感應電爐的節能與環保　兩點思路

當前，能源供應緊張已經成為經濟社會發展的重要制約因素之一。中國能源消費總量占世界能源消費總量的1/10，約為美國的1/3，居世界第二。但能源供給和能源安全問題已經顯現。我國能源利用率為33%，比國際先進水平低10個百分點，主要產品單位能耗平均比國際先進水平高40%；但是另一方面，我國能源利用效率低，浪費大，污染嚴重；用電管理粗放，企業、機關、居民都還存在很多不良消費習慣，節電潛力很大。

因此，必須高度重視節電工作，采取節電措施，提高電能利用效率，降低電力消耗。能源形勢告訴我們，全面實現小康社會的征程，也將是克服能源制約的歷程，節約用電是全社會的共同責任，中國特色的現代化道路必須是節能之路。

中頻感應爐因其投資較少、見效快、操作方便等優點，被廣泛使用。感應熔煉加熱對于鑄鐵而言，有利于獲得低硫鐵液，是沖天爐無法比擬的。熔煉速度快，感應電爐效率高，燒損少，熱損失較小，車間溫度相對較低，減少產生煙塵，在節約能源，提高生產率，改善勞動條件，降低勞動強度，以及凈化車間環境等方面效果顯著。

但是，感應電爐生產節能問題一直受到使用企業的關注。下面我們從感應電爐的生產特點及數十年的生產實踐經驗中，從提高生產效率、提高熔化速度、減少熔煉時間等幾方面入手，總結出中頻感應電爐生產節電的幾個途徑，與業界的各位同行探討。

1  節能思路之一

通常感應爐中真正用于金屬升溫和熔化的功率只占輸入總功率的60%～70%，鑄鐵較多，鑄鋼次之，銅鋁更低。其余30%～40%都以各種形式損耗掉。主要包括電源變壓器，中頻電源柜，銅排及水冷電纜，以及爐襯和感應圈，其中感應圈熱損失及補償電容器組與感應圈之間一段導線（水電纜）熱損失占總輸入功率的20%以上，爐口熱輻射及爐體傳導熱損失達總功率的10%，因此合理設計感應圈及其饋電線路，采用高壓大噸位設計方案，可大大節約能源，提高熔煉速度，一達到溫度即開始澆注，減少保溫時間，節能效果明顯，爐子容量越大越節能。這就是高速熔煉大噸位高產低耗的設計原理。

1.1 選購設備時應注意的事項

鑄造企業在選擇中頻熔煉爐時應根據變壓器容量，產量要求，以及投資額度等作為選擇標準，在選購設備時應注意以下事項。

對于1000kW以下的中頻電源一般采用三相五線制380V，50Hz工業用電，配置6脈沖單整流中頻電源；對于1000kWY以上的中頻電源則側重于使用660V進線電壓（有的廠家使用575V或750V，由于是非標準的電壓等級，配件不好選購，建議不要選擇使用）配置12脈沖的雙整流中頻電源，原因有兩個：一是通過提高進線電壓提高額定工作電壓；二是大功率產生的諧波會干擾電網，通過雙整流可以獲得較為平直的直流電流，負載電流為矩形波，負載電壓接近正弦波，減少電網干擾對其他設備的沖擊。

有的用戶盲目地追求高電壓（有的1000kW使用900V進線電壓），低電流以來達到節能的目的，豈不知這樣是以電爐的壽命為代價的，得不償失，高電壓容易造成電元器件壽命縮短，銅排、線纜疲乏，使電爐壽命大打折扣。另外，高電壓對于電爐生產廠家來說，在用材方面減少了原材料，節約了成本。電爐廠家肯定是樂意這樣做（高售價、低成本）。但最終吃虧的還是電爐的使用廠家。

在輸配電項目建設環節中推廣使用低損耗變壓器。變壓器的經濟運行，變壓器經濟運行指在傳輸電量相同的條件下，通過擇優選取最佳運行方式和調整負載，使變壓器電能損失最低。變壓器經濟運行無需投資，只要加強供用電科學管理，即可達到節電和提高功率因數的目的。每臺變壓器都存在有功功率的空載損失和短路損失，無功功率的空載消耗和額定負載消耗。

變壓器的容量、電壓等級、鐵芯材質不同，故上述參數各不相同，因此變壓器經濟運行就是選擇參數好的變壓器和最佳組合參數的變壓器運行。

功率利用率，指在一個工藝周期內，爐子通電時間與整個工藝周期之比，由于能量損耗與爐子停電時見成正比關系，且停電時損失的能量，必須在下次通電時有點能補償。因此，工藝周期內各工序占用時間越少，功率利用率便越大，電耗就越低。

1.2 調整思路  注重節能

普通KGPS并聯中頻電源，IGBT串聯中頻電源及新型的KGPS并聯中頻電源的比較選擇。

1.2.1 普通KGPS可控硅并聯中頻電源

優點：是過去幾十年來一直最廣泛使用的，價格低廉，易維修，配件便宜。

缺點：高耗能，噸鋼液耗電大于700kW?h以上。采用調節直流電壓方式調節功率，功率因數低（≤0.85），有諧波干擾，對變電所無功補償電容器運行有不同程度的影響。

1.2.2 IGBT串聯中頻電源

優點：整流采用全波整流，且采用電容及電感組成的LC濾波方式使得功率因數達到0.96以上，基本無諧波干擾。逆變部分采用串聯逆變工作模式，負載工作在高壓小電流情況下，銅損小因而大大提高了效率。噸鋼液耗電小于600kW?h。

缺點：IGBT中頻電源對工作環境要求高。

1.2.3  KGCL可控硅串聯中頻電源

KGCL晶閘管串聯中頻電源繼承上述兩種產品的優點，采用全波整流電源，在整個工作過程中整流始終處于全開通狀態（相當于二極管整流）；設備的功率因數始終處于最高狀態（≥0.96）。不產生高次諧波，對電網無污染，不影響變電所無功補償電容器的運行。比普通晶閘管并聯中頻電源節能15%左右。而且，配件便宜易采購，易維修。因此，KGCL晶閘管串聯中頻電源是重點推廣的最新型節能中頻電爐產品。

1.2.4 鋁殼爐與鋼殼爐的選擇

鋁殼爐體優點是價格低廉，易維修，方便觀察。缺點是效率低，電磁輻射無屏蔽。

鋼殼爐體采用優質鋼結構焊接，有防漏爐報警裝置，感應器周圍采用磁軛封閉，覆蓋面積超過65%。因為漏磁小，效率高，比鋁殼爐體節約能耗近5％。

1.2.5 節能環保12脈晶閘管中頻電源

12脈中頻電源（即12脈晶閘管中頻電源如果配上爐體就稱為12脈中頻電爐）。整流橋的輸出電壓由原來的513V升到1026V，在沒有改變原變壓器輸出電壓的前提下，整流輸出直流電壓升高一倍。在相同電爐功率條件下，主電路電流減小了一半，回路損耗降低到1/4，（大電流流過晶閘管、銅排、電抗器、水冷電纜等產生的發熱損耗）。而感應加熱感應圈電壓則由原來的1600V升到3000V，進一步降低了感應圈的熱損耗，達到了節能降耗的目的。

12脈整流電源產生的諧波影響大大小于普通KGPS中頻電源。整機采用雙整流電路，動態均壓，具有缺相、過壓、過流、低水壓和人為誤操作保護，限流、限壓，平衡，功能穩定，掃頻啟動性能良好，操作維護簡單。功率因數高于0.95。

12脈中頻電源以晶閘管為主控元件實現較好節能效果，綜合性能完全優于6脈普通晶閘管中頻電源即（KGPS中頻電源），其每噸鐵液電耗可降低100kW?h，基本符合電網諧波要求。與IGBT中頻電源相比，具有節能效果明顯、而且性能十分穩定，維護方便，諧波干擾小，過載能力強，噸位容量大，以及維修成本低廉的優點。以上就是我們隊12脈晶閘管中頻電源的推薦理由。

1.3 選用感應電爐與鑄造車間的配型

鑄造企業熔煉設備，在決定選用中頻感應電爐后，在型號選擇時考慮以下幾個方面：

（1）精密鑄造及較小型工件一般選擇0.5t以下的電爐，建議采用IGBT及KGCL串聯中頻電源設備，電源配備變壓器不大于315kVA。若使用普通KGPS并聯中頻電源則需要大于400kVA的配電系統。

（2）雙金屬鑄造時或連續不間斷的熔煉模式時，建議選用一拖二的電源設備。一個熔爐熔煉，另外一個熔爐保溫。

（3）使用0.5T的電爐班產量(8h)一般情況3.5t左右，0.75T的設備班產量5t左右，1T的可達到6.5t以上。客戶可根據以上大的原則具體選擇，在必要的情況下我建議先去同類鑄造企業考察一下、然后仔細咨詢電爐生產廠家或咨詢一下相關這方面的專家。

2  節能思路之二

生產中節約電能的幾種途徑和主要方法：合理組織生產，延長連續冶煉時間；科學管理爐料，做好爐前熔煉操作；保證爐村質量，保持設備完好。

2.1  延長連續熔煉時間

電能單耗與熔煉方式有很大關系，爐子的工作方式可分為以下三種情況：

　　（1）連續熔煉  每日三班連續作業。

　　（2）斷續熔煉  每日兩班或一班作業，非作業期間，爐內鐵液用保溫功率進行保溫。

　　（3）間歇熔煉  每日完成后全部出凈。

顯然以上三種情況作業時，連續熔煉電能單耗最低，斷續冶煉次之，間歇熔煉最高。因此．有條件的情況下應當盡可能地安排集中連續熔煉。盡量增加一次熔煉爐次，延長持續熔煉時間，降低電耗。

錯峰用電：減少費用合理調整用電時間，積極利用峰谷電價差，將部分或全部的高峰用電時間，轉移到低谷時段。在這方面，可以采用間斷保溫技術，轉移用電時間，盡管此法不節電，但可以利用峰谷電價差而節省車間開支。

2.2  合理配料

爐料的科學管理對提高中頻爐感應爐生產效率、降低能耗具有重要意義。首先必須掌握所用各種爐料的化學成分，并進行仔細合理的的配料計算利用各種爐料的合理搭配，做到鋼液中主要化學成分符合要求，有害雜質元素含量盡可能少、不超標，避免因調整成分而拖延熔煉時間，杜絕因成分不合格而使鋼液報廢，增加物耗、電耗。為此，爐料必須根據化學成分、含雜質情況及塊度大小進行適當分類，切割大的長形廢鋼，有條件應對輕薄料打包處理，保證順利加料，減少熔煉時間。爐料塊度的大小應與電源頻率相適應，感應電爐所用電源頻率隨爐子容量的增大而降低。大容量感應爐可以使用大塊爐料，小容量感應爐使用小塊爐料。

2.3  合理的熔煉操作

為盡快熔化爐料，應掌握合理的熔煉操作技術。

2.3.1 爐料預熱與余熱利用

爐料料塊直徑大小與電耗相關，料塊直徑不同，融化時間與融化單位電耗也不同。以0.5T無心工頻感應爐為例，就單臺爐子熔煉活塞環合金鑄鐵而言，料塊直徑/坩堝內徑=0.3時效果最佳。因此，希望在初融時盡量先用生鐵快，并在快料之間嵌填上破碎的澆冒口碎料，以減少其空隙。爐料在坩堝的填充度，即密實程度越好，堆密度越大，電耗越低。

應充分利用余熱預熱爐料，當爐料預熱到600℃，節電效果顯著，出鐵溫度為1460℃時，可使電爐熔化能力增加30%，電耗降低20%。爐料預熱要防止氧化燒損，以及為了延長預熱裝置壽命，一般爐料預熱溫度取600℃以下為宜。間隙式預熱料桶，由兩層組成，外層用絕熱材料填滿，內層缸料口內徑應與坩堝口徑相應，裝料時用吊車把內套桶移到裝料區，爐料預熱后，底部用開底機械開起。此預熱桶制作簡易。

2.3.2 科學裝料

裝料的松緊程度直接關系到爐料的熔化速度。為了實現迅速加熱熔化，要求坩堝中部與下部爐料的堆密度越大越好。因此，感應加熱時磁力線在坩堝中部中央的密度最大，爐料堆積密度大，磁力線穿過間隙的機會減少，加熱效率相應提高，加熱和熔化速度就相應提高。

2.3.3 合理的供電制度

開始通電時，先供給65％～75％左右的功率，待電流沖擊停止后，迅速將功率增到最大值，以加快爐料的熔化。

熔化全過程盡可能處在低溫下，由于爐內溫度較低，相應粘度也較高，這樣可以適當仰制熔液的電磁攪拌作用，以及降低金屬液駝峰高度的作用。力戒有的操作人員加料后，遠離工作臺，造成熔化過程中途升溫。工頻爐的結構通常感應器高低約為熔池高度的4/5，實際上，在爐內金屬液不少于熔池容積2/3時，工頻爐便可接近全公率運行。因此，增大每次加料量，有利于改善熔爐的負載功率狀態，能使溶液溫度上升速度加快，提高爐子的工作效率。  

2.3.4 合理的爐前操作技術

（1）控制后續爐料每次加入量，采用每次少量、多次加入的加料方式，盡可能不使鋼液溫度下降太多，造成爐內鋼液結殼。

（2）勤觀察、勤搗料，防止爐料“搭棚”。搭棚使爐內金屬液溫度過高，停留時間過長，以及搭棚處理時撞擊都會損壞爐，縮短爐襯壽命。有資料提及3T感應爐襯熔煉含3.5％碳量的灰鑄鐵．每爐次在1500℃高溫下作業20min時，正常狀況下爐齡為400爐次，每爐次在1550℃高溫下作業20min，正常狀況下的爐齡將降低為240爐次，降低率為60％。因此熔煉作業中，采用澆注前短時間升溫，而其余時間鐵液保持較低溫度，可減少高溫鐵液對爐襯的侵蝕，延長爐襯使用壽命，降低電耗。

（3）關蓋與控制鐵液溫度。爐子熔化過程中，除必要的操作打開爐蓋外，應始終關緊爐蓋。關蓋與敞開爐口的確大不一樣，敞開爐口對高溫鐵液造成的輻射熱損失相當大，特別是小爐子，往往運行時不加爐蓋，有的干脆拆除棄用，或者裝料不合理使爐蓋關不上，結果耗電大大增加。以熔化鑄鐵為例，敞開爐蓋時，1450℃的熱輻射損失為354kW?h/m2，在1500℃時為397kW?h/m2。相反，要是關緊爐蓋，此時的熱損失會下降90％。因此，無論從操作安全，改善環境條件，還是從節約能源，提高熔化率來說，操作時關緊絕熱性能好爐蓋十分必要。

（4）充分發揮爐渣的作用，從熔化期開始就要加強造渣操作，經常檢查有無裸露液面，使其覆蓋良好。冶煉時爐渣能將鋼液與大氣隔離，保護鋼液減少大氣污染。減少大氣中的O2、N2、H2O對鋼液的作用，減少合金元素的氧化、氮化、揮發，以及減少鋼液吸氫，如此可以減少鋼液脫氧、凈化時間，高溫鋼液在渣層覆蓋下減少了輻射熱損失，對鋼液起保溫作用。

（5）合理控制出鋼溫度。根據鋼液重量、盛鋼包的烘烤情況，澆注時間等因素來確定。盛鋼包必須經過充分烘烤，保持較高溫度，這樣鋼液溫降減小。而澆注過程各工種的銜接協作好壞直接影響了澆注過程所用的時間，所用時間越長，溫降越大出鋼溫度應越高。及時足量投放保溫劑、覆蓋劑、除渣劑。在鋼液轉移到盛鋼包后應立即投放適量的保溫覆蓋劑、除渣劑，可以減少鋼液鎮靜澆注過程的熱損失，出鋼溫度就可以適當降低，以節約電耗。

1）配料時之所以化滿后加入少量小塊新生鐵，是由于新生鐵中所含的初生石墨能起晶核作用，促使石墨組織也能朝著A型方向變化，可以有效地防止白口傾向。推薦采用入爐前先配好爐料，改變那種邊配料邊加工方式，因其易發生差錯，工作平臺雜亂，且不易協調管理。

2）熔化設備與造型,澆注工段的關系要合拍。杜絕和避免“保溫待型”,“高溫待注”，這樣即可能有效地節約能源，又能保證澆注的鑄件有較高的質量。

用感應爐熔煉如活塞環這樣薄壁合金鑄鐵，熔化溫度是獲得所需材質性能的重要保證。往往需要過熱，但過熱溫度高低對電耗有很大影響，從節能的觀點，在保證滿足澆注質量的前提下，應按工藝要求把出爐溫度控制好，盡可能縮短和避免在過分提高過熱溫度下的運行時間；嚴格控制過熱溫度，反對超溫熔煉。另外，提倡用更先進的測溫設施。

（6）保持設備完好，加強維護，減少損耗。通過采用更先進科學的維護設備和技術，減少用能設備損耗，降低用能設備的維護成本，從而有效地減少企業的能源消耗支出。

首先應有一個優質的坩堝。優質的坩堝要求耐高溫，耐沖刷、耐侵蝕，結構致密，有理想的燒結層，使用壽命長。

為得到優質的坩堝，必須根據冶煉不同的金屬材料選擇合適的坩堝爐料，嚴格按打結工藝打結，燒結成型。坩堝壽命的延長，不僅使打結坩堝材料、能耗減少了，也為提供連續冶煉提供了設備保證。坩堝的安全性提高，出現穿爐次數就減少。

感應爐爐襯普遍采用整體打結而成，在選擇爐襯的厚度上，我們從爐襯受金屬液在電磁力的攪拌引起強烈沖刷和加料時劇烈碰撞與振動蝕損考慮得多，因此希望爐襯比設計要求稍厚一些，這樣才能有更好的強度，以延長使用壽命。但從爐子的電氣特性考慮，爐襯要在薄厚均勻條件下盡可能薄些，才能有更高的電效率和輸入更大的功率。在保證不超時變壓器最大輸出電流的條件下，爐襯厚從設計厚度減薄不超過15mm，一直可使用額定電壓運行，將不會超出變壓器最大電流的規定值。

在此范圍內，隨著爐襯減薄，感應器功率增大，熔化速度加快，能耗隨之減少。例如西安某廠1.5T爐子優選95mm的爐襯厚度，既兼顧到感應爐電氣特性又保持原有爐襯壽命，節能顯著，說明在這方面還有潛力可挖。改進筑爐工藝，確保打結質量，嚴格按工藝規程烘爐，提高爐齡，從而提高熔設備的利用率，對節能降耗有明顯效果。

在感應線圈內襯的耐熱層與隔熱層，選擇有一定厚度、絕熱性好的材料，可起到更好的耐熱、隔熱作用，有利于減少熱傳導損失，從而提高感應器的熱效率，實現熱量的節約。

如酸性爐襯，由于礦產品本身性能的差異，筑爐和烘烤的控制不同，使用條件不同，其使用壽命相差甚大。

由此可見，一臺中頻感應電爐所用的材料、所耗的電能一般情況下，爐襯壽命長的每爐次所攤的筑爐電耗就少。筑爐工藝、烘爐燒結工藝的選擇應確保在爐襯燒結后獲得合理的三層結構，即燒結層、半燒結層和緩沖層，初始厚度大致各占1／3。制定正確的工藝應當注意以下幾點:

1）選擇優質爐襯材料(雜質少、水分低、顆粒粒度大小及其比例合適)。

2）選擇合適的保溫層厚度，可以有效地控制燒結層厚度，調節爐襯的熱損失。

3）盡可能選用硼酐作粘結劑，可以縮短烘烤時間。采用硼酐作粘結劑的優點是減少烘爐時硼酸內結晶水的析出。縮短烘爐時間，避免大量水分對感應器絕緣及爐襯耐火度的影響。

4）根據選用的材料、爐子容量及牯結劑類型確定烘烤速度以及保溫溫度和保溫時間。這些因素既影響爐襯質量，也影響能耗。其次應注意設備維護，檢修。保持中頻裝置、感應爐、冷卻水系統運行正常。減少故障率，減少中途停爐次數,節約能耗，保障生產順利進行。通過合理安排生產、合理配料爐，冶煉作業，以及合理控制出鋼液溫度，都可以縮短熔煉時間。以每爐次平均冶煉時間80～90min計，每縮短1min的冶煉時間，就可節約1％左右的電能。爐襯的質量和冶煉設備完好是安全生產、提高生產效率和節能降耗的基礎，必須科學管理，采取綜合措施并切實加以落實，提高生產效率，提高熔化速度，減少熔煉時間，從而達到節約電能的目的。

需指出的是，當采用單一感應爐熔煉時，由于爐料中不含焦炭、石灰石，同時加料后爐料不再受外界沖擊，因此，粉塵很少。可以配備簡易抽風除塵系統，排放標準可達10mg/m3以下；爐渣處理無需像沖天爐那樣需要爐渣粒化處理，只要經常倒掉當班的爐渣就行，有利于環境保護，同時也減少了操作管理及日常的維護保養工作量，因此環保設備的投入大大減少。

結束語

感應爐節能的基礎是輸配電項目建設環節推廣使用低損耗變壓器，選擇節能型中頻電源對鑄造用感應爐的節電影響較大。感應爐在生產中節約電能幾種途徑和方法有：延長連續冶煉時間；合理組織生產，科學管理爐料；做好爐前熔煉操作；保證爐村質量，保持設備完好等。

感應電爐節能是一個系統工程，同樣也是一項細致而艱辛的工作，不是單靠一兩個節能措施就能完成的，要把技術節能和管理節能相結合，從設備、原料、工藝和管理等全面綜合掌控，才能取得顯著的節能效果。