工频感应炉用途及结构

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：目前工频感应炉冶炼已逐步取代冲天炉工艺，用于生产一般铸铁、球墨铸铁、合金铸铁和其他特种铸铁，此外，还可作为保温炉使用。图3-9 工频感应炉的感应器横截面2）由于工频电流的透入深度大，加上电流的趋肤效应，因此，炉料侧的管壁厚度应有足够的尺寸。工频感应炉用电源变压器的结构与普通动力变压器相似，不同的是它要求二次电压可调节。

工频感应炉冶炼在工艺操作上形成其独有的特征，具有熔化速度快、金属成分均匀以及温度容易控制、铸件中的气体与夹杂物的含量低、不污染环境、节约能源和改善劳动条件等许多优点。目前工频感应炉冶炼已逐步取代冲天炉工艺，用于生产一般铸铁、球墨铸铁、合金铸铁和其他特种铸铁，此外，还可作为保温炉使用。

我国电炉制造业已能生产容量从500kg至40t的工频炉系列产品，工频感应炉已相当广泛地应用在铸造行业中。

工频感应炉是以工业频率的电源（50～60Hz）作为电源的感应炉，包括无芯和有芯两种类型。工频感应炉的全套设备包括四大部分：炉体部分、电气部分、液压系统、水冷系统。

1.炉体部分

冶炼铸铁的工频感应炉炉体部分由感应炉炉体（一台用于冶炼、一台备用）、炉盖、炉架、倾炉油缸、炉盖移动启闭装置等组成。

炉体主要包括感应线圈、坩埚、磁轭和型钢构架等部件，其中最重要的部件是感应线圈和磁轭。

（1）感应器工频感应炉的感应器用纯铜材料制成，与高频、中频感应炉的感应器相比，具有下述特点。

1）感应器是不对称的偏心管制成，形状如图3-9所示。

图3-9 工频感应炉的感应器横截面

2）由于工频电流的透入深度大，加上电流的趋肤效应，因此，炉料侧的管壁厚度应有足够的尺寸。最佳的厚度为16mm，通常取10～20mm。

3）感应线圈的匝间距离小，匝间用绝缘树脂或其他绝缘材料填实，形成一个整体以增加其强度。感应器由若干组线圈并联组成，以便节约功率和搅拌铁液运动方向。

当感应器分为三段并联时，正常冶炼使用中、下段获得额定功率；需要搅拌时使用上、中段可得到良好的效果；保温时可以使用一段进行加热。

感应器通过绝缘柱可靠地固定在构架上，以免因强大的电流形成的电动力作用而松动。

（2）磁轭磁轭是用硅钢片叠制而成的轭铁，它均匀地分布在感应器的四周。磁轭的作用是约束感应线圈产生的漏磁通（磁力线向外散放），使磁力线束集中在感应线圈周围，以提高感应加热的效率。另外，散放于四周的磁力线通过炉体钢构架时，由于涡流损失而产生的热会使钢构架发热。采用磁轭后对散放的磁力线起屏蔽作用，消除了磁力线对构架的作用，缩小了构架与感应器的距离，简化了构架的结构。否则，构架必须采用无磁材料，或远离感应器，从而增大了尺寸，或者需要用割断炉架磁回路的方法来消除散放磁力线的影响。

磁轭除起磁屏蔽作用外，还起加固感应器的作用。磁轭在轴向和径向由炉底和炉壳上带有弹簧的螺栓加以固定，弹簧可以缓冲电动力产生的振动现象。

图3-10 工频感应炉主回路

C₁——补偿电容器 C₂—平衡电容器 C₃—调节电容器 L₁—电炉本体即感应线圈 L₂—平衡电抗器

2.电气部分

工频炉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。

（1）工频感应炉的主回路工频感应炉的电气主回路如图3-10所示。工频感应炉的电气部分包括：电源变压器、主接触器、平衡电抗器L₂、平衡电容器C₂、补偿电容器C₁以及控制装置等。这些部件组成了炉子的电气主回路。

（2）电源变压器小容量工频感应炉（1t以下），可以不使用电源变压器，直接从低压电网连接；大容量的炉子必须由专用电源变压器供电。

电源变压器的容量应与炉子的容量相称，以便发挥电效率。

国产工频感应炉的技术参数列于表3-8。

表3-8 国产工频感应炉的技术参数

从表3-8中可知，国产工频感应炉配套的电源变压器的一次电压均为10000V，二次电压随炉子容量的增大而升高。

工频感应炉用电源变压器的结构与普通动力变压器相似，不同的是它要求二次电压可调节。调节二次电压的方法有两种。

1）低压交流接触器切换调节法。在电源变压器的低压侧设置一组不同电压等级的抽头，利用低压有载调压开关的切换，调节炉子的电源电压。

2）高压真空接触器调节法。在电源变压器的高压侧设置抽头，通过高压有载调压开关来调节一次电压，从而达到调节炉子电源电压的目的。

（3）三相功率平衡工频感应炉属于单相负载，尽管炉子的感应线圈分相供电，但是由于冶炼过程中炉内铁液和炉料的阻抗变化，也会引起三相不平衡。为了保持电网的三相平衡，必须在炉子主电路中配置三相功率平衡装置，根据冶炼状况随时调节各相的功率，使其保持平衡。这样，使单相负载转化为三相负载。

三相功率平衡装置由平衡电抗器和平衡电容器组成。当电源变压器的输出电压在二次低压侧调节时，功率的平衡通过电抗器的抽头来进行调节；当电源变压器的输出电压在一次高压侧调节时如图3-10所示，功率平衡则通过调节与电抗器两端并联的电容器组C₃来实现。

要使三相功率平衡，必须满足下列条件。

1）炉子所在相的功率因数等于1。

2）相序的连接正确：炉子接在A、B相间；平衡电容器接在B、C相间；平衡电抗器接在C、A相间。

3）平衡电抗器的容量Q_L、平衡电容器的容量Q_c、炉子的功率P三者之间应满足下列关系

三相功率平衡的调节，是通过调节炉子三相电流来进行的。由于平衡电容器和平衡电抗器均与C相连接，所以每变动平衡器容量后，C相电流随即变化。而A相和B相电流因分别与炉子感应线圈两端连接，这两相电流随炉内炉料和铁液的情况而变化。A、B两相的电流可通过调节与感应线圈并联的补偿电容器来进行平衡。由此可见，为使三相功率平衡，一般在调节补偿电容器容量的同时，还应相应地变动平衡器的容量。

（4）补偿电容器工频感应炉的功率因数很低，一般在0.15～0.25的范围内，为了提高电效率，必须使用大量电容器。补偿电容器与炉子感应线圈并联，通过接触器来调节。

补偿电容器并联容量的大小，由功率因数的变化来进行调节，而功率因数值又与三相功率平衡密切相关。通过A、B两相电流大小来调节并联电容量。调节方法如下：

1）当A相电流大于B相电流时，应当增加补偿电容量。

2）当A相电流小于B相电流时，需要减少补偿电容量。

A相电流等于B相电流时，补偿电容量合适。

由于上述原因，工频感应炉需配备大量的电容器。这些电容器必须放置在干燥、通风、少尘的室内。

3.液压系统

工频感应炉的炉体安装在活动的支架上，炉体的倾动由安置在支架两侧的液压柱塞的升降来完成，炉体可倾倒95°。此外，炉盖的移动也是由液压装置来完成的。因此，工频感应炉均配备有一套液压传动系统。

液压传动系统由油箱、油缸、高压油泵、油泵电动机、液压阀门及操作箱等组成。倾炉的油缸固定在固定炉架与活动支架之间。当炉体倾倒至95°极限位置时，有限位开关加以控制。

炉盖的启闭油缸大多采用活塞式的。它固定在炉体活动支架与炉盖之间，通过活塞的运动来实现炉盖的开启和关闭，或左右旋转。炉盖移动和启闭与炉体倾动共用一套液压系统，通过换向阀进行控制。

炉体倾动、复位和炉盖启闭、移动等操作通过设置在炉前的操作箱进行。

液压系统的油压为低中压强，要求管道与接头处密封性能良好，避免漏油和冲动。油箱应安装在安全可靠的地方。

4.水冷系统

冷却水系统包括电容器冷却、感应器冷却和水冷电缆冷却等。冷却水系统由水泵和循环水池或冷却塔以及管道阀门等组成。

电容器和水冷电缆的冷却方式与中频感应炉相同。感应器的冷却方式不同于中频感应炉。由于工频感应炉感应器匝数多，通水的截面积小，为了保证冷却效果，需要采用多管并联水路冷却。各条水路均应设置阀门，以便调节水量。在炉子运行过程中，水压应大于0.2MPa，以保证感应器的冷却效果，并保护绝缘不被破坏。当进水温度低于35℃时，出口水的温升应小于50℃。

为了节约冷却用水，全部冷却水应循环使用。

工频感应炉用途及结构

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