中頻爐熔煉鋁合金節能探討

周美霞,李 鵬,劉福平

(廣州有色金屬研究院,廣東廣州 510650)

中頻爐熔煉鋁合金節能探討

周美霞,李 鵬,劉福平

(廣州有色金屬研究院,廣東廣州 510650)

通過對中頻感應加熱的原理及能耗分析,結合使用試驗,提出了合理選用導電電纜線長度、截面積以及將電纜線并聯使用、設計最佳爐襯厚度、制定合適的添加爐料操作工藝等方法,可明顯降低中頻感應加熱熔煉鋁合金的能耗,是中頻感應加熱爐熔煉鋁合金有效的節能途徑。

感應加熱爐;熔煉;鋁合金;節能

1 引言

感應加熱爐與其它類型的金屬熔煉設備相比具有熔煉能耗低、金屬燒損少、溫度和化學成分控制方便及操作靈活等優點[1,2];同時,感應加熱爐熔煉過程的作業環境好及對環境污染小。中頻感應加熱爐尤其是工業生產中熔煉鋁合金的重要設備[3]。

鋁的導熱系數大,其熱損失相對小;但鋁較小的電阻率及導磁率,卻導致其在熔煉過程中的吸收電功率的能力低。探討提高熔煉鋁合金的電效率,以便降低中頻感應加熱爐的電耗,不僅節能意義大,而且對中頻感應加熱爐的科學使用及應用推廣也有促進作用。

2 中頻感應加熱爐的能耗分析

2.1 中頻電源裝置及原理

1966年瑞士制造出第一臺如圖 1所示的可控硅中頻電源裝置,中國于 1971年制造出此裝置[4]。

圖 1 中頻電源裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram for the medium frequency induction heating equipment

由圖 1看出,中頻感應加熱裝置是使交流電通過感應線圈時,在其周圍激發出中等頻率的交變磁場,這個交變磁場穿過爐內被熔煉或加熱的金屬爐料,在其中生成感應電動勢,從而在金屬爐料中產生強大的感應電流。由于金屬爐料本身具有電阻,為克服電阻,在金屬爐料中流通的電能便在其中轉化成熱能,加熱金屬爐料或使之熔化。

2.2 能耗分析

由于鋁是非磁性金屬,且其液態電阻率僅為液態鋼或鐵的 1/4左右,故其加熱電效率相對于煉鋼或熔鐵是較低的。從圖 1看出,中頻感應加熱裝置在電能、磁能及熱能的轉換過程中,有以下幾方面的能量損失:

(1)在感應線圈通入中等頻率的電流產生交變磁場的過程中,感應線圈本身存在電阻,因此,感應線圈必然產生能耗。

(2)交變磁場在金屬爐料中轉變成的熱能,雖大部分被金屬爐料吸收,用于加熱或熔化金屬爐料,但爐壁及爐蓋也吸收一部分能量使其加熱,并通過輻射向外界散失一部分能量。

(3)配電裝置如:電抗器、電容器及水冷電纜和供電母線硬銅排等,均需一部分電能。

綜上所述,要節約能耗,需在減少熱損失及提高能耗利用率上想辦法。以下將對中頻感應加熱裝置在使用時可改變的參數進行節能途徑探討。

3 節能途徑探討

3.1 水冷電纜

根據線路功率損耗公式[5]:

式中:n為水冷電纜的條數;ρ為電纜線的電阻率,Ω·mm2/m;I為電纜線的負荷電流,A;L為水冷電纜的長度,m;S為電纜線的截面積,mm2。

由式 (1)可知:

(a)縮短導電水冷電纜的長度L,可降低其線路的功率損耗,因此,在滿足使用的條件下,應盡可能縮短導電水冷電纜的長度。

(b)增加水冷電纜的條數 n,且并聯使用,可獲得明顯的節能效果。

當電纜的條數 n=2時,有:

而當電纜的條數 n=4,且每兩條分別并聯使用時,I2=I1/2此時:

由式(3)可知,采用 4條電纜,且每兩條分別并聯使用時,其線路的功率損耗是 2條電纜的一半。

(c)合理增加導電電纜的截面積 S,S與線路的功率損耗ΔP成反比,故合理增加導電電纜的截面積 S,亦可明顯降低導電電纜線路的功率損耗。雖然增大導電電纜的截面積將使銅的一次性投資增多,但節約的能耗費用可抵消增多的投資成本,并從中可設計合適的電纜截面積。

3.2 感應線圈與金屬爐料間的間隙

當設定金屬爐料為實心圓柱體時,由電磁場理論可得到感應線圈與爐料之間的間隙(包括耐火隔熱層、爐襯及爐襯與爐料之間的間隙)所損耗的單位長度無功功率 P無:

式(4)中:d1為感應器銅線圈的內徑,m;d2為金屬爐料的直徑,m;f為電源頻率,Hz;h為感應線圈內徑與爐料之間的間隙,其值等于(d1-d2),m;N為感應器銅線圈單位長度的匝數;I為感應器銅線圈上流過的電流,A。設備中的N、d1為常數。

式(4)經變換后可得:

生產實踐中 h/(2d1)約在 1/10～1/20,當該項忽略時,則式(5)變為:

由式(6)可知,感應爐的無功功率 P無與感應線圈與爐料之間的間隙 h成正比,故筑爐時應盡可能減少爐襯的厚度(感應線圈內壁與爐壁的距離)。

從圖 2看出,爐襯愈薄,漏失的磁通愈少,流入爐料的有效磁通相應增多,爐料獲得的有功功率增大,故爐料的電效率提高,因此,減少感應線圈內壁到爐壁之間的距離是提高爐子電效率的有效途徑。但從延長爐襯壽命來考慮,又希望爐襯厚一些[6],以便熔煉時爐襯能更好地承受鋁液的沖刷和損蝕。如何兼顧這兩方面的考慮,選擇最佳的爐襯,需根據爐襯材料及熔煉工藝進行研究確定。

圖 2 感應加熱爐內磁通Fig.2Magnetic linesof force for themedium frequency induction furnac

3.3 熔煉操作工藝

根據式 (6)感應爐的無功功率 P無與感應線圈與爐料之間的間隙 h成正比可知,若在大塊爐料與爐子內壁的間隙中填滿碎爐料,可減少爐內壁與爐料間的間隙,從而使 h減小,降低感應爐的無功功率 P無;同時,這樣的加料方法亦易使感應加熱滿負荷運行,達到縮短熔煉時間和節能降耗的目的。

我們對 200kg中頻煉鋁爐所做的試驗表明:爐內的爐料容積不小于爐子容積的 60%時,感應加熱基本能滿負荷運行。

我們所做的試驗還表明:由于感應爐的無功功率 P無與感應線圈中的電流 I成正比,若冷爐或者爐中無剩余熔液加熱爐料時,在滿足熔煉速度要求的條件下,適當控制中頻功率,即控制中頻電流,可以有效控制無功功率。熔煉完畢,若每次傾爐后爐內留有約 1/3余液,此時加料熔煉,可節約能耗約 28%;若每次傾爐把爐液倒空,爐襯經過急冷急熱變化,易剝落和產生龜裂,從而使爐襯的使用壽命縮短。加入爐內的金屬爐料直徑愈大,表面積愈小,爐料加熱和熔化的速度越快,其熔損也就愈低[7-8];如果加入的爐料直徑小于電流在金屬中的透入深度 (其值為[9]50.3×[ρ∕ (μf)]1/2,其中:ρ為金屬爐料的電阻率,μ為金屬爐料的導磁率,f為電源頻率)時,爐料的感應加熱將會變得緩慢甚至困難,其熔煉時間和電耗均將明顯增加,故所加的爐料應選用大塊金屬料,并盡量靠近爐壁有規則裝入。

4 結論

在中頻感應加熱熔煉鋁合金的過程中,選擇合適的導電電纜線長度、截面積以及將電纜線兩兩并聯使用,可獲得明顯的節能效果,是節能的重要途徑。根據爐襯材料及熔煉工藝進行研究確定最佳的爐襯厚度,是使在中頻感應加熱熔煉爐獲得較佳電效率的有效途徑。使用合理的加料方法,使中頻電源在額定電壓下工作時,提高熔爐的負荷率,可明顯降低中頻感應加熱熔煉鋁合金的能耗,是節能降耗的有效方法。

REFERENCES

[1] 西安電爐研究所.感應加熱技術應用及其設備設計經驗[M].北京:機械工業出版社,1975.

[2] 李恩琪,殷經星,張武成,等.鑄造用感應電爐[M].北京:機械工業出版社,1997.

[3] 王業雙,俞繼志,楊建榮,等.鋁合金在中頻感應爐熔煉條件下的精煉工藝探討[J].特種鑄造及有色合金,2003增刊:28.

[4] 宋文林編.感應爐煉鋼問答[M].北京:冶金工業出版社, 1997:49-50.

[5] 王兵.鋅合金熔煉用工頻感應爐節能措施探討[J].工業加熱, 2006,35(2):64.

[6] 魯靖國.影響感應電爐坩堝使用壽命的因素分析 [J].熱加工工藝,2003,(6):68.

[7] 修毓平.鋁合金熔渣與熔損問題淺談[J].特種鑄造及有色合金,2005,25(5):312.

[8] 張洪峰,楊樣,徐通生.鋁合金一次熔煉技術的應用[J].熱加工工藝,2006,35(13):29.

[9] 有色金屬加工手冊編寫組,重有色金屬加工手冊第二分冊[M].北京:冶金工業出版社.1979:75-76.

D iscussion to Energy Saving forM edium Frequency Induction Furnace in Alum inum Alloy Production

ZHOU Mei-xia,L I Peng,L IU Fu-ping
(Guangzhou Research Institute ofNon-ferrousMetals,Guangzhou,Guangdong,China 510650)

By analyzing the theory and energywasting ofmedium frequency induction heating furnace,the paper raises out some methods to reduce the energy consumption of the furnace.Thesemethods include findingproper length and section size of the power cable,parallel connection of cable,designing proper liningmaterial thickness,and determining right process of feeding the furnace.

medium frequency induction furnace;Smelting;aluminum alloy;Energy saving

book=74,ebook=23

TF748.42

A

1009-3842(2010)02-0074-03

2010-05-10

周美霞(1956-),女,廣東開平人,工程師,學士,主要從事設備電氣自動化的應用及設計工作。E-mail:liufp_2008@126.com