李韻豪

編者按：本刊從2020年第1期開始連續(xù)12期連載李韻豪撰寫的《鑄造工業(yè)的感應(yīng)加熱》系列講座，主要涉及目前鑄造工業(yè)應(yīng)用最多的中頻無心感應(yīng)電爐，介紹各類鑄鐵、鋼，以及有色金屬中鋁、銅及其合金感應(yīng)熔煉爐和保溫爐的選型，電爐的設(shè)計(jì)以及感應(yīng)器參數(shù)的計(jì)算；金屬坩堝、石墨坩堝的設(shè)計(jì)以及感應(yīng)器參數(shù)的計(jì)算；專題討論感應(yīng)電爐的供電系統(tǒng)及變頻電源主電路的計(jì)算、諧波治理和功率因數(shù)提高問題；各類無心感應(yīng)電爐的耐火材料、筑爐工藝、感應(yīng)電爐循環(huán)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；感應(yīng)電爐的環(huán)境因素、電氣電磁安全防護(hù)、環(huán)境保護(hù)問題等，內(nèi)容濃縮了作者幾十年的寶貴從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)鑄造工廠感應(yīng)電爐熔煉設(shè)備的規(guī)劃、選型、操作、維修和管理，提供非常實(shí)用的參考與借鑒，敬請關(guān)注。

3 磁軛、短路環(huán)、消磁環(huán)、水冷圈的設(shè)計(jì)

3.1 磁軛的設(shè)計(jì)

（1）磁軛的作用

1）磁軛有機(jī)械和電氣的雙重功能：①感應(yīng)器線圈徑向由磁軛固定、支撐，使其剛度大為提高，在傾料和承受由爐襯熱膨脹引起的壓力時(shí)也不會(huì)變形。②磁屏蔽。

2）感應(yīng)器線圈外側(cè)的磁通較集中地沿著磁阻最小的磁軛通過，減少了磁通散射，降低了電爐鋼結(jié)構(gòu)件因磁通散射而引起的發(fā)熱，感應(yīng)器的電效率也得到提高。

3）磁軛可以降低電磁振動(dòng)的振幅，提高爐襯壽命，并減少因電磁振動(dòng)引起的噪聲。

4）德國ABP感應(yīng)系統(tǒng)公司資料認(rèn)為：根據(jù)計(jì)算，沒有磁軛的坩堝式感應(yīng)電爐產(chǎn)生的漏磁量是有磁軛的坩堝式感應(yīng)爐的6倍或者更高，電磁泄漏區(qū)域內(nèi)的磁場對(duì)人體器官可能造成傷害。瑙菲特·G的“在感應(yīng)設(shè)備環(huán)境中的磁場”一文指出，由于磁軛的作用，即使是大功率感應(yīng)熔煉電爐的漏磁也不會(huì)對(duì)人體器官造成傷害。

（2）磁軛的材料 磁軛對(duì)硅鋼片的要求如下：

1）鐵損低，這是硅鋼片質(zhì)量最重要的指標(biāo)，要求較強(qiáng)磁場下磁感應(yīng)強(qiáng)度高、基本沒有磁時(shí)效。

2）表面光滑、平整、厚度均勻。磁軛的疊裝系數(shù)高，沖片性好。表面絕緣膜的附著性、焊接性好。

硅鋼片是一種含碳極低的硅鐵軟磁合金。用于磁軛的材料是硅含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）2.8%～4.8%的高硅片。按生產(chǎn)加工工藝分為熱軋片和冷軋片。冷軋片的磁性、尺寸精度、表面質(zhì)量、疊片系數(shù)和沖片性遠(yuǎn)比熱軋片好，熱軋片是不均勻氧化膜絕緣，而冷軋片表面有絕緣層，其絕緣電阻要大得多，可以減少渦流損失，降低鐵損。冷軋硅鋼片分為晶粒無取向和晶粒取向兩種。與晶粒無取向相比，晶粒取向硅鋼片的磁性具有強(qiáng)烈的方向性，在易磁化的軋制方向上具有優(yōu)越的高磁導(dǎo)率與低損耗性能一一 冷軋硅鋼片替代熱軋硅鋼片是國家即定的產(chǎn)業(yè)政策。1997年國家經(jīng)貿(mào)委、機(jī)械工業(yè)部等幾個(gè)部門聯(lián)合發(fā)文把疊軋薄板作為生產(chǎn)方式落后、所制造的產(chǎn)品低劣的落后設(shè)備加以淘汰。2000年國家經(jīng)貿(mào)委下達(dá)16號(hào)文件要求停止熱軋硅鋼片的生產(chǎn)，2002年6月又就限期淘汰熱軋硅鋼片發(fā)表第34號(hào)公告，規(guī)定具體時(shí)間停止生產(chǎn)熱軋硅鋼片，不再使用熱軋硅鋼片作為原材料，不再銷售和采購含有熱軋硅鋼片的電器產(chǎn)品。。

感應(yīng)熔煉電爐磁軛采用普通級(jí)冷軋晶粒取向硅鋼片，可在表5中選取。

硅鋼片的牌號(hào)由3部分組成：第1部分?jǐn)?shù)字，表示材料以毫米為單位時(shí)公稱厚度的100倍；第2部分字母Q表示取向的“取”字的漢語拼音首字母。如30Q120表示公稱厚度0.30mm，最大比總損耗P1.7-50（單位為W/kg，頻率為50Hz，波形為正弦的磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值為1.7T單位重量鐵損值）為1.2W/kg的普通級(jí)冷軋晶粒取向硅鋼片。適用中頻感應(yīng)熔煉電爐磁軛用的冷軋晶粒取向硅鋼片，國外同類的產(chǎn)品型號(hào)：美國M-5、M-6；英國30M5、30M6；日本20Z140（Z10）、35Z155（Z11）。

（3）磁軛截面設(shè)計(jì) 以3600kW、300Hz、6t鑄鐵感應(yīng)熔煉電爐的磁軛設(shè)計(jì)為例，已知變頻電源輸出的中頻電壓1060V、感應(yīng)器線圈匝數(shù)12匝。

1）通過感應(yīng)器外側(cè)的磁通Φm：由法拉第電磁感應(yīng)定律為

就有

式中 Φm——通過感應(yīng)器外側(cè)的磁通（Wb）；

Ua'——感應(yīng)器兩端電壓（V）。對(duì)于電容升壓電路，Ua'＝2Ua，Ua為變頻電源輸出的中頻電壓；

f ——頻率（Hz）；

ω'——感應(yīng)器匝數(shù)。

本例，Ua＝1060V，Ua'＝2Ua＝2×1060V，f＝300Hz，ω'＝12匝，則

2）磁軛中通過的磁通Φ：

式中 Φ——磁軛中通過的磁通（Wb）；

k1——漏磁系數(shù)，該值反映感應(yīng)器外側(cè)磁通通過磁軛部分的分量，k1＝0.8～0.9。本例，取k1＝0.9，則

Φ＝k1Φm＝0.9×0.133＝0.120（Wb）

3）磁軛總截面 Sc：

式中 Sc——磁軛總截面（m2）

Kc——磁軛疊片系數(shù)，冷軋晶粒取向硅鋼片的疊片表面經(jīng)磷化處理的剪切層，只需剪切斷面涂絕緣漆即可。這種硅鋼片的疊裝系數(shù)很高，可達(dá)Kc＝0.955～0.980； 本例取Kc＝0.980。

B——磁通密度（T），B為磁軛內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值，采用GB/T 2521.1—2016

冷軋晶粒取向普通級(jí)硅鋼片，300Hz

時(shí)，B＝0.5～0.6T。本例，取B＝0.6T。

為有利于導(dǎo)引磁力線，提高導(dǎo)磁效率，磁軛覆蓋率設(shè)計(jì)為60%～65%。計(jì)算出感應(yīng)器線圈外圍周長EL，按周長EL的60%～65%，得出磁軛的總疊片厚度。根據(jù)總厚度，可確定磁軛的條數(shù)。再按計(jì)算出來的磁軛總截面積，除以磁軛條數(shù)，得到單條磁軛的截面積，在單條磁軛的疊片厚度確定后，磁軛的片寬也就定下來了。

4）單條磁軛的截面積AF1：

式中 AF1——單條磁軛的截面積（m2）； mF——磁軛的條數(shù)（條）。

根據(jù)爐容、緊固在感應(yīng)器線圈外側(cè)硬木夾柱的分布、磁軛片寬及疊片的厚度、線圈引出線具有的空間，來合理確定磁軛的條數(shù)。磁軛沿感應(yīng)器線圈外圍應(yīng)均勻分布，引出線兩側(cè)磁軛距離過近，會(huì)使磁力線分布不均勻，造成爐料尤其是導(dǎo)電坩堝（如鐵坩堝、石墨坩堝）的坩堝壁局部過熱。另外，還應(yīng)考慮均布的單條磁軛分配的角度為整數(shù)，這樣會(huì)給制圖、加工爐殼和機(jī)械裝配帶來方便。

本例，磁軛條數(shù)取mF＝8條，則

5）確定單條磁軛的疊片厚度Ea和片寬Eb：

計(jì)算感應(yīng)器線圈外側(cè)圓周長EL為

式中 EL——感應(yīng)器線圈外側(cè)圓周長（m）；

D1——感應(yīng)器線圈內(nèi)徑（m）；

a——線圈銅管高度（m）；

δj——線圈銅管與磁軛間隙（m）。

本例，D1＝1.165m，a＝0.046m，δj＝0.024m，則

求疊片總厚度Ec：

式中 Ec——磁軛疊片總厚度（m）；

Ff——磁軛覆蓋率。

本例，F(xiàn)f＝0.625，則

單條磁軛疊片厚度Ea：

單條磁軛疊片寬度Eb：

即單條磁軛截面尺寸：0.320m×0.08m。

如同一般感應(yīng)器線圈銅管必須通水冷卻一樣，磁軛也需要通水冷卻。

以上磁軛的條數(shù)以及截面設(shè)計(jì)就是在水冷條件下得出的。在中頻條件下完全依靠加大磁軛截面會(huì)造成硅鋼片過度消耗，爐體自重增加，電爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也不允許。只有小容量低功率密度爐子的磁軛可以不通水冷卻，但磁通密度值必須降低。通水冷卻和不通水冷卻磁軛的外表面任意點(diǎn)溫升極限值與爐子爐架鋼外殼一樣，不應(yīng)超過75K。磁軛溫度的測量使用準(zhǔn)確度不低于2.5級(jí)的表面溫度計(jì)。通水冷卻的磁軛表面溫升以進(jìn)水溫度為基準(zhǔn)計(jì)算，非水冷的以環(huán)境溫度為基準(zhǔn)計(jì)算。

出線端兩側(cè)磁軛的疊片厚度有時(shí)比其他位置設(shè)計(jì)的稍寬一些，這對(duì)減少磁軛的發(fā)熱有好處。由于出線端兩側(cè)磁軛距離大電流母線較近，也會(huì)引起磁軛的表面感應(yīng)發(fā)熱。加強(qiáng)這兩條磁軛的水冷也是很有必要的。

（4）磁軛高度的確定 早期文獻(xiàn)描述金屬熔煉過程中熔液的磁場分布是通過理論推演近似表達(dá)的。近年來，借助計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算可以準(zhǔn)確地得到熔煉過程中熔液的電磁場分布、磁力線路徑及爐料熔液渦旋方向，據(jù)此確定爐料熔液與感應(yīng)器線圈、磁軛的相對(duì)位置，確定感應(yīng)器線圈的高度及磁軛的高度，可以通過磁軛最大限度地收集感應(yīng)器線圈兩端的散射磁場。電磁能量分布與金屬液渦旋方向如圖4所示[13-15]。

磁軛高度的確定與電爐整體性能優(yōu)劣關(guān)系很大。磁軛高度Lce一般取感應(yīng)器線圈高度H1的1.35～1.45倍，即

本例，磁軛高度Lce取感應(yīng)器線圈高度H1的1.4倍，H1＝1.6m，則

圖4 電磁能量分布與爐料熔液渦旋方向

磁軛高度確定后，磁軛與感應(yīng)器有效線圈及熔池之間相對(duì)位置就確定了，水冷圈的匝數(shù)及占用高度也就定了；短路環(huán)的位置預(yù)留后，熔池底部到爐底鋼板之間的高度也就定了。

熔池底部到爐底鋼板高度為

式中 Lm——熔池底部到爐底鋼板高度（m）；

Lce——磁軛高度（m）；

Fx——磁軛頂部到熔池液面高度（m），一般取Fx＝（0.1～0.15）Lce；

H2——液態(tài)爐料高度 （m）。

本例，取Fx＝0.125Lce，則

即熔池底部到爐底鋼板之間的高度設(shè)計(jì)為0.64m。

GB 50056—1993《電熱設(shè)備電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，母線電流大于1500A時(shí)，在附近0.3m范圍內(nèi)不應(yīng)有鋼鐵構(gòu)件。爐子的鋼外殼、爐底鋼板、爐臺(tái)鋼板與感應(yīng)器保持適用距離，對(duì)減少線圈周圍鋼鐵構(gòu)件的發(fā)熱至關(guān)重要。

（5）磁軛總重量

1）單條磁軛重量：

式中 ge——單條磁軛重量（kg）；

ρce——冷軋晶粒取向硅鋼片用于計(jì)算磁性能、疊裝系數(shù)的約定密度，ρce＝7650kg/m3；

Ea——單條磁軛疊片厚度（m）；

Eb——單條磁軛疊片寬度（m）。

將已知各參數(shù)值代入式（41），得

2）磁軛硅鋼片總重量：

式中 gcz——爐子磁軛硅鋼片總重量（kg）；

mf——爐子磁軛條數(shù)（條）。

本例，mf＝8條，則

（6）磁軛功率損耗及單位表面積散熱量校驗(yàn)

1）單條磁軛的冷卻表面積S：

2）自然冷卻的單條磁軛允許發(fā)熱條件：

式中 Pco——單位磁軛損耗（W/kg）。

同一種規(guī)格的硅鋼片，不同的磁通密度，工作在不同的頻率下，會(huì)有不同的單位損耗。

計(jì)算出的結(jié)果如不能滿足式（44）、或選用較小的磁通密度值計(jì)算（也就是增大磁軛冷卻表面積）時(shí)，應(yīng)采用或改善水冷方式。

3）磁軛總損耗功率Pc：

3.2 水冷圈、短路環(huán)、消磁環(huán)的設(shè)計(jì)

水冷圈、短路環(huán)、消磁環(huán)與感應(yīng)器線圈及磁軛、爐殼之間相對(duì)位置如圖5所示。

圖5 感應(yīng)器線圈、磁軛、水冷圈、短路環(huán)、消磁環(huán)相對(duì)位置

（1）水冷圈的設(shè)計(jì) 水冷圈又稱冷卻環(huán)。由于磁軛的高度高于感應(yīng)器有效線圈，有效線圈的上下部位就用水冷圈來填補(bǔ)。上下水冷圈只通水、不通電，電氣處于開路狀態(tài)。上下水冷圈的內(nèi)徑取感應(yīng)器線圈內(nèi)徑D1。由于所處位置不同，上下水冷圈的作用也稍有區(qū)別：上水冷圈與感應(yīng)器有效線圈一起將打結(jié)的爐襯耐火材料網(wǎng)攔，給爐襯提供機(jī)械支撐，可以減少爐襯徑向溫度梯度，溫度分布均勻，降低該部位爐料的熱膨脹，使感應(yīng)器有效線圈上部沒有線圈部位的爐襯得以冷卻，防止可能出現(xiàn)的橫向裂紋。下水冷圈已到達(dá)爐底，其主要作用也是網(wǎng)攔爐底部位的耐火材料。與上水冷圈一樣，下水冷圈也為磁軛阻隔了耐火材料傳過來的較高溫度。下水冷圈不是為降低爐底鋼板溫度而設(shè)置的，按照GB/T 10067.31—2013規(guī)定，爐底鋼板表面溫升200K，這個(gè)極限溫度是爐底耐火材料厚度保證的。

（2）短路環(huán)、消磁環(huán)的設(shè)計(jì) 短路環(huán)主要作用是壓縮磁場和磁屏蔽。短路環(huán)的內(nèi)徑與感應(yīng)器線圈內(nèi)徑D1及上下水冷圈的內(nèi)徑相同。感應(yīng)器的主磁通Φ1通過上下短路環(huán)時(shí)感應(yīng)的電流形成磁勢產(chǎn)生磁通Φ2，短路環(huán)磁通Φ2與感應(yīng)器主磁通Φ1相差180°，實(shí)際通過短路環(huán)的磁通ΦLC為漏磁通，ΦLC＝Φ1-Φ2。設(shè)置短路環(huán)大大減少了漏磁通對(duì)爐底鋼板與爐口平齊的鋼板產(chǎn)生的渦流發(fā)熱損耗，提高了電效率[14-15]。

符合規(guī)范設(shè)計(jì)的磁軛高度可以保證水冷圈有足夠的高度，此時(shí)上下短路環(huán)可與水冷圈相鄰。不合規(guī)范的過短的磁軛設(shè)計(jì)，使水冷圈與感應(yīng)器有效線圈距離太近，這時(shí)水冷圈與感應(yīng)器線圈則必須拉開一定距離，因此只好把上水冷圈埋在“爐領(lǐng)”，而下水冷圈埋在爐底，否則短路環(huán)的漏磁通加大，造成短路環(huán)感應(yīng)電流很大，同時(shí)也增大“爐領(lǐng)”、爐底鋼板的渦流發(fā)熱。

短路環(huán)雖然減少了漏磁通，但漏磁通依然殘留，它沿著電爐鋼殼內(nèi)側(cè)流動(dòng)并使鋼殼發(fā)熱。為此不少電爐生產(chǎn)廠家在鋼殼上部內(nèi)側(cè)再放置一短路環(huán)，稱之為消磁環(huán)。消磁環(huán)的作用主要是為進(jìn)一步減少漏磁，并使電爐鋼殼的渦流發(fā)熱降至最低。消磁環(huán)上側(cè)與磁軛上側(cè)處于同一平面，以滿足爐襯上部鋪耐火磚的需要。

為了減小損耗，感應(yīng)熔煉電爐的短路環(huán)、消磁環(huán)應(yīng)該由磁導(dǎo)率低而電導(dǎo)率高的材料制成，純銅材料的磁導(dǎo)率與真空磁導(dǎo)率接近，相對(duì)磁導(dǎo)率低至μr＝0.999 991 2，導(dǎo)電性良好，僅次于銀，是制作短路環(huán)、消磁環(huán)的首選材料。奧氏體不銹鋼為弱磁性材料，只有在真空狀態(tài)下才有可能完全無磁，而且奧氏體不銹鋼鋼管在冷加工過程中也會(huì)產(chǎn)生磁性，相對(duì)磁導(dǎo)率也較低，作為導(dǎo)體也可以導(dǎo)電，與銅材比較，奧氏體不銹鋼材料價(jià)格也較低，因此奧氏體不銹鋼也被一些廠家充當(dāng)電磁屏蔽材料。

根據(jù)水冷圈的作用，水冷圈最好采用奧氏體不銹鋼管制作。但由于銅管易于焊接，不少廠家寧可采用成本更高的銅管來制作。還有一些電爐生產(chǎn)廠家將上水冷圈與感應(yīng)器線圈用同一規(guī)格銅管同一螺旋方向繞制，與感應(yīng)器線圈制成一整體結(jié)構(gòu)，這樣在坩堝燒結(jié)時(shí)，將上水冷圈與感應(yīng)器線圈臨時(shí)連接通電后，使位于上水冷圈的坩堝同時(shí)燒結(jié)，提高了坩堝的整體燒結(jié)質(zhì)量。

（3）爐殼 把爐殼放在這一講來論述，是因?yàn)闋t子的鋼殼對(duì)于磁軛、短路環(huán)、消磁環(huán)沒有捕集到的漏磁通，鋼殼就成為防止雜散磁場逸出爐殼之外、減少電磁輻射的最后一道屏障。帶磁軛的鋼結(jié)構(gòu)爐子的外殼分為框架式和鋼殼式。對(duì)于大額定容量和高功率密度感應(yīng)電爐，推薦采用鋼殼式結(jié)構(gòu)。

爐子除了外磁路經(jīng)磁軛閉合的結(jié)構(gòu)外，還有一種金屬屏蔽式結(jié)構(gòu)。由于金屬在電磁場中的發(fā)熱量取決于自身的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率，因此可以采用純銅板置于感應(yīng)器線圈與鋼爐殼之間作為磁屏蔽，以減少爐殼鋼板的發(fā)熱。由于這種結(jié)構(gòu)要消耗大量銅材，又使設(shè)備復(fù)雜化，故未得到推廣。為降低成本，感應(yīng)熔煉電爐將鋼殼加裝銅屏蔽層改為鑄鋁殼體，過去很長一段時(shí)間內(nèi)竟得到普遍應(yīng)用。用鑄鋁外殼爐時(shí)為減少渦流，殼體必須沿縱向剖開。受強(qiáng)度和剛度所限，鑄鋁外殼熔煉爐的額定容量就不可過大。但到后來，這種鑄鋁外殼的爐子容量越做越大，甚至5t容量的爐子竟然也敢采用鑄鋁外殼。工信部工產(chǎn)業(yè)[2010]第122號(hào)公告《機(jī)械冶金、建材行業(yè)淘汰落后生產(chǎn)工藝裝備和產(chǎn)品指導(dǎo)目錄（2010年）》規(guī)定，無磁軛≥0.25t鋁殼無心中頻感應(yīng)電爐，到2015年“淘汰”，一律不得轉(zhuǎn)移、生產(chǎn)、銷售、使用和采用。2013年第26號(hào)公告發(fā)布的《鑄造行業(yè)準(zhǔn)入條件》也明確規(guī)定鑄造工廠不得采用0.25t及以上無磁軛的鑄鋁外殼中頻感應(yīng)電爐。

4 感應(yīng)熔煉電爐工頻、中頻電纜、銅母線的選擇與計(jì)算

4.1 感應(yīng)熔煉電爐工頻、中頻電纜、母線的選擇

感應(yīng)熔煉電爐工頻電纜、母線是指從整流變壓器閥側(cè)經(jīng)低壓開關(guān)柜到變頻電源輸入端的一段載流導(dǎo)線，目前這一段電纜、母線多采用銅導(dǎo)體。中頻電纜、母線指的是從變頻電源輸出端到諧振回路這一段載流導(dǎo)體，目前使用的主要是銅硬母線（銅排）。GB 50056—1993《電熱設(shè)備電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》指出：固定敷設(shè)的中頻線路宜用鋁導(dǎo)體。GB 50217—2018《電力工程電纜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，除電壓等級(jí)1kV以上、工作電流大、需增多電纜根數(shù)、振動(dòng)場具有爆炸危險(xiǎn)或?qū)︿X有腐蝕的工作環(huán)境等情況下的電纜應(yīng)采用銅導(dǎo)體外，工頻電纜、母線材質(zhì)可選用銅、鋁或鋁合金（8000系列）導(dǎo)體。最近，國務(wù)院發(fā)展研究中心專家在談到要理性看待“以鋁代銅”問題時(shí)指出：“以鋁代銅”要分場合，在導(dǎo)電性、安全性、可靠性要求較高的場合，該用銅的地方必須用銅，但中頻、高頻線路應(yīng)優(yōu)先采用鋁。

關(guān)于感應(yīng)熔煉電爐工頻、 中頻電纜、母線以鋁（鋁合金）代銅問題，目前我國120多個(gè)產(chǎn)業(yè)中有110多個(gè)使用銅產(chǎn)品，其消費(fèi)水平與GDP的線性相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.9。銅在世界范圍內(nèi)，蘊(yùn)藏量相對(duì)較少，而且已經(jīng)開采了數(shù)千年，特別是2002年以來，由于世界性資源緊張，銅資源作為金融的衍生產(chǎn)品，被某些國家基金所關(guān)注而成為期貨投資熱點(diǎn)，大量資金涌入，推動(dòng)了銅及其產(chǎn)品的輪番漲價(jià)。

相反，鋁資源在國內(nèi)的儲(chǔ)量相對(duì)較高，國內(nèi)鋁材的生產(chǎn)技術(shù)已達(dá)到電工級(jí)鋁的水平，只要在導(dǎo)電截面選擇、附件選擇、導(dǎo)體連接（銅鋁過渡對(duì)接）敷設(shè)方面加以注意，“以鋁代銅”在規(guī)定范圍內(nèi)是完全可行的。鋁合金電纜（8000系列）最早應(yīng)用于美國，自1968年研發(fā)出來以后，在北美國家市場占有率達(dá)到80%。近年來，一些國際知名感應(yīng)電爐生產(chǎn)廠家的中頻電纜多采用8000系列鋁合金材質(zhì)，對(duì)此人們知之甚少，當(dāng)然跟這些廠家對(duì)此不刻意宣傳有關(guān)。

銅、鋁是僅次于金、銀的優(yōu)良導(dǎo)體。電工銅（軟態(tài)）20℃電阻率為1.7241×10-8Ω·m，電導(dǎo)率為100%IACS（20℃）。電工鋁（硬態(tài)、軟態(tài)）的電阻率為2.8264×10-8Ω·m，電導(dǎo)率為61%IACS（20℃）。而AA8000系列電工鋁合金的電阻率為2.7900×10-8Ω·m，電導(dǎo)率為61.8%IACS（20℃）。另外，電工銅、鋁的密度分別為8.89×103kg/m3、2.70×103kg/m3，電工鋁合金的密度為2.71×103kg/m3（均為20℃時(shí)）。電工鋁（鋁合金）的抗拉強(qiáng)度為電工銅的1/2左右，屈服強(qiáng)度、伸長率與銅的下限值接近。

我們知道，導(dǎo)體直接與載流量相關(guān)的參數(shù)是電導(dǎo)率，直接與電壓損耗相關(guān)的參數(shù)是電阻率。我們把銅與鋁的電導(dǎo)率和電阻率加以比較，當(dāng)電工鋁合金截面為電工銅導(dǎo)體（電纜、母線）截面的1.5倍時(shí)，在相同溫度下，兩者的載流量與電壓損耗基本相同。

感應(yīng)熔煉電爐工頻和中頻電纜、母線選用原則：

1）載流導(dǎo)體必須滿足負(fù)載實(shí)際最大電流。

2）載流導(dǎo)體應(yīng)保證在額定功率條件下，網(wǎng)路電壓損耗在允許的范圍內(nèi)：通常從整流變壓器閥側(cè)經(jīng)低壓開關(guān)柜到變頻電源進(jìn)線端、變頻電源輸出端到諧振回路的電壓損失不得超過5%。

3）載流導(dǎo)體安裝應(yīng)確保運(yùn)行安全可靠、施工維護(hù)方便。

4）節(jié)約電能（經(jīng)常費(fèi)用），盡量減少網(wǎng)絡(luò)有功功率損耗；節(jié)約投資（初期費(fèi)用）和有色金屬。網(wǎng)路盡可能短，尤其是中頻回路。

5）只要符合條件，并解決銅、鋁過渡接頭問題，則盡可能采用鋁或鋁合金導(dǎo)體，尤其是中頻回路。

6）大電流母線允許溫升（表面溫升）35K。

4.2 電工銅、鋁、鋁合金的經(jīng)濟(jì)電流密度

感應(yīng)熔煉電爐工頻和中頻電纜、母線的截面按經(jīng)濟(jì)電流載流量來計(jì)算。載流導(dǎo)線的經(jīng)濟(jì)載流量是國家根據(jù)銅、鋁、鋁合金的消耗量，初次建設(shè)投資、爐子年最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)、使用年限及運(yùn)行時(shí)的電能損耗等因素，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后作出的規(guī)定。IEC—60287：2018《電纜載流量計(jì)算》是額定載流量計(jì)算國際公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)。JB/T 10181.32—2014/IEC60827-3-2：1995《電纜載流量計(jì)算第32部分：運(yùn)行條件相關(guān)電力電纜截面的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化選擇》可作為確定經(jīng)濟(jì)電流密度時(shí)的參考。

以經(jīng)濟(jì)電流密度選擇電纜、母線截面按式（46）：

式中 Sec——電纜、母線截面積（mm2）；

Imax——通過導(dǎo)體最大負(fù)荷電流（A）；

Jec——不同班制年最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)規(guī)定的經(jīng)濟(jì)電流密度（A/mm2）。

我國現(xiàn)行規(guī)定經(jīng)濟(jì)電流密度參見表6。

表6 經(jīng)濟(jì)電流密度 （A/mm2）

大多數(shù)鑄造廠感應(yīng)電爐作業(yè)都屬間斷性生產(chǎn)、兩班制，按GB/T 51266—2017《機(jī)械工廠年時(shí)基數(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中工業(yè)爐窯鋼鐵金屬熔煉爐的感應(yīng)電爐的規(guī)定，公稱年時(shí)基數(shù)為3680h。因此，銅、鋁裸母線的經(jīng)濟(jì)電流密度應(yīng)分別取2.25A/mm2、1.15A/mm2，銅、鋁工頻和中頻電纜的經(jīng)濟(jì)電流密度應(yīng)分別為2.25A/mm2、1.73A/mm2。

表6被不少文獻(xiàn)引用，但出處不詳。也有文獻(xiàn)對(duì)此表規(guī)定的數(shù)據(jù)提出異議。JB/T 9692.1—1999《工頻無心感應(yīng)熔鐵（鋼）爐和鐵保溫爐》中曾規(guī)定，大電流回路銅連接母線和銅電纜的電流密度可根據(jù)冷卻方式參照下面規(guī)定選擇：自冷銅母線1.5～2.0A/mm2，具體數(shù)據(jù)可按尺寸和布置方式確定。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)銅祼導(dǎo)線與電纜電流密度沒有加以區(qū)分，關(guān)于鋁及鋁合金母線和電纜的電流密度，標(biāo)準(zhǔn)中也沒有規(guī)定。用鋁及鋁合金代銅的問題，相關(guān)文獻(xiàn)有兩種意見：一種是同截面銅母排及電纜的載流量比鋁及鋁合金的載流量高30%；另一種是50%。我們?nèi)?0%，即電工鋁、鋁合金母線及電纜的電流密度為1.00～1.33A/mm2。筆者過去習(xí)慣用的鋁及鋁合金電流密度這個(gè)系數(shù)，與年最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)＞5000h（三班制）提供的數(shù)據(jù)是比較接近的。但以下舉例我們還是按表6的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)。

4.3 工頻電纜的選擇與計(jì)算

舉例：變頻電源功率3600kW，頻率300Hz，進(jìn)線電壓2×6 6 0 V 雙整流，總直流電流計(jì)算值4658.4A，每個(gè)整流橋直流電流計(jì)算值Id=2795.0A（總直流電流值乘以0.6得出，是考慮每個(gè)整流橋可能有60%和40%的不平衡）。選擇整流變壓器閥側(cè)經(jīng)低壓開關(guān)柜至變頻電源輸入端的電纜。電纜導(dǎo)體：電工銅?，F(xiàn)場作業(yè)條件：兩班制。

（1）交流線電流I'

式中 I'——每組整流橋的交流線電流（A）；

Idq——每組整流橋輸出直流電流（A），

本例，Idq＝2795.0A（計(jì)算值），則

（2）輸入端計(jì)算交流電流I

式中 I ——每組整流橋輸入端計(jì)算交流電流（A）；

K——電纜安放環(huán)境系數(shù)，取K＝1.1。則 I＝KI'＝1.1×2282.1＝2510.3（A）

（3）銅芯電纜截面積Stx

式中 Stx——銅芯電纜截面積（mm2）；

Jec——經(jīng)濟(jì)電流密度（A/mm2）。

本例，查表6，取Jec＝2.25A/mm2，則

Stx＝I/Jec＝2510.3/2.25＝1115.7（mm2）

（4）銅芯電纜根數(shù)N

式中 N——銅芯電纜根數(shù)（根）；

S0——銅芯電纜單芯截面積（mm2）。

本例，取S0＝185mm2，則

N＝Stx/S0＝1115.7/185＝6.0（根）

選取電纜：YJV0.6/1kV3×185+1×95架空用交聯(lián)聚乙烯絕緣、聚氯乙烯護(hù)套四芯銅電纜6根并聯(lián)。

4.4 中頻母線的計(jì)算

接前例，3600kW、300Hz變頻電源輸出端與并聯(lián)諧振回路的連接導(dǎo)體，采用硬母線（銅排）。

（1）中頻電流基波值Ia1

式中 Ia1——中頻電流基波值（A）；

P——變頻電源額定功率（kW）；

Ud——直流電壓（V）；

φ——晶閘管逆變超前角，國產(chǎn)晶閘管逆變觸發(fā)超前角（°）。

本例，P＝3600kW，Ud=840V，300Hz時(shí)，φ≈32°，則

（2）自冷銅母線（銅排）有效導(dǎo)電截面積S′

式中 S′——銅排有效導(dǎo)電截面積（mm2）；

Jec——經(jīng)濟(jì)電流密度（A/mm2）。

本例，查表6，取Jec＝2.25A/mm2，則

（3）求銅排的電流透入深度Δ1

式中 Δ1——銅排的電流透入深度（m）；

ρ1——電工銅室溫至80℃時(shí)的平均電阻率（Ω·m）；

μr——銅排的相對(duì)磁導(dǎo)率，μr≈1；

f ——變頻電源標(biāo)稱頻率（Hz）。

本例，ρ1＝2×10-8Ω·m，f＝300Hz，則

即 Δ1＝4.1mm

（4）銅排寬度b'、厚度a的選擇

1） 銅排寬度b'的選擇：

式中 b'——銅排的寬度（mm）。

則

由于現(xiàn)場安裝條件的限制，銅排一般不可太寬，如本例銅排寬度達(dá)556mm，顯然是不行的，為此可根據(jù)現(xiàn)場條件采用“雙并”、“三并”的設(shè)計(jì)。

按“雙并”布線時(shí)，銅排的寬度可用3塊銅排，每塊銅排寬度b3為b'/3，即b3＝b'/ 3≈185mm。

按“三并”布線時(shí)，銅排的寬度用5塊銅排，每塊銅排寬度b5為b'/5，即b5＝b'/ 5≈111mm。

“四并”時(shí)，需要7塊銅排，并接的銅排過多，現(xiàn)場往往不好布置，一般較少使用，如有需要，則在“三并”布線情況下增加銅排寬度即可。

圖6 多個(gè)銅排并接時(shí)中間銅排雙面導(dǎo)電

在工程應(yīng)用時(shí)：a＝1.35Δ1＝5.5mm。

標(biāo)號(hào)“2”銅排的厚度：a＝13mm。

在工程應(yīng)用時(shí)：a＝11.0mm。

銅排布置規(guī)范：GB 50056—1993《電熱設(shè)備電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定：在中頻回路中采用矩形母線時(shí)應(yīng)符合下列要求：

1）平行布置的多片母線，應(yīng)寬面相對(duì)，相鄰母線為不同的極性。

2）母線的夾板、隔板采用絕緣浸漬處理的硬木、塑料或?qū)訅航^緣板等材料制作。

3）不同相（不同極）矩形母線間最小凈距應(yīng)符合規(guī)范，參見表7。

對(duì)于一般鑄造工廠，變頻電源頻率一般在150～1500Hz，我們在確定銅排間最小凈距時(shí)，推薦以下尺寸：500V以下時(shí)：10～15mm；750～1000V時(shí)：15～20mm；1500V時(shí)：20～25mm；2000V時(shí)：25～30mm；3000V時(shí)：35～40mm。干燥無塵時(shí)取下限，干燥多塵（非導(dǎo)電塵）時(shí)取上限；頻率低時(shí)取下限，頻率高時(shí)取上限。

表7 銅排最小間距凈值 （mm）

4.5 感應(yīng)熔煉電爐中頻電纜、母線的幾個(gè)問題討論

（1）同軸電纜 所謂同軸電纜是指電纜的往線和返線由同軸的兩層導(dǎo)線繞成，內(nèi)腔有充填物，兩層導(dǎo)線之間有電絕緣，外部有防護(hù)覆蓋層，同軸電纜的導(dǎo)電材料利用率高、感抗小，但只有在高頻率、小電流場合比較適用，用于感應(yīng)熔煉電爐的中頻電流導(dǎo)電其實(shí)并不適用。因?yàn)檩d流導(dǎo)線的厚度是一定頻率下該導(dǎo)體電流透入深度的1.35～π/2倍，對(duì)于目前低中頻范圍、大功率、大電流設(shè)備，電纜生產(chǎn)廠家無法提供這種產(chǎn)品。

（2）工頻電纜、母線 由于熔煉電爐的變頻電源的進(jìn)線線電壓基本都＜1kV，因此工頻電纜和母排在大多數(shù)場合既可以采用銅導(dǎo)體，也可以用鋁或鋁合金導(dǎo)體。但鋁及鋁合金母線很少使用，除了架設(shè)較麻煩外，鋁及鋁合金母線的銅、鋁過渡母線目前市場上不易找到。鋁及鋁合金工頻電力輸送電纜目前在市場上也難找到架空用“3+1”“3+2”類型的系列產(chǎn)品。

當(dāng)前現(xiàn)場工頻電纜、母線基本上是用銅導(dǎo)體，且以銅電纜為主。由于鋁電纜的銅鋁過渡端子已有質(zhì)量可保證的產(chǎn)品，只需鋁及鋁合金工頻電力輸送電纜形成系列，工頻電纜用鋁及鋁合金取代銅的問題，將會(huì)迎刃而解。

（3）中頻電纜、母線 目前，國內(nèi)電纜廠生產(chǎn)的無鎧裝四芯鋁電纜，可用于中頻電流輸送?？紤]到不損傷電纜的絕緣和保護(hù)層，電纜彎曲的曲率半徑不應(yīng)小于一定值。為此，一般避免采用單根芯線截面＞185mm2的電纜。

目前，國內(nèi)鋁芯四芯電纜主要有兩種規(guī)格可供選擇：

1）YJLY0.6/1kV（GB/T 12706.1—2008）。

導(dǎo)體：緊壓圓形19根，φ2.95mm。

絕緣：交聯(lián)聚乙烯（XLPE），允許工作溫度90℃，允許短路溫度250℃。

護(hù)套：聚氯乙烯（PVC）。

2）VLV0.6/1kV（GB/T 12706.1—2008）。

導(dǎo)體：絞合圓形37根，φ2.03mm，或緊壓圓形19根，φ2.95mm。

絕緣：聚氯乙烯（PVC）。

護(hù)套：聚氯乙烯（PVC）。

導(dǎo)體截面≤300mm2時(shí)，允許工作溫度70℃，允許短路溫度160℃。導(dǎo)體符合GB/T 3956—2008及IEC60228：2004。鋁桿符合GB/T 3954—2014中的IA60、IR50、H12。

與鋁、鋁合金電纜相關(guān)的有如下幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：

GB/T 5585.1—2018 《電工用銅、鋁及其合金母線第1部分：銅及銅合金母線》。

GB/T 5585.2—2018 《電工用銅、鋁及其合金母線第2部分：鋁和鋁合金母線》。

ASTM B 800-05（2011）《電氣用退火及中溫回火8000系列鋁合金導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》。

GB/T 30552—2014《電纜導(dǎo)體用鋁合金線》。

GB/T 14315—2008《電力電纜導(dǎo)體用壓接型銅鋁接線端子和連接管》。

IEC 61238-1：2003《連接接頭標(biāo)準(zhǔn)》。

NB/T 42051—2015《額定電壓0.6/1kV鋁合金導(dǎo)體交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜》。

GB/T 9327—2008《額定電壓35kV（Um=40.5kV）及以下電力電纜導(dǎo)體用導(dǎo)接式和機(jī)械連接金具試驗(yàn)方法和要求》。

GB/T 3956—2008《電纜的導(dǎo)體》。

由于篇幅所限，本講只舉例介紹了工頻和中頻銅母線的選擇與計(jì)算。中頻鋁芯電纜的選擇與計(jì)算我們留待后續(xù)章節(jié)介紹。

（4）水冷母線 水冷母線有平板、管狀、水冷電纜幾種類型，母排側(cè)加焊矩形截面水冷管即平板式水冷母線。

1）管狀母線：分為矩形和異形。

2）水冷電纜：多數(shù)采用編織軟銅絞線穿在兩端封焊的夾布橡皮套管內(nèi)并通水冷卻。在允許電壓損失和功率損耗的情況下，采用水冷母線以提高母線的電流密度。在電流特別大的場合，如諧振回路等，自冷母線無法實(shí)現(xiàn)安全載流的情況下，采用水冷母線是必要的，但它是以增加電耗為代價(jià)的。感應(yīng)熔煉電爐由于爐體傾動(dòng)需要，諧振回路與感應(yīng)器線圈之間的電纜連接有一段是可撓的，這一段也不得不采用水冷母線。

只要能用自冷母線的場合一定要用自冷母線（按經(jīng)驗(yàn)電流密度選擇母線導(dǎo)電截面）。某些電爐生產(chǎn)廠家為降低制造成本，在應(yīng)該用自冷母線的地方濫用水冷母線，使用戶電耗增加，給用戶帶來經(jīng)濟(jì)損失。

5 感應(yīng)熔煉電爐感應(yīng)器線圈制作工藝

5.1 感應(yīng)器線圈工藝設(shè)計(jì)原則和制作規(guī)范

感應(yīng)器是感應(yīng)熔煉電爐的重要部件，變頻電源通過感應(yīng)器把有功功率傳遞到被加熱、熔化的金屬爐料中。GB/T 10067.3—2015和GB/T 10067.31—2013規(guī)定了感應(yīng)器線圈工藝設(shè)計(jì)原則和制作規(guī)范，綜述如下：

1）感應(yīng)器線圈在滿足隔熱和絕緣條件下，應(yīng)與被加熱爐料之間的間隙盡可能小，各匝應(yīng)盡可能相互靠近，以提高感應(yīng)器的電效率。

2）感應(yīng)器線圈的導(dǎo)體采用低電阻、不低于T2的銅材制造，應(yīng)有大于其工作頻率的透入深度和滿足機(jī)械強(qiáng)度的足夠厚度。導(dǎo)體的表面應(yīng)平整光滑，無砂眼、裂紋、褶皺、起層和起泡等缺陷。

3）感應(yīng)器線圈大多采用矩形、方形或圓形截面水冷銅管。低頻時(shí)，為保證電效率，可采用偏心截面的異形水冷銅管。多數(shù)情況下，都采用矩形、方形，而較少采用圓形截面銅管，這是因?yàn)榫匦?、方形截面與圓形截面相比，在相同的電流透入深度時(shí)有較大的截流面積和同等寬度弦面積之別。

4）當(dāng)銅管由于長度所限而必須焊接加長時(shí)，應(yīng)制定相應(yīng)的焊接工藝和嚴(yán)格的檢驗(yàn)規(guī)則，以確?？煽繉?dǎo)電和冷卻水不滲漏。

5）在感應(yīng)器線圈繞制成形后，應(yīng)根據(jù)其使用要求進(jìn)行絕緣處理，所用絕緣層及絕緣漆的溫度等級(jí)應(yīng)在各產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中具體規(guī)定，以保證具有規(guī)定的絕緣性能和使用期限。

6）在感應(yīng)器線圈繞制成形后，應(yīng)進(jìn)行水壓試驗(yàn)。

7）感應(yīng)器線圈制造尺寸偏差應(yīng)符合設(shè)計(jì)圖樣的要求。

8）感應(yīng)器線圈兩端頭和中間抽頭的連接板與線圈的焊接應(yīng)保證導(dǎo)電良好、水冷線圈的水路暢通。連接板應(yīng)平整光滑，具有足夠的接觸面積并作必要的防銹處理。感應(yīng)器線圈及其匝間通常由堅(jiān)固的支撐件、磁軛及拉桿等固定和定位，以增加剛性，使其在電爐運(yùn)行中不產(chǎn)生變形和位移。緊固件應(yīng)采用奧氏體不銹鋼、銅等無磁性的材質(zhì)。

5.2 感應(yīng)器線圈制作工藝

1982年，我國原機(jī)械工業(yè)部頒布了J B/D Q 5072—1982《中頻無心感應(yīng)爐感應(yīng)器工藝守則》、JB/DQ 5074—1982《工頻無心感應(yīng)爐感應(yīng)器工藝守則》（這兩個(gè)工藝守則由湘潭電機(jī)廠主持起草，起草人劉敦秀）。該標(biāo)準(zhǔn)年久失修，早已作廢，其后國內(nèi)一些研究院所、電爐生產(chǎn)廠家借鑒國內(nèi)外電爐的先進(jìn)技術(shù)，并參照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)制定了各自企業(yè)的工藝標(biāo)準(zhǔn)。但這兩個(gè)部頒標(biāo)準(zhǔn)對(duì)早期規(guī)范國內(nèi)電爐生產(chǎn)廠家感應(yīng)器制作工藝起到了非常重要的作用。

（1）感應(yīng)器線圈制作工藝流程 感應(yīng)器線圈制作工藝流程如圖7所示，圖中紅色符號(hào)“Δ”表示檢查。

（2）感應(yīng)器線圈制作工藝過程

1）銅管牌號(hào)確定和原材料檢驗(yàn)：制作感應(yīng)器線圈銅管材料的化學(xué)成分應(yīng)符合GB/T 5231—2012《加工銅及銅合金牌號(hào)和化學(xué)成分》的規(guī)定。銅管的力學(xué)性能等指標(biāo)應(yīng)符合GB/T 1527—2017《銅及銅合金拉制管》的規(guī)定。

大容量高功率感應(yīng)電爐的感應(yīng)器線圈的銅管推薦采用無氧銅。ISO 431《精銅錠》標(biāo)準(zhǔn)選用的線圈材料為Cu-OFE電子級(jí)精煉無氧銅，銅含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）99.99%（不包括A g）、氧含量0.001%。體積電阻率（最大）1.707×10-8Ω·m，電導(dǎo)率58.58MS/m（最?。┗?01.0%IACS（最?。?。國標(biāo)規(guī)定氧含量≤0.003%、雜質(zhì)總量≤0.05%、銅純度＞99.95%，其中一號(hào)無氧銅氧含量≤0.003%、雜質(zhì)≤0.03%、銅純度99.97%；二號(hào)無氧銅氧含量≤0.003%、雜質(zhì)≤0.05%、銅純度99.95%。一般線圈采用二號(hào)無氧銅有較小的銅損，就可以得到比較滿意的電效率。

矩形（方形）、異形銅管各部分尺寸及其公差應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求外，其中矩形（方形）銅管截面的縱向與橫向的相對(duì)面相互平行度不得超過0.6mm。偏心截面的異形銅管，截面橫向相對(duì)的相互平行度不得超過0.8mm。檢測方法按GB/T 26303.1—2010《銅及銅合金加工材外形尺寸檢測方法 第1部分：管材》及GB/T 16866—2006《銅及銅合金無縫管材外形尺寸及允許偏差》執(zhí)行。

2）銅管退火：如果采購的銅管為經(jīng)過軟化退火的（O60態(tài)），可直接進(jìn)入下道矯正工序。非O60態(tài)的銅管必須進(jìn)行退火處理。最好用光亮退火爐，退火時(shí)爐門密封，爐內(nèi)通保護(hù)氣氛。爐室額定溫度700℃，無保護(hù)氣氛退火爐也可在普通電阻爐中退火，但應(yīng)增加激冷脫氧化皮措施。

無保護(hù)氣氛條件退火工藝：退火爐溫升至550～650℃時(shí)，將料盤上銅管送入爐內(nèi)。爐溫重新升高至550～650℃后開始保溫。保溫時(shí)間按銅管壁厚不同為1～2.5h，但最少不低于1h。出料時(shí)迅速將銅管浸入冷水槽中。銅管冷卻出水后，用壓縮空氣吹凈銅管內(nèi)腔。

退火后的銅管晶粒度應(yīng)≤0.06mm，伸長率應(yīng)≥55%。

3）銅管矯正：采用銅管矯正機(jī)矯正，或在平臺(tái)上人工矯正。用木榔頭整形，表面不允許有凹陷和傷痕，檢驗(yàn)用的平尺應(yīng)在500mm以上，將銅管置于平臺(tái)和平尺之間，測量平臺(tái)、銅管、平尺之間的縫隙。銅管上下兩側(cè)的縫隙均不應(yīng)＞0.3mm。沿銅管長度方向逐步向前移動(dòng)平尺測量。

圖7 感應(yīng)器線圈制作工藝流程

4）線圈繞制：在繞線機(jī)上進(jìn)行線圈繞制。多采用臥式繞線機(jī)，裝有腳踏開關(guān)和手動(dòng)按鈕開關(guān)，轉(zhuǎn)速1～4r/min。繞線胎具（芯模）的外徑確定要考慮銅管繞制后的反彈，下列經(jīng)驗(yàn)公式可作為參考。

式中 Dt——繞線胎具（芯模）外徑（m）；

D1——感應(yīng)器線圈內(nèi)徑（m）；

λ——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可取λ＝0.035～0.045。

由于感應(yīng)熔煉電爐的線圈內(nèi)徑一般均＞300mm，故可不必進(jìn)行二次退火。

尺寸檢查：線圈徑向尺寸，以繞線胎具（芯模）的外徑為基準(zhǔn)，線圈內(nèi)徑與胎具外徑的間隙，用塞尺檢查不得通過0.2mm，引出頭與線圈徑向中心線的平行線偏差應(yīng)在±5mm范圍內(nèi)。

5）焊接水管接頭及導(dǎo)電銅排等附件：線圈引出頭與水管接頭用HICuZn46黃銅焊料釬焊，水管接頭材質(zhì)62黃銅，結(jié)構(gòu)采用水管接頭套在線圈銅管外壁。

線圈與導(dǎo)電銅排用HLAgCu30-25銀銅焊料釬焊。

6）水壓試驗(yàn)：參照GB/T 10067.3—2015和GB/T 10067.31—2013規(guī)定執(zhí)行。感應(yīng)線圈組裝前要經(jīng)過1.2MPa水壓耐壓試驗(yàn)24h。

7）線圈組件噴砂表面處理：噴砂表面處理，用于線圈組件套裝整形以及表面絕緣涂覆前的處理。噴砂機(jī)（自動(dòng)、手動(dòng)）用壓縮空氣將高速運(yùn)動(dòng)的直徑1～4mm的硅砂噴于線圈組件表面，使組件表面無灰塵、油污、銹蝕、脆化層，具有25～40μm的表面粗糙度。噴砂處理后的線圈組件應(yīng)清除掉表面雜質(zhì)、雜色、氧化層、銹蝕，以及焊接件的氧化層、焊渣、焊瘤等，可以增加組件表面與絕緣涂層之間的附著力，延長絕緣材質(zhì)的耐久性。噴砂機(jī)應(yīng)采用環(huán)保型裝置，要低于國家二級(jí)工業(yè)排放60mm3的標(biāo)準(zhǔn)。

8）感應(yīng)器線圈的絕緣處理：根據(jù)感應(yīng)器線圈的使用環(huán)境，其絕緣處理必須采用耐高溫絕緣漆。需注意的是，絕緣漆同其他絕緣材料一樣，其絕緣性能隨著溫度的升高而降低，這是因?yàn)槌Ｒ?guī)絕緣材料的電子活躍性隨著溫度的升高而增加。對(duì)絕緣漆的要求是在高溫下仍具有良好的絕緣性能。感應(yīng)器線圈即使在正常水冷條件下，爐襯較厚時(shí)能防止坩堝內(nèi)爐料的熱傳到線圈表面，到達(dá)線圈的溫度可達(dá)80℃，在線圈使用后期，爐料變薄，此時(shí)傳遞到線圈表面的溫度高達(dá)200℃，有時(shí)甚至更高。線圈“打火”等故障往往就發(fā)生在這個(gè)時(shí)候。此時(shí)耐溫低于180℃的絕緣漆已炭化失去絕緣作用，因此必須選用耐高溫絕緣漆。

耐高溫絕緣漆，耐熱溫度為750℃，用于熔煉鋼及高熔點(diǎn)金屬的線圈絕緣。絕緣漆的質(zhì)量應(yīng)符合GB/T 1981—2007《電氣絕緣用漆》的技術(shù)條件。高溫抗弧絕緣磁漆，耐熱溫度為210℃，擊穿電壓是常規(guī)絕緣漆的2～4倍，適合高海拔地區(qū)使用的電爐、匝間距小或電壓高的串聯(lián)諧振電爐線圈的絕緣。涂刷或噴涂工藝應(yīng)按照廠家提供的說明書指示的工藝操作[16]。

9）感應(yīng)器線圈、水冷圈、短路環(huán)套裝整形：將感應(yīng)器線圈與上下水冷圈、上下短路環(huán)等，緊固在感應(yīng)器、水冷圈、短路環(huán)外側(cè)的硬木夾柱上，硬木夾柱與感應(yīng)器、水冷圈、短路環(huán)之間墊有5mm厚聚四氟乙烯板。

套裝后線圈整形要求線圈水冷圈、短路環(huán)內(nèi)徑圓度≤3mm，內(nèi)壁的圓柱度≤2.5mm，內(nèi)壁與徑向垂直度≤5mm，各水管接頭排列整齊，偏離排列中心線應(yīng)不超過10mm。

10）檢查和試驗(yàn)：檢查各部位尺寸，應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。用兆歐表測量絕緣層的局部絕緣電阻，兆歐表的一極接銅管，另一極接在離裸銅200mm以上的絕緣層表面，任選絕緣層上的三點(diǎn)，絕緣電阻應(yīng)＞50MΩ。

感應(yīng)器絕緣耐壓試驗(yàn)按GB/T 10066.1—2004第1.1.3條、GB/T 10066.3—2014第5.1條進(jìn)行。

感應(yīng)圈繞制成形后采用絕緣漆整體浸漆后，經(jīng)真空烘干，絕緣等級(jí)要達(dá)到H I R（絕緣耐壓＞7000V），并要進(jìn)行7000V電壓的耐壓試驗(yàn)，GB/T 10066.3—2014/IEC 62076：2006標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定感應(yīng)器組件的絕緣耐壓試驗(yàn)應(yīng)在（2Ua+1000）V的工頻和基本呈正弦波的電壓下進(jìn)行。這里的Ua是感應(yīng)器線圈的額定電壓，當(dāng)額定電壓Ua為3000V時(shí)，試驗(yàn)電壓就是7000V。