对提高资源利用效率具有重要意义。本文从中频感应炉的概念出发，重点分析了中频感应炉的节能原理。

关键词：中频感应炉；节能原理分析

1.中频感应炉的概念

中频为工频50Hz的交流电流，中频（300 Hz以上至20KHZ）换成的电源装置，将三相工频交流电流整流后换成直流电流，将直流电流换成可调节的中频电流，供给电容和感应线圈中流动的中频交流电流，在感应线圈中产生高密度的磁力线，切割感应线圈中的金属材料。对金属材料产生大涡流的反应炉。

中频感应炉中的涡流具有中频电流的一些性质。也就是说，如果金属本身的自由电子在有电阻的金属体内流动，就会产生热量。例如，将金属圆柱体放入有交叉中频电流的感应线圈中，金属圆柱体不会直接接触感应线圈，通电线圈本身的温度已经很低，但圆柱体表面会发红甚至融化。而且这种发红和融化的速度只需要调节频率大小和电流强弱就可以实现。如果圆柱体位于线圈中心，圆柱体周围温度相同，加热和熔化圆柱体也不会产生有害气体、强光污染环境。

中频感应炉广泛用于有色金属的精炼（主要用于精炼钢、合金钢、特殊钢、铸铁等黑色金属材料和不锈钢、锌等有色金属材料的精炼，用于铜、铝等有色金属的精炼和升温、保温、高炉和双运）；锻造加热（如齿轮、半轴连杆、轴承等精锻）、挤压、热轧、切割前的加热、涂料加热、热装及金属材料整体的调质、退火、回火等。

2、中频感应炉节能原理分析

（1）逆变主电路比较分析

在中频感应炉中，根据补偿逆变电路感应圈负载和容量的连接方式，可分为串联逆变和并联逆变两种中频感应电源。我国并联谐振中频感应炉占工业精炼设备的很大比例，但根据已投入使用的串联谐振感应炉的运行情况，串联感应炉系统具有节能优势。并联逆变电源、工频电压经过整流得到的直流电压，经电抗器Z、滤波后进入单相桥式并联逆变器。其作用有三：就是让直流电流连续，纹波小。限制中频电流进入工频电网，起到隔离中频交流的作用。逆变失败时限制故障电流，电抗器近似视为恒流源。

串联逆变电源、工频电压经过整流获得的直流电流、电容Cj滤波器后，进入单相半桥式串联逆变器。容量Cy除了滤波器外，还为中频电流提供旁路。因此C的容量必须足够大，可以近似认为逆变器的直流电源是恒压源。具体分析如下：

1.根据共振方式进行节能分析

并联谐振时，电源输入的电流很小，但电感和电容的电流很大。均为电源输入电流的Q倍，电压均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，都是逆变输出电压的Q倍，流过电感和电容的电流等于逆变器的输出电流。

由于在串联谐振电源中采用脉宽调制方法，在中频感应炉逆变电压允许的范围内，串联谐振的感应圈电压相对较高。因此，根据谐振感应炉的谐振方式，在功率相同的条件下，串联谐振式中频感应炉的感应圈电流损耗较小。

2、根据负载功率因数的不同节能

晶体管中频电源功率因数的调整由低频调整为高频，逐渐接近谐振频率。其中，并联谐振式中频感应炉逆变电路的工作频率高于负载的谐振频率，因此脉冲触发应在负载电压为0之前进行。逆变触发角越大，晶体管承受的反压越大，晶体管可以进行可靠的屏蔽，有利于环流。但逆变触发角不能无限超前。

理想情况下，串联逆变电路负载的谐振频率与逆变电路的工作频率相似。通过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，电压波形重叠，引起电压幅度的增加。

从逆变电路主槽功率来看，电压升高，主槽电流下降，逆变电路损耗降低。另外，随着触发时间的缩短，工作频率越接近谢振频率，每组的“W”波形都工作在逆变角为0状态。

3.能耗对比试验结果

以某公司铸造现场实验为对象，对两种中频感应炉的能耗进行并联对比试验。两种中频感应炉的容量都是一吨。通过实验数据可以看出，在实际运行过程中，熔炼1吨金属（铸铁废料）的电耗，串联谐振式中频感应炉更节能。在中频感应谐振感应炉的节能分析过程中，对两种谐振感应炉的节能方式进行了比较，并根据谐振方式、负载电路的功率因数对节能进行了分析。最后分析了两种中频电源能耗表，得出在实际工作过程中串联谐振感应炉更节能。

4.炉衬对节能的影响

在中频感应炉系统中，通过炉衬的热损失，每吨需要铁水30-60，占输入功率的5%~10%。为了降低这部分的能量损失，文中对炉衬的烧结工艺、炉衬材料、炉衬形状、炉衬厚度和炉料清理进行了初步的分析和研究，取得了初步的效果。炉衬节能的基本原理是：

首先，选择优质炉衬。结有薄炉衬的高炉一般采用感应圈粘结剂提高安全性，采用优质干式炉衬捣固材料，一般选用硅砂和硼酸混合材料。

其次是内衬厚度：普通内衬厚度减少30%，电磁感应效率提高，节能可达3%-5%。另外，由于铁水的冲击和腐蚀，为了延长衬里的寿命，衬里不能太薄。因此，对炉衬厚度与熔池容量的关系曲线进行了分析，结果表明，当炉衬容量小于2t时，容量越大，炉衬越厚。当炉子超过2t时，随着炉子容量的增加，炉衬厚度增加越慢。第三，炉料形状：炉料块过大或过小会影响感应炉的电效率和熔化质量。炉料块度越大，熔化速度越慢，金属液均匀程度越不稳定。通过分析，得出了炉料吸收功率与炉料破碎度的关系曲线。炉料块太大，破碎时间很长，炉料吸收功率较小。随着值的增加，功率也随之增加。当时吸收的功率达到了峰值。此时，功率吸收面积和电效率只有达到最佳值，才能充分利用电效率。

最后是炉料的整理：铁水熔化时，炉料中夹杂的氧化物和铸造用废砂等混合在一起，其单位电耗量将增加10。因此，在将炉料投入高炉之前，尽量确保炉料不掺入铸造用废砂、金属氧化物等杂质。

（2）精炼工艺对节能的影响

使用中频感应炉熔炼时，操作方法不当会增加额外的能量损失。因此，从精炼过程中的热力学反应、中频透热能耗、实际熔化铁水消耗三个方面进行分析，以降低能量损失，提高能源利用效率。精炼作业的节能原理如下：

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、实际熔化铁水消耗

中频感应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。

三、结语

中频感应炉逐渐被我国广泛应用，研究其在节能方面的应用，对提高资源利用效率有重要意义。

参考文献:

[1]陈健美,鄂加强,谢常清.中频感应炉节能研究[J].节能技术,2003(02):44-45.

[2]谢常清.中频感应炉节能研究[J].冶金设备,2002(06):59-61.