浅谈中频电炉的节能减耗1

浅谈中频电炉的节能减耗吉林大学南岭校区高级工程师张加平中频电炉是一种将工频交流电转换成直流电，再将直流电转换成较高频率交流电的变频电子设备，利用交流电在螺管线圈中的交变，让处于螺管线圈——中频炉感应圈内的铁磁物质体内产生涡流，进而产生焦耳热，达到加热和熔化炉料的目的。

因此，提高变频设备的效率、提高电磁能与焦耳热能转换效率，是中频电炉节能减耗的基本构成。

中频电炉的电耗用每吨钢水消耗的电量计算，单位是KWh/t。

下表，是国内外中频电炉电耗列表，国内指标是现场记录，国外指标是销售人员的介绍。

尝试从以下几个方面浅谈中频电炉的节能减耗。

一、中频电炉器件结构随着固态中频变频电源控制技术的快速发展以及电子开关器件的优质、低价，其电效率的转换已逐步提高到目前的96～97%。

作为金属保温和熔化设备，企业对中频电炉的选择，是高可靠、高效率、低成本。

现下，中频变频电源制造和维修，电子开关器件选用国产优质可控硅，电抗器选用国产优质矽钢片、采用大口径盘式绕组优化设计制造，滤波、补偿电容采用国产优质电热电容器，所有连接用铜牌、水电缆选用优质足径铜板和缆线，感应线圈——炉体选用1号紫铜异型方管。

大量的运行实践证明，这是中频电炉高可靠、高效率、低成本运行的硬件保证。

特别是1吨以上的中、大型中频炉，越是大型中频炉，优选国产优质的器件和材料，可靠、高效、低成本的效果越明显。

二、中频电炉高功率密度配置功率密度是指中频电炉每吨容量所配备的电源功率数。

送入中频电炉的电功率可以分为两部分，一部分是在工件的加热过程中转化为热能，是有用功，另一部分是供电线路的铜耗，使感应圈、水电缆发热，热量又被冷却水带走，这部分功率是无用功。

显然，中频电炉熔化速度越快，无用功消耗越小，电炉功率密度配置得高，熔化速度就快。

500Kg以下的中频电炉，供电功率与炉容公斤数的比例可达到0.9～2，例如，500Kg炉体配备450KW，200Kg炉体配备350KW，这样，可以在45～24min内熔清铁水。

1吨以上的炉体，常规的配备是每吨铁水配备600KW中频电功率，例如，2吨炉体配备1250 KW，5吨炉体配备3500 KW，10吨炉体配备6000 KW，20吨炉体配备12000 KW，这样，可以在60～70min内熔清铁水。

现代的中频电炉高功率密度配备，使中频电炉得到高的熔化率，得到低的电耗。

现下，在制造技术、器件的水平上，为中频电炉配置更高的功率密度没有困难。

之所以不能配备的更高，主要受到炉衬的使用寿命和生产管理及配套设备二个因素的限制。

因为在高功率密度下工作的炉衬受到强烈的高温熔液搅拌冲刷，对炉衬的材料性能提出更高要求，必须选用低导热系数、低膨胀系数、高稳定系数、高耐火度的优质炉衬材料，目前，国内尚没有更合适的炉料材料，尚没有建立起合理有效的供应销售服务系统，第二，由于配置高功率密度的感应熔化电炉熔化周期短，必需配置相应的自动化加料装置，例如，采用电磁吸盘，采用钓钩数显自动称量机构，在铸造工部，原材料的管理、配料计算、配料优化、熔液成分快速分析检验系统、温度控制、防止熔液过热设施、熔化-保温-浇注每个工序之间的合理平衡等等各个环节，工作量繁杂巨大，技术和设备的科技成分含量高，已经不是人力能够胜任，必须采用计算机控制和管理系统，拆除旧炉衬必须采用液压推出，筑制新炉衬采用震动筑炉机械，否则电炉的功率利用系数将大大降低，失去高功率密度配备的意义。

三、熔化用中频电炉的恒功率控制熔化周期内，使中频电功率始终自动跟踪控制在截流、截压容许的最大数值上。

大的功率密度保证很短的时间内，使中频电压升到额定值，直流电流尽快恒定在最大的额定值，保证中频电源始终工作在0.92以上的功率因数，工作于满功率熔化。

这，一方面要求中频电源具备完善的恒功率控制、具备P.I.D电流电压双闭环控制，又要求操作炉工合理及时加料，及时捣打炉料，如果电炉在熔化过程的起始阶段不能大功率送电，功率因素低，而热耗并不减少，能耗就高。

所以电炉能否保持高功率因素向炉内送电，也是能耗高低的区别，也是企业是否能“环保”运行的一项指标。

四、保温中频电炉的应用大吨位铁水的保温，一直以来是有芯工频电炉的一统天下，成功地用无芯中频电炉作为大吨位的保温电炉，是我国的创举。

现下，50吨的铁水保温无芯中频电炉已在运行。

可控硅无芯中频电炉作保温电炉用，较比有芯工频炉有很大的优势，经过二十年的实际应用经验，也证明了此工艺的可行性和经济性。

下表是无芯中频感应电炉与有芯工频感应电炉的性能比较（以铸铁为例）以批料熔化法作业的中频炉可以每次将熔液倒空，冷炉启炉时不需要起熔块，对加料块尺寸和状态限制小，炉料过热时间短。

这些都是以残液熔化法作业的工频炉所缺乏的优势，目前，工频感应炉向大容量发展已基本停止。

然而，可控硅中频炉、IGBT等新器件、串联谐振新变频制式中频电炉的发展则方兴未艾。

大吨位中频保温电炉配合中频熔化电炉或者配合炼铁高炉，组成铁水的熔化、保温系统，是节能减排的优越选择。

可以大幅度的降低吨耗，可以大幅度的减低污染的排放，减少投资，减少设备安装空间，为产品的结构、为生产工艺的选择、为作业人员的灵活调剂提供优越的设备。

有资料显示，用大吨位的中频保温电炉配合其他的熔化设备，吨耗可以节约25～40%。

保温用中频电源要求具备有较低的熔化功能，要求具备每分钟可以过热铁水25～30 ℃/min速率，要求在保温过程中的任何功率下，功率因数始终大于92%，要求具备准确的测温调温的功能，因为，铁水1500℃保温超过1小时，会造成铁水的白口化，这要求，随时的监控铁水温度，及时的降低铁水温度，这只能有赖于保温用中频电源的先进、智能化和计算机化。

传统的有芯工频保温电炉没有这些功能。

国内用可控硅组成的串联谐振变频电源，在6000KW以下的功率范畴内，技术是先进可靠的，设备运行是可靠的，符合上述技术要求。

而45吨的可控硅中频保温电炉，恰好在此功率范畴内，所以，大吨位的中频保温电炉，选择可控硅串联谐振电源是优先的选择。

五、较大炉容中频电炉的高电压工频供电如前所述，1吨以上的中频电源功率密度600KW/t。

假如，2吨中频电炉，配备电源功率是1250KW，如果采用工频380V供电，直流输出电压，380×1.35＝513V中频电压513×1.4＝718V直流电流1250÷513＝2437A假如，由电热电容和炉体组成谐振负载槽路的Q值是10，平压结构时，谐振槽路的电流是，2437×10＝24370A可见，巨大的电流造成制造和安装成本上升，造成焦耳热能的无功损失。

如果采用工频850V供电，直流输出电压，850×1.35＝1147.5V中频电压1147.5×1.4＝1606.5V直流电流1250÷1147.5＝1089A电热电容和炉体组成谐振负载槽路的Q值是10，平压结构时，谐振槽路的电流是，1089×10＝10890A可见，流经水冷电缆和感应圈的电流减少到原来的0.45倍。

所以，2吨以上炉容的中频电源，工频供电采用高电压570V、660V、750V、900V、1250V等交流供电是节能减耗的好措施。

这一方面得益于现代电子开关器件的优越性能，另一方面要求，企业单位所在地的供电局从节能减排的大前提出发，配合企业单位做好供电工作。

六、中频电炉供电的工频供电系统，无功补偿兼奇次谐波治理技术、设备可控硅并联谐振制式变频电源，通过调整可控硅的导通角实现功率调节。

因此，在工频供电系统中产生奇次谐波，变频器的特征谐波频谱计算公式，n=kP±1式中n——奇次谐波数P——整流器脉动数；K——正整数，K=1、2、3、……对于输出三相单一绕组供电的整流变压器，直流输出脉动六波头，特征谐波5、7、11、13次等，对于输出三相双绕组供电的整流变压器，直流输出脉动12波头，特征谐波11、13、23、25次等。

在可控硅的全控桥触发中，由于存在非对称触发等原因，可能会产生其它次数的非特征谐波，但是主要以特征次谐波为主。

高次谐波严重的污染供电网，导致电能质量下降，增加设备损耗，降低功率因数。

在常规低压无功电容补偿装置中，谐波电流被补偿电容放大，引起接触器烧毁，电容器鼓肚，电容器组无法正常投运，导致负载功率因数长期低下，造成企业支付高额的力率调整电费。

1000KW以上的中大型中频电炉宜采用直流输出脉动12波头或24脉动波头的变频装置，这样可以避开低于11次或低于23次的谐波污染。

对于1000KW以下（不含1000KW）的中频电炉，多采用直流输出脉动6波头的变频装置，其工频供电的低压无功补偿装置，采取把同容量补偿电容由角形接法改用星形接法，电流与电压取样改接于高压侧的CT和PT等措施，可以正常投运。

为中频电炉配备无功补偿兼具谐波治理的设备，要安装在为变频电源供电的电源变压器的同一侧，对于用电企业单位，如果有多台变压器，有多种设备或生产线，如果生产工艺或者按装空间允许的话，应尽量把产生谐波的所有设备（又称为有源负荷）集中按装到一台或某几台变压器上，把其余不产生谐波的设备集中按装到其余变压器上，这样，谐波治理仅仅针对装有有源负荷的变压器，而其余变压器上只须按装普通低压补偿电容器装置，整体投资会大大下降。

相反，如果把所有有源负荷全部分散到所有变压器上的话，尽管每台变压器上谐波电流含有率不是太大，谐波电压也略低于国家标准，但是按装普通电容器柜对无功进行补偿后，这些电容器会把原有的谐波电流放大到不能容忍的程度，母线谐波电压立即超标。

从测量到的很多用户看，一般谐波电流能放大到3～4倍以上，造成谐波电压总畸变率上升到原来的2倍以上。

个别用户5次谐波电流达到90％，谐波电压总畸变率达到14％！为了解决谐波问题，就要每台变压器上都加装无源滤波装置，整体投资会大大增加。

对一定容量的中频电炉，其输出功率越接近满功率，高次谐波影响就越小, 功率因数越高，其输出功率较小时, 高次谐波与工频基波的比值较大,所以在中频炉运行时, 应尽可能使它工作运行在满功率。

中频电炉谐波分量强度大，成分复杂，并随熔炼材料及熔炼过程的变化而变化，这为无功补偿兼谐波治理设备参数的设计带来很多不确定因素。

因此，必须认真地审慎进行现场调查、现场测试、系统设计仿真等过程，，设备制造要采用优质可靠的元器件。

为了净化供电网络，为了降低企业用户的运行费用，无功补偿兼谐波治理设备要做到与中频炉同设计，同安装，同使用。

七、提高中频电炉的熔化率，双供电电源与控制系统的应用采用一台等容量或稍大容量工频整流变压器带动两套变频电源系统向2台炉子供电。

实践证明，1台感应炉的总有效功率通常在整个熔化期不能被充分利用，在铁水测温、取样化验、调整成份、除渣出铁、尤其是在浇注的情况下，都要降低功率或切断电源。