1 感应炉简介
与火焰加热相比, 感应加热的加热速度快, 加热温度高, 对材料的加热温度和加热区域也较易控制, 不污染环境, 且可以进行真空加热, 同时感应加热装置的机械化和自动化的程度也相对较高。因此, 感应加热技术和装置在冶金领域被广泛采用, 如钢坯的热处理, 铝、铜等金属的熔炼。
1.1感应加热原理
感应加热主要是用通交流电的感应器产生交变的电磁场, 在位于磁场中的导电性物料中产生感应电动势和电流, 感应电流在物料内流动过程中产生感应电动势和电流, 感应电流在物料内流动过程中克服自身的电阻作用而产生热。感应加热就是电磁热之间转换的过程。
1.2感应炉的分类
感应炉按电源频率可分为工频、中频和高频感应炉, 其中中频和高频感应炉需要变频设备。按结构可分为无心感应炉和有芯感应炉, 按工艺可分为感应熔炼炉和感应加热炉。
高频感应炉频率为10000Hz以上, 适合的特种钢和特种合金冶炼;中频炉感应炉频率为50-10000Hz, 中频炉的容量和输出功率较大, 因此主要用于特种钢、磁性合金和铜合金等的熔炼;而工频炉主要用于铸铁和钢, 特别是高强度铸铁和合金铸铁的熔炼以及铸铁溶液的升温、保温和成分调整等, 同时也用于铜铝等有色金属及其合金的熔炼, 但工频炉容量小时不经济[3]。而有芯感应炉比无心感应炉更聚磁, 具有加热速度快, 电效率高, 金属烧损少等优点。
2 感应加热炉的筑造
2.1 感应加热炉的炉衬材料
为了提高感应加热炉的电效率和功率因素, 则炉衬越薄越好, 但是太薄又会影响炉衬的强度, 所以炉衬材料选择要有较高的常温和高温强度, 荷重软化温度必须要大。同时加热过程中炉温变化频繁, 电动力也很大, 因此炉衬材料的热稳定性要好, 抗冲击能力强, 耐磨性要好, 并且常温和高温下是良好的绝缘体。
2.2 感应加热炉的线圈
线圈选择紫铜材料, 经过捣打定型之后制成方形铜管, 同时要经过退火, 消除内部金属应力, 避免整形或焊接定型中导致铜管破裂。线圈铜管之间的间距不能太近, 以防接触, 同时外围线圈要经过打磨并刷上绝缘漆。
2.3 炉衬成型与烘炉工艺
炉衬是整体浇捣成型, 耐火泥浆填满线圈匝间, 感应器与炉衬浇灌成一个整体, 线圈加固了炉衬, 增加了炉衬强度。炉衬成型工艺简单, 使用过程中如有损坏, 也可现场进行修补。同时, 在使用前必须对炉衬进行初始烘干操作。如中频透热炉炉衬可按图1所示的曲线进行烘干操作, 其中:先以120-150℃的烘烤温度保温2 小时, 然后以500-600℃烘烤温度保温3 小时, 最后以800-950℃保温2小时。
3 感应加热炉的高效节能分析
对于感应加热炉在电能、磁能及热能的转换过程中有以下几种能量损失: (1) 电磁感应器有电阻, 必然在感应器上会产生电能损失; (2) 电能转换成的热能有一部分通过炉壁散失掉; (3) 在加料和出料的过程中, 由于热辐射也会造成一部分辐射热损; (4) 配电设备也要消耗一部分能量[4]。同时, 使物料快速被加热, 并且加热温度均匀也一直是感应加热炉需要不断提高的性能要求。因此, 在近些年来感应加热炉在电源配置、谐波治理及自动控制方面取得了很多新发展, 得到了较好的节能效果。
3.1电源配置
对于高频和中频感应炉, 均要进行变频处理。通常是把三相工频交流电通过三相全控整流桥整流为直流, 再经过直流电抗器进行滤波, 然后由逆变桥将直流电变换为单相中频交流电供给负荷 (感应器和补偿电容) 。目前, 还经常采用串联或并联逆变电路, 来提高功率因数, 提高生产效率, 达到快速生产且节能的目的。
3.2 谐波治理
传统上通常采用LC滤波器进行谐波抑制, 因为滤波电容器、电抗器和电阻器的适当组合, 与谐波并联, 可以起到滤波作用, 还可以进行无功补偿的需要。LC滤波器的设置, 成本较低, 但是滤波效果不太好。而有源电力滤波器是一种较新的谐波抑制方法, 它是一种电力电子装置, 主要是通过补偿装置产生一个与被检测到的谐波电流大小相等极性相反的补偿电流。这种滤波器其成本较高, 企业很难承受[5]。所以, 通常将两者进行混合使用, 既可以进行有效抑制谐波, 造价也不是很高。
3.3 PLC自动控制
PLC控制系统可以最大限度的满足被控对象控制要求的前提下, 还可以使控制系统简单安全可靠。如通过PLC控制系统可及时采集温度信号, 然后调节电压电流, 进而调节电源的输出功率, 对感应炉的温度及时进行调节。因此, PLC控制系统的引入且不断提高, 可以使感应加热炉在温度控制和电效率提高方面得到不断的完善和改进。
4 结语
感应加热技术及感应加热炉已经发展的较为成熟, 也被广泛应用于各种加热和熔炼工艺中。对于感应加热炉来说, 其在内衬材料、线圈的选择和整体的筑造烘炉方面有着严格的工艺要求, 进而才可以在温度变化快, 电动力大, 震荡大等环境下稳定工作。同时, 对感应加热炉的电源、谐波治理和整体的自动控制方面的不断发展提高, 将有利于电效率和热效率的提高, 同时也将有利于加工后的工件具有优良的使用性能, 因此在这些方面还有待继续加大研究。
摘要：感应加热由于其对环境无污染、热效率高且参数易控制的特点在冶金领域被广泛应用。本文则针对用于感应加热的加热炉进行了研究, 主要对其筑造、内衬材料的选择以及烘炉工艺进行了阐述, 并对感应加热炉的高效节能发展趋势进行了分析。
关键词：感应加热炉,炉衬材料,烘炉工艺,温度均匀,谐波,节能
参考文献
[1] 郭茂先.工业电炉[M].北京:冶金工业出版社, 2002:125-126.
[2] 罗波, 吴希刚, 何曙光, 贾朝国.中频感应加热在锻造中的节能应用[J].电世界, 2015, 1:34-35.
[3] 王成刚, 马顺龙.用中频感应电炉熔炼铸铁的几个技术问题[J].熔炼技术, 2012, 4:43-46.