中頻感應(yīng)電爐選用及配套工程設(shè)計

郭廷濤（中國汽車工業(yè)工程公司，天津 300113）

生產(chǎn)鑄鐵件的鑄造車間中選用沖天爐+電爐雙聯(lián)熔煉還是采用中頻感應(yīng)電爐熔煉鐵液一直在業(yè)內(nèi)不斷爭論，兩者都有各自的優(yōu)勢和缺點，但是一個不爭的事實卻是近年來高效、可靠、作業(yè)靈活的中頻感應(yīng)電爐設(shè)備占據(jù)了絕大部分的國內(nèi)市場。在工程設(shè)計中如何選擇合適的電爐，設(shè)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(fā)生一系列的氧化還原反應(yīng)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(zhì)量在某些方面要比電爐略勝一籌。采用電爐要得到高質(zhì)量穩(wěn)定的鐵液，原材料品質(zhì)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(zhì)不同，選用電爐生產(chǎn)靈活性就會很高。一般情況下生產(chǎn)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(dāng)?shù)氐墓╇姉l件，時常的拉閘限電勢必影響到正常的生產(chǎn)。

2 電爐設(shè)備組成

電爐主要由機(jī)械設(shè)備和電氣設(shè)備兩部分組成，并配套專用油浸式變壓器。機(jī)械設(shè)備包括爐體、傾爐裝置及水冷系統(tǒng)；電氣設(shè)備包括中頻電源、補(bǔ)償電容及控制保護(hù)系統(tǒng)。電爐熔煉靠爐體感應(yīng)線圈產(chǎn)生交變磁場、在金屬爐料內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，使鐵料發(fā)熱熔化，鐵液溫度可達(dá)1550℃，水冷系統(tǒng)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(shè)兩套冷卻系統(tǒng)，分水質(zhì)封閉循環(huán)冷卻，內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)為封閉式，常采用蒸餾水；外循環(huán)系統(tǒng)根據(jù)各地的水質(zhì)不同，一般采用軟化水或自來水。

電源柜有電流饋電并聯(lián)逆變方式和電壓饋電串聯(lián)逆變方式兩種，由于設(shè)計線路不同，所采用的整流、平波、逆變的方式和負(fù)載諧振回路聯(lián)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(shè)備選型[4]

電爐是鑄造車間中主要的耗電設(shè)備，在工程設(shè)計中，電爐選擇的是否合適，會直接關(guān)系到以后的運行成本，影響工廠效益。中頻感應(yīng)電爐從電源和電爐配置關(guān)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(nèi)鐵液熔化后迅速倒空，再重新加料熔化的作業(yè)條件，或作業(yè)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(jī)械開關(guān)來切換，一臺爐體熔煉作業(yè)，另一臺進(jìn)行澆注或維修、筑爐。

隨著鑄造業(yè)向規(guī)?；?、機(jī)械化、自動化、精密化的發(fā)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(diào)整成份出鐵液；雙供電電源連續(xù)地給兩臺爐體輸送電功率，而且在其額定功率的范圍內(nèi)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(xiàn)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(shè)備利用率可近100%；無機(jī)械或電子的切換開關(guān)就可實現(xiàn)向兩臺爐子供電和分配功率，操作簡便，故障率低；當(dāng)一臺爐體作爐襯燒結(jié)時，另一臺爐體可正常進(jìn)行熔化作業(yè)。

在選擇電爐時首先要結(jié)合生產(chǎn)特點確定電爐生產(chǎn)率和電源功率。

電爐生產(chǎn)率的確定要考慮許多工藝因素，如全年生產(chǎn)任務(wù)、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(jī)械化造型線車間，為充分發(fā)揮造型線的生產(chǎn)能力，綜合考慮不同產(chǎn)品的需求，電爐生產(chǎn)率應(yīng)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(dāng)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(nèi)。

電爐功率大小基本依據(jù)生產(chǎn)率確定。根據(jù)鑄造車間每小時生產(chǎn)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(chǎn)需求的電源功率，目前國外生產(chǎn)的中頻感應(yīng)熔煉爐的功率密度一般配置到600kW/t～800 kW/t，國內(nèi)生產(chǎn)的中頻感應(yīng)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(chǎn)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(chǎn)率為4000×0.75/500=6 t/h.

4 電爐車間配套設(shè)計

僅僅選購好的電爐，而忽視科學(xué)的工藝布局和錯誤的加配料方式，將直接導(dǎo)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(xiàn)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(nèi)；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(nèi)，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(qū)，電控室布置在爐前區(qū)，電爐變壓器布置在電爐平臺下或側(cè)面，這樣就避免配料時電磁吸盤穿越電爐平臺工作區(qū)，即使鐵料跌落也不會造成人身、設(shè)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(jié)合工廠的自動化程度、生產(chǎn)場地、生產(chǎn)規(guī)模及投資規(guī)模統(tǒng)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(nèi)，但當(dāng)車間內(nèi)電爐較多、合金加入量大時將設(shè)計采用機(jī)械化自動配料輸送系統(tǒng)，不但可以減少人力，而且配料精度高。該系統(tǒng)主要由料斗、振動給料機(jī)、稱量斗、輸送系統(tǒng)組成。配好的輔料自動加入底開式料桶，由輸送系統(tǒng)送入電爐加料車內(nèi)。

4.3 除塵系統(tǒng)設(shè)計

電爐熔煉過程中產(chǎn)生的煙氣能否有效的收集嚴(yán)重影響著車間的工作環(huán)境，因此要結(jié)合各個項目的特點，設(shè)計合適除塵系統(tǒng)。電爐煙氣捕集裝置主要有環(huán)形吸塵罩、前后傾翻吸塵罩。環(huán)形吸塵罩置于爐口四周，結(jié)構(gòu)簡單、占據(jù)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(huán)形吸塵罩

圖2 前后傾翻吸塵罩

4.4 安全防護(hù)方面設(shè)計[5]

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

高位水箱高度不應(yīng)低于20 m，容量不小于向電爐連續(xù)供水2 h，當(dāng)停電時，柴油發(fā)電機(jī)組一旦不能正常投入使用，水箱里的水就可以靠重力進(jìn)入爐體冷卻系統(tǒng)對爐體降溫。為安全起見，高位水箱應(yīng)是電爐專用的，不得和其他設(shè)施共用。

柴油發(fā)電機(jī)組的作用是在突然停電時，為電爐水冷系統(tǒng)提供動力，使?fàn)t體能夠得到冷卻；為電爐液壓系統(tǒng)供電，使鐵液可以從爐體內(nèi)倒出。在工程設(shè)計中柴油發(fā)電機(jī)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(jī)、澆注機(jī)等。

5 結(jié) 語

作為鑄造車間重要的熔化設(shè)備，選擇電爐時應(yīng)結(jié)合鑄造車間本身的投資規(guī)模、工藝水平、管理水平等對電爐的安全性、經(jīng)濟(jì)性、先進(jìn)性、環(huán)保的適應(yīng)性做全面的評估，選擇適合自己的熔煉設(shè)備。主要從工廠設(shè)計的角度對電爐生產(chǎn)能力的選擇、配套設(shè)施的設(shè)計及電爐安全方面做了簡要論述，為優(yōu)化電爐及配套設(shè)備的選用和完善熔煉系統(tǒng)的成套布置提供參考。

［1］鑄造車間和工廠設(shè)計手冊編委會.鑄造車間和工廠設(shè)計手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.

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

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

［4］鑄造設(shè)備選用手冊編委會.鑄造設(shè)備選用手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.

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