符志祥 李亞瓊 李豐辰 張立峰 夏莫逆

(1.寧波長振銅業(yè)有限公司，浙江 寧波 315473；2.北京科技大學(xué) 冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京 100083；3.燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004；4．北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100144 5.株洲火炬工業(yè)爐有限責(zé)任公司，湖南 株洲 412005)

工頻有芯感應(yīng)爐在再生黃銅熔鑄應(yīng)用中具有電能驅(qū)動(dòng)、熱效率高、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、投入成本低等優(yōu)點(diǎn)，其推廣應(yīng)用可以降低電能消耗占比，進(jìn)而推進(jìn)有色銅合金加工領(lǐng)域雙碳目標(biāo)進(jìn)程。自1890年瑞典人Kjellin發(fā)明了有芯感應(yīng)電爐以來[1，2]，特別是近20年，有芯感應(yīng)電爐技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，熔溝形狀從“V”型到“U”型再到“W”型，熔溝截面從“等截面”到“不等截面”，熔溝內(nèi)熔體流動(dòng)方式從“交替雙向”到“定向”，感應(yīng)線圈管截面從“等壁厚”到“不等壁厚”，從“正方形”到“矩形”[3-7]，感應(yīng)體電源從單相到兩相再到三相，單個(gè)感應(yīng)體輸出功率已高達(dá)3 000 kW[8，9]，但應(yīng)用有芯感應(yīng)電爐再生黃銅熔鑄仍存在熔溝內(nèi)熔體流動(dòng)速度低、合金化能力弱、熔溝易被堵塞、鋼殼溫度高等問題。針對(duì)上述問題，本研究進(jìn)行有芯感應(yīng)爐感應(yīng)體熔溝間距和保溫結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造，為提高有芯感應(yīng)爐熔鑄效率，拓寬其功能和提高節(jié)能性能提供有益參考。

1 原有芯感應(yīng)爐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與存在問題

原有芯感應(yīng)熔銅爐結(jié)構(gòu)如圖1所示，技術(shù)參數(shù)匯總見表1。圖2為熔溝結(jié)構(gòu)與布局。感應(yīng)體絕熱結(jié)構(gòu)如圖3所示。

表1 改造前有芯感應(yīng)爐技術(shù)參數(shù)

圖1 有芯感應(yīng)爐結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of channel type induction furnace

圖2 熔溝結(jié)構(gòu)與布局：(a)熔溝結(jié)構(gòu)；(b)熔溝布局Fig.2 Structure and layout of channel：(a)channel structure；(b)channel layout

圖3 感應(yīng)體絕熱結(jié)構(gòu)Fig.3 Thermal insulation structure of the induction body

原有芯感應(yīng)爐在再生黃銅熔鑄生產(chǎn)中存在以下問題：

1)熔溝中心間距小，合金產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、質(zhì)點(diǎn)彌散和粒徑均難以達(dá)到要求。熔溝感應(yīng)電流小、熱功率低，熔溝高溫區(qū)域窄，通過熔溝熔體吸熱量少，熔體溫度低，熔溝進(jìn)出口溫差?。蝗蹨先垠w流動(dòng)速度慢，熔溝中心熔體回流速度小，熔溝內(nèi)對(duì)流傳質(zhì)傳熱弱，熔體元素質(zhì)點(diǎn)熔化擴(kuò)散作用小、合金化能力低。此外，熔溝為W型不等截面，寬75 mm，有效厚度57 mm，寬厚比1.31。入爐料為57 mm×57 mm以上塊狀時(shí)，高熔點(diǎn)塊狀金屬不能隨熔體流動(dòng)通過熔溝，易發(fā)生熔溝堵塞故障。

2)感應(yīng)體絕熱結(jié)構(gòu)為外殼內(nèi)壁+石棉板+爐料，熔體溫度超過1 000 ℃后，感應(yīng)體保溫層薄，保溫性能欠佳，感應(yīng)體外殼表面溫高達(dá)352 ℃，電能浪費(fèi)明顯。

2 原有芯感應(yīng)爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化與效果分析

2.1 優(yōu)化措施

2.1.1 熔溝間距和寬厚比

考慮到合理熔溝間距和寬厚比是熔溝高產(chǎn)熱、高功率密度和強(qiáng)合金化生產(chǎn)能力等前提條件，原感應(yīng)爐熔溝間距小，需對(duì)熔溝間距進(jìn)行調(diào)整。已有研究[10]表明，通過建立ANSYS有限元模擬仿真模型可獲得熔溝間距對(duì)熔溝焦耳熱和功率密度影響規(guī)律由熔溝間距對(duì)熔溝焦耳熱和功率密度的影響(圖4)。由圖4可知，隨著熔溝間距增加，熔溝高熱值區(qū)域從熔溝外側(cè)逐漸向熔溝內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)化，同時(shí)高熱值區(qū)域面積呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。熔溝熱值在熔溝間距305～375 mm存在拐點(diǎn)，熔溝間距為315 mm時(shí)，熔溝熱值最大(412.404 kJ)，功率密度最高(0.018 1 W/mm3)。隨著熔溝間距的增加，熔溝功率密度先增加后降低，最佳熔溝間距為315 mm。

圖4 熔溝間距對(duì)熔溝焦耳熱和功率密度的影響[10]Fig.4 Effects of trench interval on joule heat and power density[10]

將2個(gè)獨(dú)立感應(yīng)線圈分別接入120°相位差的380 V電源，感應(yīng)線圈有效長度720 mm，線圈長度方向中心和2片熔溝間的中心面重合。在電磁力和熱驅(qū)動(dòng)力作用下，熔體作軸向和徑向運(yùn)動(dòng)，從熔溝中間螺旋向下流入熔溝，從熔溝兩側(cè)流向爐膛。由于感應(yīng)體內(nèi)感應(yīng)線圈長度是相對(duì)固定的，兩熔溝對(duì)稱分布在線圈中心截面兩側(cè)，因此熔溝間距會(huì)影響內(nèi)部感應(yīng)電流強(qiáng)弱，最終影響到熔溝熱功率。將熔溝間距從原來的225 mm擴(kuò)充至315 mm。此外，為改善熔溝內(nèi)部熔體流動(dòng)、傳熱和生熱分布，在感應(yīng)體外殼內(nèi)壁四周和底部鋪設(shè)納米微孔板和莫來石質(zhì)隔熱磚等。本研究通過ANSYS有限元模擬仿真所得熔爐整體溫度分布，結(jié)果如圖5所示，熔溝進(jìn)出口溫度數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同熔溝間距條件下熔溝進(jìn)出口溫度

圖5 熔溝間距對(duì)熔爐溫度分布的影響：(a)175 mm；(b)225 mm；(c)315 mmFig.5 Effects of channel intervals on the temperature distribution：(a)175 mm；(b)225 mm；(c)315 mm

從圖5可以看出，隨著熔溝間距的增加，熔體溫度明顯升高，即熔溝熱效率提高。表2數(shù)據(jù)顯示，熔溝間距從225 mm增至315 mm時(shí)，熔溝進(jìn)出口溫差從5.78 ℃升高至14.88 ℃。熔溝間距降至175 mm，熔溝進(jìn)出口銅液溫差升高，原因在于熔溝間距減小使出口速度減小，導(dǎo)致熱量在熔溝出口積累，使熔溝出口銅液溫度升高；熔溝間距為225 mm時(shí)，熔溝中心溝道回流速度較快，熔溝兩側(cè)高溫射流有一部分未能充分參與熱交換便在流股碰撞后返回熔溝內(nèi)部，提高了熔溝進(jìn)口銅液溫度，使得進(jìn)出口銅液溫差降低。

熔溝作為感應(yīng)爐唯一加熱區(qū)域，內(nèi)部銅液運(yùn)動(dòng)劇烈程度影響與上部爐膛換熱效果和熔鑄效率。熔溝對(duì)銅液攪拌取決于熔溝頂面位置銅液y方向速度。前后熔溝頂面速度分布如圖6所示。當(dāng)熔溝間距增加到315 mm后，熔溝端流體速度明顯增加，熔溝間距為175、225、315 mm處對(duì)應(yīng)的熔溝出口平均速度分別為0.173、0.183、0.225 m/s。伴隨著中心溝道對(duì)應(yīng)的熔溝頂面流體回流速度下降，熔溝中心溝道進(jìn)口速度分別為-0.153、-0.198、-0.076 m/s。由此可見，射流速度提高會(huì)使得熔溝中心溝道內(nèi)銅液回流速率降低。

圖6 熔溝改造前后熔溝頂面y方向速度分布Fig.6 Velocity distribution in y direction on the top surface of the front and rear melting channels

從圖6可以看出，當(dāng)熔溝間距擴(kuò)大至315 mm時(shí)，熔溝熔體流動(dòng)速度和溫升幅度為最高。流動(dòng)速度和升溫幅度的提高，有利于原材料熔化及熔體元素的熔化擴(kuò)散，可提升熔體合金化能力。

本實(shí)驗(yàn)依次運(yùn)用相似度分析、聚類分析和主成分分析3種方法較全面評(píng)價(jià)了四川不同產(chǎn)區(qū)的黃絲郁金藥材的質(zhì)量。18批次黃絲郁金藥材中有16批指紋圖譜相似度在0.80以上，相似度在0.98以上的藥材占66.67%，說明相同產(chǎn)區(qū)的黃絲郁金藥材質(zhì)量比較一致，也有個(gè)別批次藥材質(zhì)量有較大差異。從18批黃絲郁金藥材的指紋圖譜中得到了22個(gè)共有色譜峰，并通過GC-MS分析鑒定，指認(rèn)出其中10個(gè)色譜峰，可較全面地反映黃絲郁金藥材的質(zhì)量。聚類分析和主成分分析的結(jié)果與相似度評(píng)價(jià)結(jié)果一致，為黃絲郁金的質(zhì)量控制研究奠定基礎(chǔ)，對(duì)于指導(dǎo)黃絲郁金GAP基地建設(shè)也提供了新的手段。

改造前熔溝有效截面75 mm×57 mm×R10 mm，公司雖然對(duì)回收的再生原材料經(jīng)過機(jī)械破碎，控制原料形狀小于65 mm×65 mm，但在回收的再生黃銅中難免有高熔點(diǎn)金屬存在，大于57 mm×57 mm高熔點(diǎn)塊狀金屬隨熔體進(jìn)入熔溝內(nèi)，造成堵塞。分析在不改變截面積的前提下，調(diào)整熔溝截面寬厚比從1.31調(diào)整到1.04，截面為71 mm×68 mm×R25 mm，使經(jīng)破碎原料中的高熔點(diǎn)塊狀金屬能隨熔體流動(dòng)通過熔溝，解決熔溝堵塞問題。

2.1.2 感應(yīng)體絕熱結(jié)構(gòu)

為降低殼體外表溫度，對(duì)圖3所示的感應(yīng)體外殼內(nèi)壁四周和底部由內(nèi)而外鋪設(shè)32 mm厚的莫來石輕質(zhì)磚和10 mm厚的納米微孔板，外殼長度由原來的1 680 mm增加至1 750 mm，寬度由原來的680 mm增加至910 mm，中心高度由原來的530 mm增加至620 mm。莫來石輕質(zhì)磚和納米微孔板的物理性能參數(shù)見表3。優(yōu)化后感應(yīng)體外殼結(jié)構(gòu)及絕熱結(jié)構(gòu)如圖7所示。

表3 元素質(zhì)點(diǎn)當(dāng)量直徑分析結(jié)果

表3 耐火材料物理性能

圖7 優(yōu)化后感應(yīng)體外殼結(jié)構(gòu)及絕熱結(jié)構(gòu)Fig.7 Thermal insulation structure of the induction body after optimizing

設(shè)定環(huán)境溫30 ℃，熔體溫度1 050 ℃，通過穩(wěn)定態(tài)熱損失計(jì)算[3]所得得鋼殼表面溫度為173 ℃。

2.2 優(yōu)化效果

1)合金化能力。分析優(yōu)化改造前后銅錠局部元素分布如圖8、圖9所示，計(jì)算元素質(zhì)點(diǎn)粒徑結(jié)果見表3。對(duì)比圖8和圖9可以看出，改造后，金屬元素彌散性能明顯提升。由表3可知，改造后，Cu、Pb、Sn、Al、Fe當(dāng)量直徑分別減小0.32、0.49、0.53、0.5、0.2 μm，說明感應(yīng)體經(jīng)過優(yōu)化后，其合金化能力得到了提高。

圖8 優(yōu)化前的銅錠局部元素分布面掃描Fig.8 Partial surface scanning maps of element distribution in copper ingot before optimization

圖9 優(yōu)化后的銅錠局部元素分布面掃描圖Fig.9 Partial surface scanning maps of element distribution in copper ingot after optimization

3)穩(wěn)定性。感應(yīng)體熔溝截面寬厚比從1.31調(diào)整到1.04，感應(yīng)爐運(yùn)行2年，未出現(xiàn)金屬堵塞熔溝故障。

3 結(jié)論

1)對(duì)感應(yīng)體進(jìn)行優(yōu)化改造，將熔溝間距從原225 mm增至315 mm、有效寬厚比從原1.31調(diào)整到1.04，在感應(yīng)體外殼內(nèi)壁四周和底部鋪設(shè)納米微孔板和莫來石質(zhì)隔熱磚等可有效提高熔體的合金化能力，降低電耗并避免塊狀高熔點(diǎn)金屬堵塞故障問題。

2)感應(yīng)體經(jīng)優(yōu)化改造后，熔溝進(jìn)出口溫差可從原來的5.78 ℃升高至14.88 ℃，熔溝出口速度可從原來的0.183 m/s增至0.225 m/s；鋼殼溫度由原來的352 ℃降到173 ℃，減小熱損耗功率34.3 kW，電耗從原來的273 kWh/t降至221 kWh/t；消除了熔溝被65 mm×65 mm塊狀高熔點(diǎn)金屬堵塞故障。