感應加熱爐的介紹及其高效節(jié)能分析

劉四林（中冶華天工程技術有限公司，江蘇 南京 210019）

1 感應爐簡介

與火焰加熱相比，感應加熱的加熱速度快，加熱溫度高，對材料的加熱溫度和加熱區(qū)域也較易控制，不污染環(huán)境，且可以進行真空加熱，同時感應加熱裝置的機械化和自動化的程度也相對較高。因此，感應加熱技術和裝置在冶金領域被廣泛采用，如鋼坯的熱處理，鋁、銅等金屬的熔煉。

1.1 感應加熱原理

感應加熱主要是用通交流電的感應器產(chǎn)生交變的電磁場，在位于磁場中的導電性物料中產(chǎn)生感應電動勢和電流，感應電流在物料內(nèi)流動過程中產(chǎn)生感應電動勢和電流，感應電流在物料內(nèi)流動過程中克服自身的電阻作用而產(chǎn)生熱。感應加熱就是電磁熱之間轉換的過程。

1.2 感應爐的分類

感應爐按電源頻率可分為工頻、中頻和高頻感應爐，其中中頻和高頻感應爐需要變頻設備。按結構可分為無心感應爐和有芯感應爐，按工藝可分為感應熔煉爐和感應加熱爐。

高頻感應爐頻率為10000Hz 以上，適合的特種鋼和特種合金冶煉；中頻爐感應爐頻率為50-10000Hz，中頻爐的容量和輸出功率較大，因此主要用于特種鋼、磁性合金和銅合金等的熔煉；而工頻爐主要用于鑄鐵和鋼，特別是高強度鑄鐵和合金鑄鐵的熔煉以及鑄鐵溶液的升溫、保溫和成分調(diào)整等，同時也用于銅鋁等有色金屬及其合金的熔煉，但工頻爐容量小時不經(jīng)濟[3]。而有芯感應爐比無心感應爐更聚磁，具有加熱速度快，電效率高，金屬燒損少等優(yōu)點。

2 感應加熱爐的筑造

2.1 感應加熱爐的爐襯材料

為了提高感應加熱爐的電效率和功率因素，則爐襯越薄越好，但是太薄又會影響爐襯的強度，所以爐襯材料選擇要有較高的常溫和高溫強度，荷重軟化溫度必須要大。同時加熱過程中爐溫變化頻繁，電動力也很大，因此爐襯材料的熱穩(wěn)定性要好，抗沖擊能力強，耐磨性要好，并且常溫和高溫下是良好的絕緣體。

2.2 感應加熱爐的線圈

線圈選擇紫銅材料，經(jīng)過搗打定型之后制成方形銅管，同時要經(jīng)過退火，消除內(nèi)部金屬應力，避免整形或焊接定型中導致銅管破裂。線圈銅管之間的間距不能太近，以防接觸，同時外圍線圈要經(jīng)過打磨并刷上絕緣漆。

2.3 爐襯成型與烘爐工藝

圖1 爐襯烘干曲線

爐襯是整體澆搗成型，耐火泥漿填滿線圈匝間，感應器與爐襯澆灌成一個整體，線圈加固了爐襯，增加了爐襯強度。爐襯成型工藝簡單，使用過程中如有損壞，也可現(xiàn)場進行修補。同時，在使用前必須對爐襯進行初始烘干操作。如中頻透熱爐爐襯可按圖1所示的曲線進行烘干操作，其中：先以120-150℃的烘烤溫度保溫2 小時，然后以500-600℃烘烤溫度保溫3 小時，最后以800-950℃保溫2小時。

3 感應加熱爐的高效節(jié)能分析

對于感應加熱爐在電能、磁能及熱能的轉換過程中有以下幾種能量損失：(1)電磁感應器有電阻，必然在感應器上會產(chǎn)生電能損失；(2)電能轉換成的熱能有一部分通過爐壁散失掉；(3)在加料和出料的過程中，由于熱輻射也會造成一部分輻射熱損；(4)配電設備也要消耗一部分能量[4]。同時，使物料快速被加熱，并且加熱溫度均勻也一直是感應加熱爐需要不斷提高的性能要求。因此，在近些年來感應加熱爐在電源配置、諧波治理及自動控制方面取得了很多新發(fā)展，得到了較好的節(jié)能效果。

3.1 電源配置

對于高頻和中頻感應爐，均要進行變頻處理。通常是把三相工頻交流電通過三相全控整流橋整流為直流，再經(jīng)過直流電抗器進行濾波，然后由逆變橋?qū)⒅绷麟娮儞Q為單相中頻交流電供給負荷（感應器和補償電容）。目前，還經(jīng)常采用串聯(lián)或并聯(lián)逆變電路，來提高功率因數(shù)，提高生產(chǎn)效率，達到快速生產(chǎn)且節(jié)能的目的。

3.2 諧波治理

傳統(tǒng)上通常采用LC 濾波器進行諧波抑制，因為濾波電容器、電抗器和電阻器的適當組合，與諧波并聯(lián)，可以起到濾波作用，還可以進行無功補償?shù)男枰C濾波器的設置，成本較低，但是濾波效果不太好。而有源電力濾波器是一種較新的諧波抑制方法，它是一種電力電子裝置，主要是通過補償裝置產(chǎn)生一個與被檢測到的諧波電流大小相等極性相反的補償電流。這種濾波器其成本較高，企業(yè)很難承受[5]。所以，通常將兩者進行混合使用，既可以進行有效抑制諧波，造價也不是很高。

3.3 PLC自動控制

PLC控制系統(tǒng)可以最大限度的滿足被控對象控制要求的前提下，還可以使控制系統(tǒng)簡單安全可靠。如通過PLC控制系統(tǒng)可及時采集溫度信號，然后調(diào)節(jié)電壓電流，進而調(diào)節(jié)電源的輸出功率，對感應爐的溫度及時進行調(diào)節(jié)。因此，PLC控制系統(tǒng)的引入且不斷提高，可以使感應加熱爐在溫度控制和電效率提高方面得到不斷的完善和改進。

4 結語

感應加熱技術及感應加熱爐已經(jīng)發(fā)展的較為成熟，也被廣泛應用于各種加熱和熔煉工藝中。對于感應加熱爐來說，其在內(nèi)襯材料、線圈的選擇和整體的筑造烘爐方面有著嚴格的工藝要求，進而才可以在溫度變化快，電動力大，震蕩大等環(huán)境下穩(wěn)定工作。同時，對感應加熱爐的電源、諧波治理和整體的自動控制方面的不斷發(fā)展提高，將有利于電效率和熱效率的提高，同時也將有利于加工后的工件具有優(yōu)良的使用性能，因此在這些方面還有待繼續(xù)加大研究。

[1]郭茂先.工業(yè)電爐[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2002：125-126.

[2]羅波，吳希剛，何曙光，賈朝國.中頻感應加熱在鍛造中的節(jié)能應用[J].電世界，2015，1：34-35.

[3]王成剛，馬順龍.用中頻感應電爐熔煉鑄鐵的幾個技術問題[J].熔煉技術，2012，4：43-46.