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摘要：目前中频感应炉已经被广泛的应用于工业领域中，进一步加强对其的研究非常有必要，特别是在节能方面的应用，对提高资源利用效率有重要意义。本文从中频感应炉的概念出发，重点分析了中频感应炉的节能原理。
关键词：中频感应炉；节能；原理分析
一、中频感应炉的概念
中频炉是一种将工频50HZ交流电转变为中频(300HZ以上至20K HZ)的电源装置，把三相工频交流电，整流后变成直流电，再把直流电变为可调节的中频电流，供给由电容和感应线圈里流过的中频交变电流，在感应圈中产生高密度的磁力线，并切割感应圈里盛放的金属材料，在金属材料中产生很大的涡流的反应炉。
中频感应炉中的涡流具有中频电流的一些性质，即，金属自身的自由电子在有电阻的金属体里流动要产生热量。例如，把一根金属圆柱体放在有交变中频电流的感应圈里，金属圆柱体没有与感应线圈直接接触，通电线圈本身温度已很低，可是圆柱体表面被加热到发红，甚至熔化，而且这种发红和熔化的速度只要调节频率大小和电流的强弱就能实现。如果圆柱体放在线圈中心，那么圆柱体周边的温度是一样的，圆柱体加热和熔化也没有产生有害气体、强光污染环境。
中频感应炉广泛用于有色金属的熔炼(主要用在熔炼钢、合金钢、特种钢、铸铁等黑色金属材料以及不锈钢、锌等有色金属材料的熔炼，也可用于铜、铝等有色金属的熔炼和升温，保温，并能和高炉进行双联运行。)、锻造加热(用于棒料、圆钢，方钢，钢板的透热，补温，兰淬下料在线加热，局部加热，金属材料在线锻造(如齿轮、半轴连杆、轴承等精锻)、挤压、热轧、剪切前的加热、喷涂加热、热装配以及金属材料整体的调质、退火、回火等。
二、中频感应炉节能原理分析
（一）逆变主电路对比分析
中频感应炉中，根据逆变线路感应圈负载和补偿电容的连接方式，可分为串联逆变和并联逆变两种中频感应电源。虽然我国并联谐振中频感应炉占据着工业熔炼设备很大比例，但是已经投入使用的串联谐振感应炉的运行情况显示，串联感应感应炉系统具有节能优势。并联逆变电源，工频电压经整流得到的可调直流电压，经电抗器Z，滤波后，进入单相桥式并联逆变器，其作用有三：使直流电流连续，纹波小；限制中频电流进入工频电网，起隔离中频交流的作用；逆变失败时，限制故障电流，电抗器近似认为是恒流源。
串联逆变电源，工频电压经整流得到的直流电流，经电容Cj滤波后，进入单相半桥桥式串联逆变器。电容Cy除了滤波，还为中频电流提供旁路，为此C，的容量必须足够大，可近似认为逆变器的直流电源为恒压源。具体分析如下：
1、根据谐振方式不同的节能分析
在并联谐振时，由电源输入的电流很小，电感和电容上的电流却很大，均为为电源输入电流的Q倍，而电压都等于逆变器的输出电压。在串联谐振中，电容和电感两端的电压相等，均为逆变输出电压的Q倍，流过电感和电容的电流等于逆变器的输出电流。
由于在串联谐振电源中采取脉宽调制的方法，在中频感应炉的逆变电压允许的范围内，串联谐振的感应圈电压相对比较高。所以根据谐振感应炉谐振方式的不同，在输出功率相同的条件下，串联谐振式中频感应炉的感应圈电流损耗比较小。
2、根据负载功率因数的不同节能
晶阐管中频电源功率因数的调整是由低频往高频调，并逐步接近谐振频率。其中并联谐振式中频感应炉，逆变电路的工作频率高于负载的谐振频率，所以脉冲触发须在负载电压过零之前。逆变触发角越大，晶闸管所能承受的反压越大，促使晶闸管越能可靠的关断，有利于换流。但逆变触发角不能无限的超前。
在理想情况下，串联逆变电路负载的谐振频率近似于逆变电路的工作频率。由逆变电路工作过程的分析可知，触发时间越短，工作频率越接近谐振频率，电压波形叠加，引起电压幅度的增加。
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由逆变电路主槽路的功率，可知电压升高，主槽路的电流下降，逆变电路的损耗降低，且随着触发时间的缩短，工作频率越接近谐振频率，每组“W”波形都工作在逆变角为零的状态。
3、能耗对比试验结果
以某公司铸造车间实验对象，对串并联两种中频感应炉的能量消耗进行对比试验。两种中频感应炉的容量均为一吨，通过实验数据可知，在实际运行中，熔炼一吨金属（铸铁废料）的电耗量，串联谐振式中频感应炉更节能。在对中频感应谐振感应炉节能分析的过程中，以两种谐振感应炉的节能方式为对比，从谐振方式、负载回路的功率因数不同分析了节能，最后以司两种中频电源能耗表，得出在实际的工作过程中，串联谐振感应炉更加的节能。
4、炉衬对节能的影响
在中频感应炉系统中，通过炉衬散热的损耗，每吨铁水需要30～60，约占输入功率的5%～10%，为了降低这部分能量的损失，在上面的文章中对炉衬的烧结工艺、炉衬的材料、炉衬的形状、炉衬的厚度以及炉料的清理做了初步的分析和研究，并取得了初步的效果。炉衬节能基本原理如下：
首先，选择优质炉衬：薄炉衬打结的感应炉一般采用感应圈胶泥以提高安全性，并选用优质干式炉衬捣打材料，一般选用硅砂和硼酸混合材料。
其次，炉衬的厚度：一般炉衬厚度减少30%，由于电磁感应效率提高，节能可达到3%-5%。同时因为铁水的冲击与腐蚀，为了延长炉衬的寿命，要求炉衬又不能太薄。因此，分析得出炉衬厚度和坩埚容量的关系曲线，当炉子容量小于2t时，容量越大，炉衬越厚；当炉子超过2t时，随着炉子容量的增大，炉衬厚度增加越慢。
第三，炉料的形状：炉料的块度太大或太小都会影响感应炉的电效率和熔化质量，炉料的块度越大，熔化的速度就会越慢，而且金属液的均匀程度会不稳定。通过分析得出炉料吸收的功率与炉料碎度的关系曲线。当炉料的块度过大，即当碎度很小时，炉料吸收的功率较小；随着值的增大，功率也随之增加，当时，吸收的功率达到峰值，此时，功率吸收面积和电效率才能达到一个最佳值，电效率才能得到充分的利用。
最后，炉料的清理：在熔化铁水时如果炉料中夹杂着的氧化物和铸造用废砂等，其单位电耗量将增加10。所以在将炉料投炉之前，尽量确保炉料不掺杂铸造用废砂、金属氧化物等杂质。
（二）熔炼操作对节能的影响
在采用中频感应炉熔炼时，如果操作方法不当，会增加额外的能量损耗。因此对熔炼过程中的热力学反应、中频透热能量消耗、实际熔化铁水消耗三个方面进行分析，以此来降低能量损耗，从而提高能源利用效率。熔炼操作节能原理如下：
1、热力学计算的热能
铁水温度达到1500℃左右时，才开始熔化，通过分析计算知道，1吨铁水从室温加热到1500℃所需要0。69xl09J的热量，需要消耗200度电。
2、实际熔化铁水消耗
中频感应炉熔化铁水一般分为三个过程，冷炉料有磁状态、未熔化状态、熔化状态。通过对熔化过程的分析，得出预留铁水熔炼运行阻抗和温度的关系曲线，知道当采用预留铁水的方法，整个熔炼过程中运行阻抗保持一致性，功率变化不大，因此熔炼的速度很快，减少了散热的时间，从而节能。
三、结语
中频感应炉逐渐被我国广泛应用，研究其在节能方面的应用，对提高资源利用效率有重要意义。
参考文献:
[1]陈健美,鄂加强,谢常清.中频感应炉节能研究[J].节能技术,2003(02):44-45.
[2]谢常清.中频感应炉节能研究[J].冶金设备,2002(06):59-61.
[3].中频感应炉改造节能显著[J].节能,1996(03):42.
论文作者:石芳军
论文发表刊物:《电力设备》2018年第36期
论文发表时间:2019/7/5
标签：感应炉论文; 中频论文; 炉衬论文; 谐振论文; 节能论文; 电流论文; 炉料论文; 《电力设备》2018年第36期论文;