摘要：闡述了中頻電爐在現(xiàn)代化鑄造車間中日趨廣泛的應(yīng)用。討論了感應(yīng)電爐選型時(shí)需要著重考慮的各種因素：電爐容量及功率大小與工藝需求的關(guān)系，電源類型、電源與電爐的配置等與工藝需求的關(guān)系。著重對(duì)目前感應(yīng)電爐選型時(shí)比較容易混淆的電爐熔化率與生產(chǎn)率的關(guān)系展開(kāi)了深入的討論，并引入了功率利用系數(shù)K的概念。此外，對(duì)選型時(shí)需要考慮的系統(tǒng)功能完整性、安全性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性以及對(duì)環(huán)保的適應(yīng)性也作了詳細(xì)的論述。
關(guān)鍵詞：鑄造車間，感應(yīng)電爐，選型；
1. 中頻感應(yīng)電爐在現(xiàn)代化鑄造車間中得到日趨廣泛的應(yīng)用
隨著固態(tài)中頻電源技術(shù)的快速發(fā)展，其變換效率已逐步提高到目前的96~97%，它的操作安全性已完全能滿足生產(chǎn)的需要，而它的投資成本卻逐年下降到已低于工頻電源，再考慮到它在使用上的眾多優(yōu)點(diǎn)，使得它自上世紀(jì)的80年代后期起在歐、美等發(fā)達(dá)國(guó)家得到廣泛應(yīng)用，基本上替代了傳統(tǒng)的工頻感應(yīng)電爐。自90年代中期起，隨著我國(guó)電子技術(shù)的飛速發(fā)展，大功率的國(guó)產(chǎn)固態(tài)中頻電源也已得到成功的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用。因此，傳統(tǒng)的工頻感應(yīng)電爐在我國(guó)已逐漸從銷售市場(chǎng)上消失，鑄造車間內(nèi)現(xiàn)有的工頻感應(yīng)電爐也在技術(shù)改造中逐步被中頻感應(yīng)電爐替代。
由于中頻電源的成本低、控制方便、占地小、可以與計(jì)算機(jī)控制管理系統(tǒng)連接等優(yōu)勢(shì)（見(jiàn)下表1），甚至連使用工業(yè)頻率（50Hz）的有心感應(yīng)電爐的傳統(tǒng)的工頻電源自90年代中期起在國(guó)外也開(kāi)始被固態(tài)中頻電源替代（輸出50~200Hz）。國(guó)內(nèi)第一臺(tái)配置固態(tài)中頻電源的有心感應(yīng)電爐（50Hz）也已經(jīng)于去年問(wèn)世，該電爐還配置有計(jì)算機(jī)熔化過(guò)程自動(dòng)控制管理系統(tǒng)，對(duì)爐況、爐襯燒結(jié)、功率輸入及熔化溫度可實(shí)行全自動(dòng)控制和檢測(cè)。
表1 中頻與工頻無(wú)心感應(yīng)電爐的性能比較（以鑄鐵為例）
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序號(hào)
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比較指標(biāo)
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中頻感應(yīng)電爐
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工頻感應(yīng)電爐
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評(píng) 論
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1
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功率密度
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600 ~ 1400 kW/t
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300 kW/t
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每噸爐容的配置功率密度允許值隨頻率變化，見(jiàn)表2
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2
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熔化作業(yè)方法
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批料熔化法
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殘液熔化法
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見(jiàn)注1
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3
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對(duì)加入料塊要求
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要求小
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要求高
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4
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熔化單耗
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500 ~ 550 kWh/t
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540 ~ 580 kWh/t
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由于中頻爐的功率密度大，熱損失小，熔化時(shí)間短，其總效率較高
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5
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功率調(diào)節(jié)范圍
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0~100%無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)
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有級(jí)調(diào)節(jié)
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工頻爐的功率調(diào)節(jié)還涉及三相平衡的調(diào)節(jié)，較復(fù)雜
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6
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功率自動(dòng)調(diào)節(jié)
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可以
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困難
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7
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熔液的攪拌效應(yīng)
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可調(diào)
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大且固定
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中頻爐的攪拌效應(yīng)大小隨頻率變化而逆向變化
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8
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電源占用空間比率
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30 ~ 40%
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100%
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9
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電源維修量
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較小
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較大
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10
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故障診斷及保護(hù)功能
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完全，強(qiáng)
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部分有
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11
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與計(jì)算機(jī)連網(wǎng)可能性
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可以
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困難
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中頻爐可與計(jì)算機(jī)熔化過(guò)程自動(dòng)控制管理系統(tǒng)連接
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12
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總投資比率
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~ 90%
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100%
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表2 不同頻率下電爐的功率密度允許值 (鑄鐵和鋼)
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頻率 (Hz)
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1000
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500
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250
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125
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50
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電爐容量 (t)
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0.2~1.5
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0.6~6
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1.1~18
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2.5~60
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8~100
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功率密度 (kW/t)
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1345
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945
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670
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475
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300
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由表2可見(jiàn)，電爐的工作頻率愈高，其允許功率密度值愈高。目前，國(guó)外制造的中頻感應(yīng)熔化爐的功率密度通常配置到600~800 kW/t,，小容量熔化爐的功率密度配置可高達(dá)1000 kW/t 。國(guó)內(nèi)制造的中頻感應(yīng)熔化爐的功率密度通常配置到600 kW/t左右。這主要考慮到爐襯的使用壽命和生產(chǎn)管理二個(gè)因素，因?yàn)楦吖β拭芏惹闆r下工作的爐襯受到強(qiáng)烈的熔液攪拌效應(yīng)的沖刷。
從上面的分析可以看出，與工頻感應(yīng)電爐相比，無(wú)論從技術(shù)性能和作業(yè)性能還是從投資方面來(lái)說(shuō)中頻感應(yīng)電爐在現(xiàn)代化鑄造車間內(nèi)用作熔化設(shè)備具有無(wú)可爭(zhēng)議的地位。
注1．以批料熔化法作業(yè)的中頻爐可以每次將熔液倒空，冷爐啟爐時(shí)不需要起熔塊，對(duì)加料塊尺寸和狀態(tài)限制小，爐料過(guò)熱時(shí)間短。這些都是以殘液熔化法作業(yè)的工頻爐所缺乏的優(yōu)勢(shì)。
2. 電爐容量和功率的確定
電爐容量的確定要考慮許多工藝因素，但是基本上應(yīng)滿足二個(gè)條件，一是滿足最大鑄件的澆注重量需要，二是與工藝對(duì)鐵水的需求量相符合。由于中頻電爐的功率密度配置較大，當(dāng)其配置功率密度大于600 kW/t時(shí)，其熔化能力基本上可以做到每爐次的熔化時(shí)間在一小時(shí)以內(nèi)。
電爐功率大小基本上依據(jù)生產(chǎn)率確定。一旦電爐容量和生產(chǎn)率確定后，電爐的功率就可以根據(jù)下面公式（1）計(jì)算得到。
3. 電源類型的選擇
中頻電源的類型主要有二類：具有并聯(lián)逆變電路的固體電源及具有串聯(lián)逆變電路的固體電源。
在我國(guó)的鑄造行業(yè)中，習(xí)慣對(duì)配置可控硅(SCR)全橋并聯(lián)逆變固體電源的中頻感應(yīng)電爐通常俗稱為中頻爐。而對(duì)配置(IGBT)或(SCR)半橋串聯(lián)逆變固體電源的中頻感應(yīng)電爐通常俗稱為變頻爐（這個(gè)稱呼并不確切，只是為了與前者相區(qū)別）。由于這二種感應(yīng)電爐的逆變供電電源不同，所以它們的工作性能也有很大的區(qū)別。
西安機(jī)電研究所既生產(chǎn)配置SCR全橋并聯(lián)逆變固體電源的中頻爐（PS系列電源），也生產(chǎn)配置IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源的變頻爐（CS或CA系列電源）。下文將對(duì)它們的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍作一簡(jiǎn)單比較(見(jiàn)表3)，以使用戶能夠根據(jù)各自的工藝要求正確選擇這二種不同類型的電爐。
表3 二種固體電源的主要性能比較
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比較項(xiàng)目
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SCR全橋并聯(lián)逆變固體電源
（PS系列電源）
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IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源
（CS或CA系列電源）
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產(chǎn)品規(guī)格范圍
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160 ~ 4000 kW
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50 ~ 2500 kW
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電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)
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額定功率時(shí)接近于1
功率減小時(shí)功率因數(shù)降低
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始終接近于1
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諧波干擾
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相同
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相同
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變換效率
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中功率時(shí)相同, 大功率時(shí)略低
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中功率時(shí)相同, 大功率時(shí)略高
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負(fù)載適應(yīng)范圍
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一般
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寬廣
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恒功率輸出能力
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冷料啟動(dòng)階段輸出功率較低；改進(jìn)逆變控制后可接近恒功率運(yùn)行，但控制技術(shù)復(fù)雜
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整個(gè)熔化過(guò)程中始終可以保持恒功率運(yùn)行，控制簡(jiǎn)單
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工作頻率范圍
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高至2500 Hz
主要用于感應(yīng)熔化和保溫
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最高可達(dá)100 kHz
適用于感應(yīng)熔化和保溫，也適用于透熱和淬火
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工作穩(wěn)定性
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高。中頻電流自成回路，觸發(fā)可控硅必須有一定的電流，抗干擾能力強(qiáng)
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較高。中頻電流必須通過(guò)IGBT構(gòu)成回路，IGBT是電壓控制器件，外界干擾電壓可能誤觸發(fā)IGBT
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器件過(guò)流容量和過(guò)流保護(hù)
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過(guò)流容量大，保護(hù)電路簡(jiǎn)單
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過(guò)流容量小，保護(hù)電路復(fù)雜，技術(shù)要求高
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配置電源變壓器的余量要求
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較大。變壓器配置容量約為固體電源最大輸出功率的1.25倍
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小。變壓器配置容量約為固體電源最大輸出功率的1.1倍
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電源功率共享
可能性
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不能
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可以
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設(shè)備價(jià)格
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較低
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CS系列的價(jià)格通常比PS系列高30%左右。
最近西安機(jī)電研究所研制開(kāi)發(fā)的CA系列電源具有較高的性能價(jià)格比，電源容量在1100kW以下，其價(jià)格比PS系列略高出20%左右。
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備件價(jià)格
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低
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較高
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根據(jù)上表3，二種固體電源的適用范圍如下表4所示,供用戶選型參考。
表4 二種固體電源適用范圍
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電爐類型
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固體電源類型
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優(yōu)點(diǎn)
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中、小功率熔化爐
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IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源
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高性能
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SCR 全橋并聯(lián)逆變固體電源
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低價(jià)格
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大功率熔化爐
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SCR 全橋并聯(lián)逆變固體電源
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高可靠性
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DX型雙向供電電爐
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IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源
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唯一選擇
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保溫電爐
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IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源
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高功率因數(shù)
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透熱爐
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IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源
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溫度穩(wěn)定
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表面淬火爐
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IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源
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唯一選擇
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4. 中頻電源與電爐的配置
如表1所述，采用中頻無(wú)心感應(yīng)電爐實(shí)現(xiàn)批料熔化法可以使電源的輸出功率從爐料被加熱起至澆注前保持在最大的負(fù)載水平。但是在其后的澆注作業(yè)周期及其它非生產(chǎn)性作業(yè)周期（例如撇渣、取樣、等待化驗(yàn)結(jié)果等），系統(tǒng)中沒(méi)有功率輸出或者僅需少量功率輸出，以保持一定的澆注溫度。為了適應(yīng)各種不同的鑄造工藝需要，同時(shí)也為了充分提高電源的功率利用系數(shù)（將在下節(jié)詳細(xì)討論），出現(xiàn)了許多形式的中頻電源與電爐的配置方案，現(xiàn)列于表5介紹如下。
表5 中頻電源與電爐的配置方案示例
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序號(hào)
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配置方案
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評(píng) 論
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1
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單臺(tái)電源配單爐
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簡(jiǎn)單可靠，適用于電爐內(nèi)金屬液熔化后迅速倒空，再重新加料熔化的作業(yè)條件，或作業(yè)不頻繁的場(chǎng)合。
僅對(duì)小容量及較低功率的電爐適合。
該配置方案的作業(yè)功率利用系數(shù)（K2值，見(jiàn)下述）低。
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2
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單臺(tái)電源配二爐（通過(guò)開(kāi)關(guān)切換）
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常見(jiàn)的經(jīng)濟(jì)性配置方案。
一臺(tái)電爐熔化作業(yè)，另一臺(tái)爐澆注作業(yè)或維修、筑爐。
在作小容量多次澆注作業(yè)時(shí)，可將向熔化作業(yè)電爐供電的電源短時(shí)間內(nèi)切換到澆注作業(yè)的電爐作快速升溫，以補(bǔ)償澆注溫度的下降。二臺(tái)電爐的交替作業(yè)（熔化和澆注、加料作業(yè)）保證了向澆注作業(yè)線持續(xù)供應(yīng)高溫合格金屬液。
該配置方案的作業(yè)功率利用系數(shù)（K2值）較高。
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3
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二臺(tái)電源 （熔化電源和保溫電源）配二爐（通過(guò)開(kāi)關(guān)切換）
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該配置方案采用SCR 全橋并聯(lián)逆變固體電源，通過(guò)切換開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)二臺(tái)電爐交替與熔化電源和保溫電源相連。該方案目前被用戶廣泛接受并采用，它可以達(dá)到與配置方案5相同效果，但是投資卻大大降低。
電源切換是借助于電動(dòng)切換開(kāi)關(guān)完成，操作方便、工作可靠性較高。
該方案的不足之處是，保溫電源為了能與同一感應(yīng)線圈匹配工作，它需要以稍高于熔化電源的頻率工作。由此導(dǎo)致合金化處理時(shí)的攪拌作用可能較小，有時(shí)需短時(shí)間將熔化電源切換過(guò)來(lái)以增強(qiáng)合金化過(guò)程。
該配置方案的作業(yè)功率利用系數(shù)（K2值）較高。
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4
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單臺(tái)雙供電源配二爐
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該配置方案又可以稱為功率共享電源系統(tǒng)。它是目前國(guó)內(nèi)外被用戶廣泛采用的一種先進(jìn)的配置方案。西安機(jī)電研究所自1998年開(kāi)發(fā)出這種系統(tǒng)以來(lái)，至今已向國(guó)內(nèi)用戶提供了30余套，足見(jiàn)它受歡迎的程度。
該方案的優(yōu)點(diǎn)是：
1. 每臺(tái)電爐可以根據(jù)各自的工況選擇合適的功率；
2. 無(wú)機(jī)械切換開(kāi)關(guān)，工作可靠性高；
3. 作業(yè)功率利用系數(shù)（K2值）高，理論上可達(dá)1.00，從而大幅度地提高了電爐的生產(chǎn)率；
4. 由于采用IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源，如表2所述，在整個(gè)熔化過(guò)程中始終能以恒功率運(yùn)行，所以其電源功率利用系數(shù)（K1值，見(jiàn)下述）也高；
5. 單臺(tái)電源僅需一臺(tái)變壓器和冷卻裝置，與方案3相比較，主變壓器的總安裝容量小，占用空間也小。
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5. 電爐熔化率與生產(chǎn)率的關(guān)系
需要指出，一般電爐制造商在樣本或技術(shù)規(guī)格上提供的電爐熔化能力數(shù)據(jù)是熔化率。電爐的熔化率是電爐本身的特性，它與電爐的功率大小及電源類型有關(guān)，與而生產(chǎn)作業(yè)制度無(wú)關(guān)。而電爐的生產(chǎn)率則除了與電爐本身的熔化率性能有關(guān)外，還與熔化作業(yè)制度有關(guān)。通常，熔化作業(yè)周期內(nèi)存在一定的空載輔助時(shí)間，如：加料、撇渣、取樣化驗(yàn)和等待化驗(yàn)結(jié)果（與化驗(yàn)手段有關(guān)）、等待澆注等。這些空載輔助時(shí)間的存在減少了電源的功率輸入，即減低了電爐的熔化能力。
為敘述清晰起見(jiàn)，我們引入電爐功率利用系數(shù)K1和作業(yè)功率利用系數(shù)K2的概念。
電爐功率利用系數(shù)K1是指在整個(gè)熔化周期內(nèi)電源輸出功率與其額定功率之比，它與電源類型有關(guān)。配置可控硅(SCR)全橋并聯(lián)逆變固體電源的中頻感應(yīng)電爐的K1數(shù)值通常在0.8左右，西安機(jī)電研究所對(duì)該類型電源增加了逆變控制后（通常的該類型電源僅有整流控制），該數(shù)值可接近于0.9左右。配置(IGBT)或(SCR)半橋串聯(lián)逆變的功率共享固體電源的中頻感應(yīng)電爐的K1數(shù)值理論上可達(dá)到1.0。
作業(yè)功率利用系數(shù)K2的大小與熔化車間的工藝設(shè)計(jì)和管理水平、電爐電源的配置方案等因素有關(guān)。其數(shù)值等于整個(gè)作業(yè)周期內(nèi)電源實(shí)際輸出功率與額定輸出功率之比。通常，功率利用系數(shù)K2的大小在0.7 ~ 0.85 之間選擇，電爐的空載輔助作業(yè)時(shí)間（例如：加料、取樣、等待化驗(yàn)、等待澆注等）愈短，K2值愈大。采用表4方案4（雙供電源配二爐系統(tǒng)）的K2值理論上可達(dá)1.0, 實(shí)際上在電爐空載輔助作業(yè)時(shí)間很低的情況下可達(dá)0.9以上。
由此，電爐的生產(chǎn)率N可以由下式計(jì)算而得：
N = P·K1·K2 / p (t/h)…………………………………………………………………(1)
式中：
P –- 電爐額定功率 (kW)
K1 –- 電爐功率利用系數(shù)，通常在0.8 ~0.95范圍內(nèi)
K2 –- 作業(yè)功率利用系數(shù),0.7 ~0.85
p ––- 電爐熔化單耗 (kWh/t)
以一臺(tái)機(jī)電研究所生產(chǎn)的配置2500kW可控硅(SCR)全橋并聯(lián)逆變固體電源的10t中頻感應(yīng)電爐為例，技術(shù)規(guī)格表示的熔化單耗p為520 kWh/t，電爐功率利用系數(shù)K1數(shù)值可達(dá)0.9，作業(yè)功率利用系數(shù)K2數(shù)值取為0.85。由此可得電爐的生產(chǎn)率為：
N = P·K1·K2 / p = 2500·0.9·0.85 / 520 = 3.68 (t/h)
需要指出，有些用戶混淆了熔化率與生產(chǎn)率的含義，將它們視為意義同一，沒(méi)有考慮電爐功率利用系數(shù)K1和作業(yè)功率利用系數(shù)K2，這樣的計(jì)算結(jié)果會(huì)是N = 2500 / 520 = 4.8 (t/h)。如此選擇的電爐就不可能達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)率。
6. 電爐選型時(shí)對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能的評(píng)估
作為鑄造車間的重要熔化設(shè)備，感應(yīng)電爐的投資在鑄造車間的總投資中占有不小的比例。因此，電爐系統(tǒng)的選型除了上面需要考慮的各類因素外，尚應(yīng)結(jié)合鑄造車間本身的投資規(guī)模、技術(shù)先進(jìn)性、管理水平等背景對(duì)所選的電爐系統(tǒng)的安全性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性、對(duì)環(huán)保的適應(yīng)性等系統(tǒng)的各項(xiàng)功能作一個(gè)全面的分析和評(píng)估。以下對(duì)上述幾個(gè)方面略作討論：
l 系統(tǒng)的安全性 – 系統(tǒng)的機(jī)械方面的完整的保護(hù)功能應(yīng)該具備：閉式冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的采用，冷卻水溫度及流量的監(jiān)控和報(bào)警，應(yīng)急冷卻水柜和管路的設(shè)置、液壓系統(tǒng)的安全措施（軟管破裂保護(hù)措施、雙液壓泵的配置、阻燃油的采用），爐體的鋼架結(jié)構(gòu)堅(jiān)固性。系統(tǒng)的電氣方面完整的保護(hù)功能有：功能完備和可靠的全數(shù)字化控制板和故障自診斷功能、爐襯檢測(cè)（或漏爐檢測(cè)）功能、電源（包括電容器等）的可靠冷卻措施等。
l 系統(tǒng)的先進(jìn)性 – 它應(yīng)與整個(gè)鑄造車間的設(shè)備先進(jìn)程度及管理水平背景相匹配。采用全數(shù)字化控制系統(tǒng)的中頻電源將大大提高電爐系統(tǒng)的作業(yè)（包括爐襯壽命和熔化作業(yè)）穩(wěn)定性和可靠性。此外，近年來(lái)在鑄造業(yè)逐漸被廣泛接受和采用的功率共享電源系統(tǒng)（俗稱一拖二電爐系統(tǒng)）、電源的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、電爐的計(jì)算機(jī)熔化過(guò)程自動(dòng)控制管理系統(tǒng)、舊爐襯快速推出機(jī)構(gòu)、爐襯搗筑質(zhì)量穩(wěn)定的錘擊式氣動(dòng)筑爐機(jī)、鐵水自動(dòng)稱量系統(tǒng)、爐襯自動(dòng)烘爐控制系統(tǒng)等先進(jìn)裝置也大大提高了電爐系統(tǒng)的作業(yè)穩(wěn)定性和可靠性，體現(xiàn)了鑄造車間的技術(shù)和管理水平的先進(jìn)性，也為鑄造生產(chǎn)的質(zhì)量管理體系提供了有效的手段。
l 系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性 – 應(yīng)該全面、合理地評(píng)估選用先進(jìn)電爐系統(tǒng)所支付的較高的一次性投資額與該系統(tǒng)的較低的日常運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用及生產(chǎn)率提高之間的關(guān)系?？蓮囊韵聨讉€(gè)方面來(lái)評(píng)估這種關(guān)系：
a) 根據(jù)因先進(jìn)的熔化單耗指標(biāo)計(jì)算得到電爐每年運(yùn)行費(fèi)用的節(jié)約數(shù)值來(lái)評(píng)估投資額差價(jià)的回收周期；
b) 根據(jù)先進(jìn)的電爐系統(tǒng)性能，如電源功率共享系統(tǒng)所具有較高的功率/作業(yè)利用系數(shù)所引起的相同功率配置情況下電爐生產(chǎn)率的提高來(lái)評(píng)估整體經(jīng)濟(jì)效益的大小；
c) 從先進(jìn)的和安全性好的電爐系統(tǒng)在日常維護(hù)方面減少的費(fèi)用以及設(shè)備使用壽命提高二方面進(jìn)行投資的綜合評(píng)估；
d) 從采用具有先進(jìn)功能的裝置，如爐襯自動(dòng)烘爐控制系統(tǒng)和錘擊式氣動(dòng)筑爐機(jī)，提高了爐襯壽命，降低的作業(yè)方面的各項(xiàng)成本來(lái)評(píng)估其經(jīng)濟(jì)性。
l 環(huán)境的改善 – 現(xiàn)代化的鑄造車間大都具有較大的生產(chǎn)能力，因此電爐的功率也較大，這可能對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)高次諧波的污染。中頻固態(tài)電源對(duì)于電網(wǎng)的諧波干擾程度主要取決于它向電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)注入的諧波是否超過(guò)國(guó)家頒布的標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)GB/T14549-93, 電能質(zhì)量·公用電網(wǎng)諧波）。減少抑制電源向電網(wǎng)公共連接點(diǎn)注入諧波電流的措施有：
a) 增加電源的整流相數(shù)。該措施可以消除5、7、17、19次諧波；
b) 裝設(shè)諧振濾波器，將主要諧波電流濾除，如裝設(shè)5、7、11次濾波器;
c) 改變供電點(diǎn)，將中頻電源接到短路容量較大的公用電網(wǎng)上。
此外，某些工藝條件下的有色金屬和鑄鐵熔化所產(chǎn)生的煙霧和粉塵也對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。此時(shí)，排煙罩的設(shè)置對(duì)于環(huán)境的改善是必要的。
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