中頻感應電爐選用及配套工程設計

郭廷濤（中國汽車工業工程公司，天津 300113）

生產鑄鐵件的鑄造車間中選用沖天爐+電爐雙聯熔煉還是采用中頻感應電爐熔煉鐵液一直在業內不斷爭論，兩者都有各自的優勢和缺點，但是一個不爭的事實卻是近年來高效、可靠、作業靈活的中頻感應電爐設備占據了絕大部分的國內市場。在工程設計中如何選擇合適的電爐，設計中又有哪些需要注意的問題，本文將予以探討。

1 選用沖天爐還是電爐[1-3]

沖天爐熔煉鐵液時發生一系列的氧化還原反應對鐵液有一定冶金過程，而電爐熔煉鐵液僅為熔化重熔過程，這就決定了沖天爐的鐵液質量在某些方面要比電爐略勝一籌。采用電爐要得到高質量穩定的鐵液，原材料品質就要好，但是在同樣條件下電爐的一次性投資卻只有沖天爐的1/2～1/3.

如果鑄件的品種較多、材質不同，選用電爐生產靈活性就會很高。一般情況下生產率10 t/h以下時常選用電爐，15 t/h以上時可以考慮沖天爐。

電爐是耗電大戶，每噸鐵液用電量約為600kW·h，所以選擇電爐時一定要考慮當地的供電條件，時常的拉閘限電勢必影響到正常的生產。

2 電爐設備組成

電爐主要由機械設備和電氣設備兩部分組成，并配套專用油浸式變壓器。機械設備包括爐體、傾爐裝置及水冷系統；電氣設備包括中頻電源、補償電容及控制保護系統。電爐熔煉靠爐體感應線圈產生交變磁場、在金屬爐料內產生感應電流，使鐵料發熱熔化，鐵液溫度可達1550℃，水冷系統是電爐可靠運行的生命保障，起到對爐體和電源柜的冷卻降溫作用，爐體和電源設兩套冷卻系統，分水質封閉循環冷卻，內循環系統為封閉式，常采用蒸餾水；外循環系統根據各地的水質不同，一般采用軟化水或自來水。

電源柜有電流饋電并聯逆變方式和電壓饋電串聯逆變方式兩種，由于設計線路不同，所采用的整流、平波、逆變的方式和負載諧振回路聯接方式不同，兩種方式的主要性能對比如表1所示。

表1 兩種電源主要性能對比表

3 電爐設備選型[4]

電爐是鑄造車間中主要的耗電設備，在工程設計中，電爐選擇的是否合適，會直接關系到以后的運行成本，影響工廠效益。中頻感應電爐從電源和電爐配置關系上可以分為“一拖一”、“一拖二”等。

“一拖一”即單臺電源配單臺爐體，主要適合電爐內鐵液熔化后迅速倒空，再重新加料熔化的作業條件，或作業不頻繁的場合，對小容量及較低功率的電爐比較適合；也可以是一套電源配置兩臺爐體通過機械開關來切換，一臺爐體熔煉作業，另一臺進行澆注或維修、筑爐。

隨著鑄造業向規?；?、機械化、自動化、精密化的發展，目前常采用“一拖二”的電爐熔煉方案，即一臺電源向兩臺爐體供電，采用雙爐體、雙供電電源。雙爐體使得一個爐體熔煉的同時另一個爐體保溫調整成份出鐵液；雙供電電源連續地給兩臺爐體輸送電功率，而且在其額定功率的范圍內能以任意比例分配輸送給兩臺爐體所需功率。一臺雙供電變頻電源可實現兩臺單供電變頻電源的效果，但僅需一臺變壓器，一條高壓供電線路；變頻電源的設備利用率可近100%；無機械或電子的切換開關就可實現向兩臺爐子供電和分配功率，操作簡便，故障率低；當一臺爐體作爐襯燒結時，另一臺爐體可正常進行熔化作業。

在選擇電爐時首先要結合生產特點確定電爐生產率和電源功率。

電爐生產率的確定要考慮許多工藝因素，如全年生產任務、不同鑄件的鐵液需求量、多條造型線時鐵液的平衡等等。在機械化造型線車間，為充分發揮造型線的生產能力，綜合考慮不同產品的需求，電爐生產率應能滿足造型線鐵液需求量。由于中頻電爐的功率密度配置較大，當其配置功率密度大于600 kW/t時，其熔化能力基本上可以做到每爐次的熔化時間在1 h以內。

電爐功率大小基本依據生產率確定。根據鑄造車間每小時生產需要的鐵液量，每噸鐵液的耗能量，同時考慮加配料、扒渣、取樣化驗等輔助時間，來計算滿足生產需求的電源功率，目前國外生產的中頻感應熔煉爐的功率密度一般配置到600kW/t～800 kW/t，國內生產的中頻感應熔煉爐的功率密度一般配置到700 kW/t左右。

這里以配備4000 kW電源的電爐為例，來估算小時能夠提供的鐵液量，假如選擇某生產廠家的電爐每噸鐵液的耗能量為500 kW·h/t，由于加配料、扒渣、取樣化驗等的影響，減少了電源功率的輸入時間，電爐本身的熱損失等，電爐總效率0.72～0.75，取0.75則該電爐的生產率為4000×0.75/500=6 t/h.

4 電爐車間配套設計

僅僅選購好的電爐，而忽視科學的工藝布局和錯誤的加配料方式，將直接導致今后使用中耗時、耗能、效率低下和不安全等。

4.1 加料方式

電爐的加料方式主要有：加料車加料、底開式料桶加料和電磁盤直接加料。加料車加料為電磁盤配好爐料裝入加料車中，加料車移動到電爐爐口處振動給料，可以實現均勻加料、即時加料、自動運行；底開式料桶加料是將配好的爐料放入料桶后，吊車吊起料桶置于爐口上，吊鉤下降，料桶底部的扇形門打開，爐料落入電爐內；電磁盤直接加料，利用電磁盤配好料后，直接將爐料放入電爐內，操作簡單，但效率低。

若選用加料車加料、電磁吸盤配料的方式，爐料日耗庫易布置在爐后區，電控室布置在爐前區，電爐變壓器布置在電爐平臺下或側面，這樣就避免配料時電磁吸盤穿越電爐平臺工作區，即使鐵料跌落也不會造成人身、設備安全事故，且吊車配料運行距離最短。

選擇何種加料方式主要結合工廠的自動化程度、生產場地、生產規模及投資規模統一考慮。加料車加料自動化水平最高，但投資大、占地面積多，而底開式料桶加料和電磁盤直接加料則相對較低，電磁盤直接加料工作效率最低。

4.2 合金輔料

合金輔料的加入，一般采用手工臺秤或地磅稱量后人工直接加入電爐內，但當車間內電爐較多、合金加入量大時將設計采用機械化自動配料輸送系統，不但可以減少人力，而且配料精度高。該系統主要由料斗、振動給料機、稱量斗、輸送系統組成。配好的輔料自動加入底開式料桶，由輸送系統送入電爐加料車內。

4.3 除塵系統設計

電爐熔煉過程中產生的煙氣能否有效的收集嚴重影響著車間的工作環境，因此要結合各個項目的特點，設計合適除塵系統。電爐煙氣捕集裝置主要有環形吸塵罩、前后傾翻吸塵罩。環形吸塵罩置于爐口四周，結構簡單、占據空間小、投資小，但是煙氣收集效果差，爐口頂部無法收集煙氣，主要適用于油污少、比較干凈的爐料，對電爐加料方式適用性比較廣，如圖1；前后傾翻吸塵罩置于爐口頂部，可以隨電爐前后傾翻、配合加料車控制傾翻角度，無論是加料、出鐵還是熔煉，其除塵效率高，但是采用料斗加料和電磁盤直接加料時不能使用此除塵罩，只適用于采用加料車加料的方式。如圖2.

圖1 環形吸塵罩

圖2 前后傾翻吸塵罩

4.4 安全防護方面設計[5]

除了配置上述的加料系統、除塵系統外，為了保證電爐能夠可靠安全的運行，僅僅依靠設備自身的安全防護是遠遠不夠的。防止停水、停電時爐體內的鐵液來不及處理，爐體不能有效冷卻造成人身、設備安全事故，在車間設計時需要考慮多道安全措施，如設計高位水箱、配套柴油發電機組等。

高位水箱高度不應低于20 m，容量不小于向電爐連續供水2 h，當停電時，柴油發電機組一旦不能正常投入使用，水箱里的水就可以靠重力進入爐體冷卻系統對爐體降溫。為安全起見，高位水箱應是電爐專用的，不得和其他設施共用。

柴油發電機組的作用是在突然停電時，為電爐水冷系統提供動力，使爐體能夠得到冷卻；為電爐液壓系統供電，使鐵液可以從爐體內倒出。在工程設計中柴油發電機組除考慮電爐使用外，還要同時考慮余量用于吊運鐵液的起重機、澆注機等。

5 結 語

作為鑄造車間重要的熔化設備，選擇電爐時應結合鑄造車間本身的投資規模、工藝水平、管理水平等對電爐的安全性、經濟性、先進性、環保的適應性做全面的評估，選擇適合自己的熔煉設備。主要從工廠設計的角度對電爐生產能力的選擇、配套設施的設計及電爐安全方面做了簡要論述，為優化電爐及配套設備的選用和完善熔煉系統的成套布置提供參考。

［1］鑄造車間和工廠設計手冊編委會.鑄造車間和工廠設計手冊［M］.北京：機械工業出版社.

［2］吳殿杰.我國沖天爐和中頻感應爐熔煉現狀［J］.鑄造設備與工藝，2012（6）：4-6.

［3］宋強，王錄才，張明.沖天爐與感應電爐熔煉的對比分析［J］.鑄造設備與工藝，2011（5）:1-4.

［4］鑄造設備選用手冊編委會.鑄造設備選用手冊［M］.北京：機械工業出版社.

［5］劉小龍，王亞峰.對電爐應急安全保障措施設置的探討［J］.中國鑄造裝備與技術，2009（4）：34-36.