中频感应炉(设备篇)

中频感应电炉(设备篇)•概述(感应炉组成、电源装置、工作原理)•中频感应电炉的筑炉技术2020/6/122一、概述工频感应炉：是以工业频率的电流（50Hz或60Hz）作为电源的感应炉。我国采用50Hz的电源。工频感应炉不需要变频设备。工频感应炉主要用于铸铁的熔炼，此外还可用为保温炉使用。中频感应炉：所用电源频率在150～10000Hz范围内，其常用频率在150～2500Hz范围内。中频感应炉需要变频设备。中频感应炉广泛地用于钢与合金的生产部门，而且在铸造部门也得到了广泛的应用。高频感应炉：所用电源的频率在10000Hz以上，最高达1MHz。高频感应炉需要变频设备。高频感应炉的容量因受电源功率的限制，一般在100kg以下。高频感应炉主要用于实验室进行科学研究。高频电源设备可以配置淬火设备，用于热处理部门进行机械零件的表面淬火。2020/6/123一、概述中频感应炉的设备可分为机械设备和电气设备两大部分。机械设备包括炉体、倾炉装置及水冷系统。电气设备包括中频电源、补偿电容器组及电气控制保护系统。中频电源是中频感应炉的关键设备，为了提高电气设备的利用率，通常一套电源设备配置两台炉体，一台炉体生产使用，另一台炉体备用。当一台炉体的坩埚用坏了需要拆换时，电气设备可以接到另一台坩埚已制作好的炉体上，继续工作。炉体轮换工作，而电气设备不停歇。2020/6/1241中频感应炉的组成感应炉的构造见图1，用铜管单层卷制成感应线圈，而在水冷感应线圈内有耐火材料打结的坩埚用以容纳熔炼金属。感应炉通常由4部分组成：电源、炉体(主要是感应圈以及感应圈内用耐火材料制备的坩埚)、电容器组(用来提高功率因数)、控制和操作系统。2020/6/125感应炉的炉体结构图1.感应器2.坩埚3.转动轴4.炉架5.电源线6.倾炉液压缸采用单缸或双缸液压系统倾炉是应用最广泛的方法。它具有操作平稳，结构紧凑等优点。2020/6/1262020/6/1272中频感应炉的电源装置中频感应炉的电源装置主要有中频发电机组、可控硅中频电源和倍频器三种。中频发电机组中频发电机组是较早采用的中频感应炉电源装置，在60年代以前居感应炉电源的统治地位。它是由电动机拖动中频发电机发出中频电源的，其原动机就是普通的交流或直流电动机。中频发电机又分为普通中频发电机和感应式中频发电机两类。普通中频发电机的输出频率低于500Hz，而感应式中频发电机的输出频率最高可达10kHz，故感应式发电机应用较普遍。中频发电机组供电的感应炉的主电路如下图所示。主电路包括断路器、中频发电机组、电容器及感应器线圈等。2020/6/1282020/6/1292中频感应炉的电源装置可控硅中频电源可控硅中频电源（晶闸管变频器电源）是近年来随着电力电子技术的发展而发展起来的新型感应炉电源装置。1966年瑞士制造出第一台可控硅中频电源设备。我国于1971年制造出可控硅中频电源设备，此后逐渐形成系列，并逐步取代了中频发电机组。由可控硅中频电源供电的感应炉主电路如下图所示。由于可控硅中频电源克服了中频发电机组的一系列缺点，因此得到了广泛的应用。但使用中必须注意它的过载能力较差的弱点。2020/6/12102020/6/12112中频感应炉的电源装置倍频器倍额器于20世纪初在国外出现，直到50年代才应用于感应炉上。倍额器是适合于大型感应炉的电源，容量大、效率高、制造简便，国际上仍有广泛应用。倍频器实质上是一个结构特殊的倍频变压器，常见的是三倍频变压器，在其初级线圈中通入工频电流(我国工频是50Hz)。在其次级线圈即可得到三倍于工频电流的中频电源。2020/6/12122中频感应炉的电源装置由三倍频器供电的感应炉主电路见下图。三倍频器的主要设备是一个与饱和电抗器形状相似的变压器。接线方式有两种（如图示）。大功率的三倍频器多采用图中a的接线方式。变压器的铁芯工作在饱和状态，当外施三相正弦交流电压时，变压器线圈中的会发生畸变，除基波外尚有显著的3次谐波，三相中3个3次谐波电流方向相同，大小相等，在变压器次级绕组中也感应出谐波电势。由于相位相同，3次谐波振动最大，而所含的奇次谐波很弱。这样负载中通过的主要是3次谐波电流。三倍频变压器的铁芯应使用低损耗的硅钢片来制作，在理想的条件下，三倍频电源装置的效率可达90％以上。轻载时效率很低。三倍频电源装置优点：是一种静止的电源装置，噪声和振动小，过载能力大，电气系统简单，造价低，维护方便。2020/6/12132020/6/12142020/6/12153中频感应炉的工作原理感应炉类似1台空气芯(没有铁芯)的变压器，感应圈相当于变压器的主线圈，坩埚中的炉料相当于变压器的副线圈，但这个副线圈只有一圈而且是闭合的。当感应圈接通交流电源时，在感应圈中间产生交变磁场，交变磁场切割坩埚中的金属炉料，在炉料中产生感应电路，所以在炉料中同时产生了感应电流—“涡流”，炉料就是靠“涡流”加热和熔化的。感应炉熔炼是根据电磁感应原理，靠感应圈把电能传递给要熔炼的金属,在金属内部将电能转变为热能，以达到熔炼目的。感应圈与熔炼的金属不是直接接触的，电能是通过电磁感应传递的，这就是感应炉与电弧炉等其它电炉在作用原理上的不同之处。2020/6/12163中频感应炉的工作原理加热电源向感应圈通入交变电流而产生同频率的交流磁通，在感应圈内的炉料产生感应电动势，使炉料发热，按此原理进行的加热称为感应加热。为了将炉料加热到一定温度使之熔化，要求炉料中的感应电动势e尽可能地大。这有两条途径：增大通过线圈的电流I或提高电源频率f。在感应炉中，采用较高频率的电源，则磁场就较强，在同一金属内所产生的功率密度就较大，炉料受热速度较快。感应电流及炉料发热量的大小，不仅与炉料的外形有关,还与材料有关，与金属炉料的电阻率、磁导率有关。2020/6/12173中频感应炉的工作原理在冶炼过程中，可以看到熔化了的金属液在坩埚的中心部分向上隆起（“驼峰”现象），上下翻腾。这是因为在金属液中被感应生成的涡流的方向与感应圈中通过的电流方向正好相反，因此在它们之间产生了互相排斥的作用；另一方面，可以设想把坩埚内的外围金属柱分成一系列平行于感应圈的“圆环”，因为它们之间感应电流方向相同，这些“圆环”之间将互相吸引，造成外围液体金属柱力图压缩。这样，使熔化了的金属液被推向坩埚中心，引起搅拌。电磁搅拌作用有利于夹杂、气体的排除及温度、合金成分的均匀化，但使金属液中部突起，必须增加渣量才能覆盖熔池，而渣量增加对炉衬寿命是不利的，因为当猛烈搅拌时，一部分炉渣可能被带入金属熔池，使金属加渣，此外还会增强金属液对坩埚壁的机械冲刷。2020/6/12182020/6/12192020/6/1220二、中频感应电炉的筑炉技术中频感应电炉的坩埚是在一系列物理、化学作用条件下进行工作的。在工作过程中，它要承受熔炼过程中的高温作用；加料时，金属炉料对其的冲击；炉渣的化学侵蚀以及间断生产时所产生的急冷急热的温度变化等。使用中坩埚因裂纹、局部侵蚀和局部剥落等因素而造成损坏，甚至引起“穿炉”。所以，坩埚质量(包括坩埚打制的质量和使用过程中的维护质量)的好坏将直接影响生产的顺利进行。2020/6/12211坩埚的打制技术A坩埚打制前的准备（1）打制工具（见图l）①捣固锤。由钢板与圆钢焊成，用来打结炉底和炉壁。捣固锤的锤头根据捣打坩埚不同位置而制成相应的形状，如图la所示为打结炉底用捣固锤，图1b为打结炉壁用捣固锤。②捣固叉。见图1c，其作用是用来划毛已捣固好的打结表面，使后续打炉料和已捣固好的打结表面在打结时能紧密结合。捣固叉由圆钢焊接制成，制作时，齿头不应太尖利，以免划破、损坏石棉布等绝缘隔热材料，造成打炉材料在坩埚打制或使用中的泄漏。此外，为方便使用，叉头最好具有一定的随形弧度，以便划毛坩埚模边缘的炉衬。2020/6/12222020/6/1223A坩埚打制前的准备（2）坩埚模坩埚模（见图2）用于打结时形成坩埚（炉膛）的尺寸。根据其制作材料的不同，分为金属模与石墨模二种。①金属模。金属模由钢板卷制焊成或铸造而成。一般做成中空的，根据使用状况，又分为一次性金属模（即炉子打结完毕，坩埚模不必从炉膛中起出，随同炉料一起熔化掉）与永久性金属模（即每次炉子打结完毕，将柑祸模从炉中取出，反复使用）。②石墨模。石墨模由石墨电极加工而成。主要是利用石墨模在烘烤、烧结过程中的感应加热作用，充分烧结坩埚。但由于其不易取出，一般不使用。2020/6/12242020/6/1225A坩埚打制前的准备（3）坩埚模制作时应注意的有关事项坩埚模决定了坩埚(炉膛)的尺寸，因而直接影响着坩埚的使用状况。若坩埚模圆度在增祸打制时发生变形，不仅不易取出，而且会造成炉衬各处厚度不均，从而影响坩埚使用寿命。如坩埚模尺寸设计过小，则造成炉衬厚度过大，坩埚厚层内的磁力线起不到感应加热的作用，降低设备的电效率及功率因数值。若坩埚模尺寸设计过大，则炉衬厚度不足，会造成坩埚散热严重，经受冲击的能力降低，缩短坩埚使用寿命。因此，坩埚模在制作时，除了要具有准确的儿何尺寸，还应有较好的几何形状及外壳强度。为方便起模，坩埚模应具有一定的锥度，其外表面要无锈、光滑，焊接处要尽量磨光。为便于烘炉时坩埚内气体的排出，允许在金属模上均匀地钻一些φ3～φ5mm的出气孔，但不得影响其强度。2020/6/1226A坩埚打制前的准备（4）隔热绝缘层隔热绝缘层是坩埚炉与感应圈内壁之间的填充层，用以提高感应圈的耐压性能，减少炉子的热损失通常用做填充层材料的有云母纸、石棉布、石棉板和玻璃丝布等。2020/6/1227B坩埚用材料感应炉坩埚要求有下列特点：（1）较高的耐火度。炼钢坩埚要求有1700℃。（2）稳定的物化性质。要求坩埚制品耐熔渣和钢液浸蚀；（3）有良好的抗热震性及高温强度；（4）有一定的绝缘性能；（5）较小的导热性；（6）成本低，无污染。常用的制造坩埚的耐火材料有镁砂，镁铝尖晶石和石英砂3种。其中，镁砂可分为普通烧结镁砂、热选镁砂（优质烧结镁砂）、海水镁砂和电熔镁砂。常用的添加剂是硼酸（H3BO3），其作用是降低砂料的烧结温度，促进镁铝尖晶石的合成，并且改变坩埚的体积变化率。2020/6/12282020/6/1229B坩埚用材料根据打结坩埚用耐火材料的性质，分酸性、碱性和中性三种坩埚用耐火材料。（1）酸性耐火材料坩埚由于其主要化学成分为硅砂，所以不适合冶炼高锰钢、含铝及含钦的钢种。表l列出了常用酸性坩埚材料配比。制作酸性坩埚采用硼酸作粘结剂，加入量为1.7%～2.0%（砂料重的百分比）。硼酸的化学成分及粒度要求见表2。2020/6/12302020/6/1231B坩埚用材料（2）碱性耐火材料坩埚碱性耐火材料坩埚适合冶炼铸铁、碳钢和各种合金钢。主要化学成分为镁砂。镁砂分冶金镁砂与电熔镁砂二种。表3列出了几种常用碱性坩埚材料的组成。要注意的是，在使用冶金镁砂时，应先经过磁选，消除其中的含铁杂质，保证钳竭的绝缘性能。冶金镁砂的化学成分见表4，制作碱性坩埚所用的粘结剂有硼酸、水玻璃等，其加入量见表5。2020/6/12322020/6/12332020/6/1234B坩埚用材料（3）中性耐火材料坩埚中性耐火材料坩埚适用于生产铸铁、碳钢和各种合金钢。主要成分为高铝矾土熟料。生产中采用特级或一级高铝矾土熟料。表6列出了几种常用中性坩埚材料的颗度组成。高铝矾土熟料技术条件见表7。2020/6/12352020/6/12362020/6/1237B坩埚用材料制作中性炉衬时常采用磷酸(60%浓度)，水玻璃等作粘结剂，其加人量见表8。2020/6/12382坩埚打结材料的混制及坩埚打结坩埚的制作方法可以分为炉外成型坩埚、炉内成型坩埚和砌筑坩埚三种。炉外成型坩埚是将耐火材料和添加剂等混合搅拌均匀装入模具内加压制成坩埚，然后烘干再装入感应器内。适用于200kg以下的小炉子。其优点是更换方便。2020/6/1239炉内成型坩埚是将耐火材料和添加剂等混合搅拌均匀在感应器内打结成型。现在绝大部分中小容量感应炉都采用