工频炉与中频炉详解.docx
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工频炉与中频炉详解
工频感应炉与中频感应炉
一、工频感应炉
工频感应炉是以工业频率的电流（50或60赫兹）作为电源的感应电炉。
工频感应电炉已发展成一种用途比较广泛的冶炼设备。
它主要作为熔化炉用来冶炼灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和合金铸铁。
此外，还作为保温炉使用，同前，工频感应炉已代替冲灭炉成为铸造生产方面的主要设备，和冲天炉相比，工频感应炉具有铁水成分和温度易于控制、铸件中的气体与夹杂物的合量低、不污染环境、节约能源和改善了劳动条件等许多优点。
因此，近年来工频感应炉得到迅速发展。
工频感应炉全套设备包括四大部分。
1．炉体部分
冶炼铸铁的工频感应炉炉体部分由感应炉（两台，一台用于冶炼，另一台备用）、炉盖、炉架、倾炉油缸、炉盖移动启闭装置等组成。
2．电气部分
电气部分由电源变压器、主接触器、平衡电抗器、平衡电容器、补偿电容器和电气控制台等组成。
3．水冷系统
冷却水系统包括电容器冷却，感应器冷却和软电缆冷却等。
冷却用水系统是由水泵和循环水池或冷却塔以及管道阀门等组成。
4．液压系统
液压系统包括油箱、油泵、油泵电机、液压系统管道与阀门和液压操作台等。
GW系列工频炉
本系列GW工频无芯感应熔化炉可供熔化各种碳素钢、铸铁和特种铸铁（炼钢脱氧剂等），增加排烟装置还可熔化铜及铜合金。
本系列熔化炉其额定容量从~10T共七个规格。
特点：
1、使用可靠，操作简单，停电时机械方式可用手动倾炉
2、熔化速度快，节省能源，且无污染
3、金属烧损少，劳动条件好
4、电路结构简单，节省场地，易于维护
组成：
（）
炉体：
一台/两台；炉前控制柜：
一台；主接触器补偿柜：
一台；
液压站：
一台（液压方式）；电器设备：
三台，倾炉控制柜：
一台（液压方式）
水冷电缆：
2—4条。
工频无芯感应熔化炉（增强型）在脱氧剂生产的应用
GW系列工频无芯感应熔化炉，目前已被广泛使用在许多炼钢脱氧剂生产厂家，并得到广泛的好评。
仅，本溪冶炼厂，就购买我厂GW系列工频无芯感应熔化炉达8套，其中吨工频无芯感应熔化炉（增强功率）有7套，3吨工频无芯感应熔化炉有1套，年产值可达3亿多元，因此我厂生产该种型号电炉在同行业中，作为生产脱氧剂的主要设备，在节能，产量等各方面，为同行业领先者，对生产脱氧剂感兴趣的客户，可带领实地考察，提供生产咨询，和技术上指导。
广销全国地区，如：
辽宁本溪、鞍山，河南南阳，河北邯郸，内蒙古包头。
GW系列工频无芯感应熔化炉主要技术参数：
型号
坩埚容量
t
额定功率
kw
频率
变压器容量KVA
熔化率
t/h
额定电压
V
单位电耗
kwh/t
最高工作温度
℃
冷却水耗用量
m³/h
170
50
250
380
700
1600
＜
200
50
315
380
640
1600
＜
250
50
400
380
620
1600
＜
420
50
630
380
520
1600
＜
GW-3-750
3
750
50
1250
380
500
1600
＜10
GW-5-1100
5
1100
50
1600
380
500
1600
＜19
GW-10-2700
10
2700
50
4000
380
500
1600
<30
功率各异根据实际需要进行改变，产量等也随之变化
GWL系列可倾式工频感应熔铝炉
用途;
本系列GWL可倾式工频感应熔铝炉，熔铝炉从~共有五个系列。
亦可用于镁、锌、铝、锡及其合金的熔化和保温。
组成：
炉体由炉架、铸铁坩埚、轭铁、感应器、水冷系统和倾炉装置。
GWL系列可倾式工频感应熔铝炉主要参数：
（熔铝）
型号
额定容量
t
额定功率
kw
熔化
率
t/h
额定电压
V
单位电耗
kwh/t
工作温度
℃
最高工作温度 ℃
冷却水压
mpa
冷却水耗用量m³/h
（铁坩埚）
64
380
530
700
900
（铁坩埚）
100
380
520
700
900
（非铁坩埚）
110
380
650
700
900
（非铁坩埚）
180
380
630
750
900
（非铁坩埚）
400
380
630
750
900
（熔化镁、锌、铅锡等金属时的技术参数）
金属
Mg
Zn
Pb
Sn
项目
型号
坩埚装料量kg
熔化率kg/h
坩埚装料量kg
熔化率kg/h
坩埚装料量kg
熔化率kg/h
坩埚装料量kg
熔化率kg/h
45
60
160
200
270
100
180
560
100
400
170
440
480
100
115
400
380
700
190
440
1000
210
800
280
880
750
210
210
800
700
1400
350
880
GYT系列工频有芯感应熔铜炉适用于熔化铜及其合金
特点：
1、适用于连续铸造，价格相对于同等容量无芯感应炉低廉
2、操作方便，可定点浇铸
3、加热速度快，节省电能，打结炉衬方便，熔化成本低
4、和其他炉型相比较，具有便于调节化学成分之优势，且无污染，适用于文明生产
组成：
电炉由炉体、炉架、轭铁、感应器、水套、倾运机构、电器控制柜、调压器、电容器架、操纵台等。
GYT系列工频有芯感应熔铜炉主要技术参数：
型号
熔炼金属
额定容量t
额定温度℃
额定功率kw
额定电压V
熔化率t/h
熔化电耗t
冷却水压kwf/cm*cm
冷却水耗t/h
倾炉方式
铜
1200
60
380
380
2~4
＜
机械传动
1200
80
380
330
2~4
＜
1200
100
380
280
~3
黄铜
1080
240
380
1
200
2
液压传动
紫铜
1200
180
380
274
2
1-2
二、中频感应炉
中频感应炉所用电源频率在150一10000赫兹范围内的感应炉称为中频感炉，其主要频率在150一2500赫兹范围。
国产小频感应炉电源频率为150、1000和2500赫兹三种。
中频感应炉是一种适用于冶炼优质钢与合金的特冶设备，和工额感应炉相比具有以下优点：
1）熔化速度快，生产效率高。
中频感应炉的功率密度大，每吨钢液的功率配置比工频感应炉约大20一30％。
因此，在相同条件下中频感应炉的熔化速度快，生产效率高。
2）适应性强，使用灵活。
中频感应炉每炉钢液可以全部出净，更换钢种方便；而工频感应炉每炉钢液不允许出净，必须保留一部分钢液供下炉启动，因此更换钢种不方便，只适用于冶炼单一品种钢。
3）电磁搅拌效果较好。
由于钢液承受的电磁力是与电源频率的平方根成反比，因此中频电源的搅拌力比工频电源小。
对于去除钢中杂质和均匀化学成分、均匀温度来说，中频电源的搅拌效果比较好。
工频电源过大的搅冲力使钢液对炉衬的冲刷力增大，不仅降低精炼效果而且会降低坩埚寿命。
4）起动操作方便。
由于中频电流的集肤效应远大于工频电流流，因此中频感应炉在起动时，对炉料没有特殊要求，装料后即可迅速加热升温；而工频感应炉则要求有专门制作的开炉料块（与坩埚尺寸近似，约以坩埚高度一半的铸钢或铸铁块）才能启动加热，而且升温速度很慢。
阅此，在周期作业的条件下大多使用中频感应炉。
起动方便带来的另一个优点是，在周期作业时可以节约电力。
由于以上优点，中频感应炉近几年来，不仅广泛地用于钢与合金的生产领域，而且在铸铁生产中，特别是在周期作业的铸造车间也得到很快的发展。
中频感应炉的配套设备
中频感应炉的成套设备包括：
电源及电气控制部分，炉体部分，传动装置及水冷系统。
一、技术参数
1、中频熔化炉主要技术参数：
型号规格
额定容量
（t）
额定功率
（kW）
额定频率
（kHz）
额定电压
（V）
工作温度
（℃）
熔化率
（t/h）
倾动方式
`1（铝壳）
160
1
750
1600
电动
1（铝壳）
160
1
750
1600
电动
1（铝壳）
250
1
1500
1600
电动
1（铝壳）
250
1
1500
1600
电动
1（铝壳）
300
1
1500
1600
电动
1（铝壳）
500
1
1500
1600
电动
1（铝壳）
500
1
1500
1600
电动
GWJ-1-500/1（铝壳/钢壳）
1
750
1
1500
1600
电动/液压
GWJ-1-650/1（铝壳/钢壳）
1
750
1
1500
1600
电动/液压
GWJ-1-1000/1（铝壳/钢壳）
1
750
1
2400
1600
电动/液压
（铝壳/钢壳）
800
1
2400
1600
电动/液压
（铝壳/钢壳）
1000
2400
1600
电动/液压
（铝壳/钢壳）
1500
2400
1600
电动/液压
GWJ-2-1000/（铝壳/钢壳）
2
1000
2400
1600
电动/液压
GWJ-2-1500/（铝壳/钢壳）
2
1500
2400
1600
电动/液压
GWJ-3-1500/（铝壳/钢壳）
3
1500
2400
1600
电动/液压
GWJ-3-2000/（铝壳/钢壳）
3
2000
3000
1600
电动/液压
GWJ-5-2500/（钢壳）
5
2500
3000
1600
液压
GWJ-7-3000/（钢壳）
7
3000
4000
1600
液压
GWJ-10-5000/（钢壳）
10
5000
4000
1600
液压
2、设备运行要求：
海拔高度：
＜3000m
环境温度：
5-42℃
相对温度：
＜90%（平均温度不低于20℃）
环境要求：
周围无导电尘埃，爆炸性气体及严重破坏金属和绝缘的腐蚀性气体无明显的震动和颠簸
安装方式：
户内
二、控制技术特点简介
1.为并联逆变器研制开发的第五代智能控制器，已广泛应用于各种金属的熔炼、保温及感应加热设备的电源控制。
2.控制器为单板全集成控制板，采用数字触发，具有可靠性高、精确性高及调试容易，继电元件少。
3.先进的扫频式类它激、零电压启动技术，启动成功率达100%。
4.逆变控制参考美国（ABB、pillar、Ajax）公司、日本富士电机等国外先进控制技术。
自行开发的逆变控制技术，具有极强的抗干扰能力。
5.自动跟随负载变化，运行时具有非故障性的自动再启动功能以及功率自动调节功能。
6.具有理想的限流、限压，特有的关断时间或逆变角控制，保证设备可靠运行。
7.具有完善的多级保护系统（水压、缺相、欠压、过流、过压、关断时间、直通、操作联锁等）。
8.具有较高的变频效率1000Hz及以下大于96%。
第二部分中频感应炉炉体使用说明
一、结构简介
1.炉体部分
中频炉机械部分由炉体、水电引入系统、倾炉装置等组成。
炉体
炉体包括炉壳、感应器等。
1.1.1炉壳
由两半铸铝炉壳型连接而成，具有刚性好，结构紧凑，维修方便等优点，其回转轴承孔一次加工而成，确保了同心度，使炉壳及回转轴在倾炉过程中不会因不同心而变形。
1.1.2感应器
感应器是炉体的心脏，它不仅直接影响到炉体功率的吸收，其设计的合理性及制造质量直接影响到炉衬使用寿命。
由我们生产的感应器具有以下特点：
a）感应器参数由计算机进行优化设计，得到一组最满意的技术参数，供设计人员进行结构设计。
b）感应器均采用厚壁优质T2紫铜管，在专用绕制设备上绕制成型，在工艺及设备上保证了制造质量及线圈内壁的平整性，进一步提高了炉体的使用寿命。
c）感应器匝间距通过足够数量的环氧立柱加以固定，使感应线圈成为一体，从而减少工作时的震动和噪音。
水电引入系统：
炉体水路互相并联，通常采用开启式软化水冷却。
（见水系统原理图）
1.2.1水电引入均采用后出线形式，减少了线路损耗，提高了水冷电缆的使用寿命。
1.2.2水系统内在总进水管上应装有压力传感器，以便调整各冷却支路的水流量，保证设备的正常运行。
1.2.3水冷电缆采用冷压成型工艺与铜绞线压接。
这种方式连接坚固，接触电阻小，不损伤铜绞线并可快速更换，能承受的水压而不泄漏或破裂。
倾炉系统
倾炉机构采用蜗轮蜗杆减速机（电动、手动）。
2.中频电源简介：
中频电源电柜：
采用上进下出线。
柜内布置简洁合理，主电路与控制电路隔离，易损件更换方便，有必要的安全保护措施。
2.1.1主电路：
本电源采用可控硅并联谐振电路，它具有可靠性高，保护容易，且逆变桥对触发脉冲有一定的容错能力，较之串联谐振电路和IGBT电源易于实现短路保护，是国外大公司首选的电源结构。
逆变可控硅选用国产品牌，电流电压的储备数≥倍，整流元件选用国产品牌，所有可控硅都是经过严峻的72小时连续高温阻断和全动态测试，使装机元件具有极高的可靠性；对元件的外部吸收参数进行瞬间动态优化筛选，从而使换相尖峰电压对元件造成的不可逆劣化减少到最小，从根本上提高了设备的使用寿命。
2.1.2补偿电容器：
选用国产品牌产品——新安江电力电容器厂生产的专用大容量电热电容器，使成套设备占地面积尽量缩小。
2.1.3控制回路：
（1）采用全数字超大规模集成电路、单板结构，所有器件都经过高温老化筛选。
控制电路采用数字控制，抗干扰能力强，除完成常规的整流、逆变、过压、短路、限流、限压的控制功能外，还带有故障自诊断功能和故障延时功能。
（2）采用零电压智能扫描启动电路，确保带坩锅模启动和满炉、冻炉启动的可靠性；同时具备常规的自动重复启动功能。
（3）输出功率连续可调，以满足烘炉、熔化、升温、保温的需求。
（4）专门设计的逆变角控制环路，可根据负载工况，通过控制逆变角实时调整等效负载阻抗，使电源和负载处于最佳匹配，使电源一直处于可能的最大出力状态，功率因数可达以上，最大限度地发挥了设备的出力。
这样在整个工艺允许的工况范围内，设备可达到恒功率输出，加快了熔化速度；达到额定温度后，可实现自动保温，节约了电能。
（5）输出功率的调节只需一只电位器，实现了“傻瓜”操作，避免了由于误操作损坏设备。
在生产过程中也无需对电源状态进行专人值守和除功率给定以外的其它操作。
（6）电压、电流采用双闭环无差控制，不但可克服电网波动和负载变化的扰动，而且在限压限流工况时为无差调节，没有传统截压、截流工况所造成的设备出力损失。
二、使用说明书
1、用途：
本产品用于熔炼及保温各类铸铁、铸钢，本说明书适用于～5tGWJ系列（铝壳炉体）中频无芯感应熔炼炉和GWJB系列中频无芯感应保温炉。
2、产品技术参数：
见相应规格的电炉总图“主要技术参数”表。
3、技术要求：
产品应符合GB100673,JB4280标准中的有关规定及本企业标准要求。
产品在下列条件正常工作；
3.2.1海拔不超过3000米；
3.2.2环境温度在+5～40℃
3.2.3相对湿度90%；
3.2.4工作场所没有导电性尘埃和对金属绝缘材料破坏作用的腐蚀性气体；
3.2.5冷却水质及要求：
ａ、PH值在6～9范围；
ｂ、硬度不大于10°G（1°G等于1公斤水中含有10mgCaO当量）；
ｃ、总固体含量≤250mg/l;
ｄ、电阻率要适当的高，不同工作电压下的值为：
工作电压V
水的电阻率Ω－cm≥
～1000
2000
＞1000～2000
6000
＞2000～3000
14000
ａ、对于中频电源的二次冷却水必须进行过滤，消除水质中的各类杂质，以免堵塞冷却管道引起事故。
ｂ、进水温度+5～35℃；出水温度不超过55℃；进水压力～0.４Mpa。
4、工作原理：
工作原理就是电磁感应定律的实际应用之一。
我们将感应器作为一次线圈，坩埚中的金属作为二次线圈。
当给感应线圈通上交流电时就产生交变磁通，此磁通的大部分交链着坩埚中的金属炉料，于是在炉料中产生感应电势，又由于炉料是导体且呈闭合回路，在该感应电势的作用下产生强大的感应电流I，又由于电流的趋表效应和炉料有电阻R，因此产生大量焦耳热，从而使炉料加热以至熔化。
用电热转换公式表示如下：
热能公式：
W=I2Rt（焦耳）
热能公式：
Q=（卡）
式中：
I为炉料中的电流A；R为炉料电阻Ω；t为通电时间sec。
5、炉衬材料、筑炉和烧结：
本系统安装尽管不是很复杂，但要求很高。
这是因为工作场合特殊的缘故——强大的电能、水流、高温熔化金属及油压系统等皆工作在一个十分紧凑的矛盾环境中，特别是炉衬制造质量、维护水平及操作人员的责任心都会影响炉衬寿命，甚至于发生漏炉，加之操作不当，严重的话，还会引起金属喷溅和爆炸事故。
所以，必须引起高度重视、这里仅就容易发生毛病的炉衬问题加以说明。
炉衬必须能耐高温，有很高的高温机械强度、良好的热化学稳定性和电气绝缘性能。
此外，还必须有较小的热膨胀系数，耐剧冷剧热性能好。
（线圈耐火胶泥必须充分干燥）
铸铁熔化常用石英砂做炉衬，按一定粒度配比，加入适量硼酸做粘结剂，然后搅拌均匀即可用。
对石英砂要求碱性杂质少，金属氧化物少，石英含量要高，其成分如下：
SiO2～%
Al2O3～%
Fe2O3～%
TiO2～%
石英砂中应无夹杂物,并经手拣和磁选,过筛后在120℃左右烘干5～6h,除去水分（一般含量%左右）。
石英砂粒度配比：
粗颗粒在炉衬中起骨架作用，增加炉衬强度；细颗粒起填充和粘结作用。
为了获得更高致密性的炉衬，根据生产实践，推荐采用以下配方，供参考：
6—8目：
30%；10—20目：
20%；40—70目：
15%；70—140目：
15%；200—270目：
20%
外加工业硼酸～%，工作温度越高硼酸量越小，一般的配比：
炉底～%；炉壁～%；炉口～%。
炉衬结构一般如下图所示，铺设顺序由外向里逐次进行（具体见提供的“炉体”图纸）。
每层接缝处搭接宽度30～40mm，应铺得紧贴外层，然后轮番用“涨圈”固定，不使下滑脱落。
打结料必须搅拌均匀，防止杂质混入和二次吸潮。
近年来国内已能提供专用各种石英砂混合料，为密封袋包装，可以较长期保存，用户可直接用此炉料，不必再行搅拌，且料中含有硼酸，烘炉时间缩短。
筑炉工具：
筑炉工具有手工和电动两种。
前者需自制，常用手工筑炉工具有钢叉、平锤等。
：
“手工—电动”筑炉机，用的钢叉与平锤比上图大些，将电振机头与钢管连接，1-2人操作，比手工效率高一倍以上。
还有部分机械化大型筑炉机“电动、气动”，效率更高，只要准备工作充分，全部筑炉时间在～小时内全部完成，且质地均匀。
手动筑炉：
5.6.1炉底：
先将“第一电极”束好，留出足够长度后，其余部分穿入炉底孔中并用石棉绳塞紧，用砂浆充填封口。
炉底分层，填沙捣打，第一层铺100mm厚，以后每层铺60～80mm，用钢叉捣打，由4～5人同时进行。
由于各人捣打有差异，故要求一边捣打，一边绕炉口移动，连续捣5～6遍再用平锤捣实，然后扒松表层，续填下一层沙，这样做不易分层。
5.6.2炉壁：
炉底打到比预定厚度高出20～30mm时，将多余部分铲掉刮平，用水平仪校正炉底水平，检查至炉顶尺寸，再用平锤捣一遍，将第一电极外露50mm剪断，放入坩埚钢模。
找正中心，并用木楔将其固定（对于7～10吨以上坩埚模可分成两段，便于手工打结），开始打结炉壁。
因为炉壁比炉底薄得多，经受温差变化大，铁水冲刷剧烈，所以要特别致密地捣打。
炉口部位300mm以上另加上水玻璃溶液（1：
1）5～6%。
每层打结方法同上。
烘炉与烧结：
烘炉与烧结炉衬是获得优良高温强度的一个重要环节。
烧结工艺是根据是石英砂的多晶转化特性和炉子的容量决定的。
5.7.1为了供用户制定炉衬烘炉烧结工艺规程，这里给出“石英砂—硼酸”系炉衬烘炉过程中的转化和升温速度原则，供参考：
温度℃
炉衬的内部变化
升温速度原则
＜500
主要是排除水分，包括硼酸变为硼酐放出的结晶水
炉衬松散状，水蒸汽易透出，但炉衬四周妨碍蒸汽外逸，前期速度可快点，在400℃左右保温排气1h
500～650
硼酸开始变化，低温石英开始转变，周界出现液相
防止硼酸蒸发转移，应加快升温速度
650～850
无石英转变
考虑炉衬均温，继续快速升温
850～1250
石英开始向鳞石英转变但不激烈，进入初步烧结
减慢升温速度
＞1250
石英激烈转变为鳞石英，在1470℃又向方石英转变
膨胀开裂倾向很大，应慢速升温，在1500℃～1550℃保温2～3h
必须指出：
SiO2多晶转变是十分缓慢的，即使烘炉烧结完成，那也是表层很薄一层，经过加厚至10～30mm，这与炉温有关。
靠近感应器为松散层，靠铁水为烧结层，中间为过渡层。
这一结构特性能防止透烧开裂，能保持炉衬整体性和可靠性，对不断促使炉衬致密化是十分有益的，这是其他一般耐火材料所不具备的优点。
烘炉烧结的要领是：
低温缓慢升温，高温满炉烧结，炉料要求低碳少锈。
整个过程分三个阶段进行。
5.7.2烘炉阶段：
坩埚模到达1100℃以前，必须缓慢加热，以便硼酸中的结晶水（约占重量43%）和炉衬材料中的水分慢慢排出炉外。
此外，还因为石英在573℃、867℃和1025℃时有多晶转变，引起体积膨胀，在此区间缓慢加热可以使局部膨胀应力分散开，裂纹少，故升温速度以100～140℃/h为宜，需9～12h。
5.7.3熔化阶段：
当坩埚模的温度达1100～1200℃时陆续加入小块料，为减小炉温波动过大，每次投料不宜过多，以200～400kg左右为宜，当全部熔化使铁水面上升至炉口250mm左右为止。
此阶段前期（未熔化）功率较高，约为60%额定功率，可使炉料迅速升温，降低炉衬温差。
待全部熔化前，应立即降低功率减少冲刷力继续升温，需时约5h以上。
5.7.4烧结阶段：
继续升温至1550℃左右后保温2～3h，以使炉衬在高温成具有足够强度的硬壳，然后倾出全部铁水，检查炉衬表面烧结状况，在返回1/2炉铁水，加料连续熔化至少2～3炉方可停炉。
在此阶段中，由于炉衬中仍含有水汽，防止对感应圈绝缘的影响，炉衬强度较差，减少金属液搅拌冲刷的危害，所以送电功率不超过75～80%额定功率，谨记。
5.7.5保温、冷却：
炉子保温或空炉冷却时，应盖好炉盖，周围封严，减少供水量，以便炉衬缓慢冷却达到均匀收缩，减少裂缝。
5.7.6利用其他
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