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怎樣選購中頻電爐

電爐的選擇一直是鑄造廠提升産能,或新開辦鑄造廠頭疼的事情。

選擇國外的中頻電爐,價格太高。選擇國内的電爐,品牌繁多,質量參差不齊。價格差距也非常大。相同規格的電爐,價格相差一倍還多。

另外,在車間内怎樣合理對電爐進行布局也是許多鑄造廠迫切需要了解的學問。

1.電爐容量和功率的确定

電爐容量的确定要考慮許多工藝因素,但是基本上應滿足二個條件,一是滿足最大鑄件的澆注重量需要,二是與工藝對鐵水的需求量相符合由于中頻電爐的功率密度配置較大,當其配置功率密度大于600 kW/t時,其熔化能力基本上可以做到每爐次的熔化時間在一小時以内。

電爐功率大小基本上依據生産率确定。一旦電爐容量和生産率确定後,電爐的功率就可以計算得到。

2.電源類型的選擇

中頻電源的類型主要有二類:具有并聯逆變電路的固體電源及具有串聯逆變電路的固體電源。

在我國的鑄造行業中,習慣對配置可控矽(SCR)全橋并聯逆變固體電源的中頻感應電爐通常俗稱為中頻爐。而對配置(IGBT)或(SCR)半橋串聯逆變固體電源的中頻感應電爐通常俗稱為變頻爐(這個稱呼并不确切,隻是為了與前者相區别)。由于這二種感應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别。

SCR全橋并聯逆變固體電源的中頻爐(PS系列電源),IGBT半橋串聯逆變固體電源的變頻爐(CS或CA系列電源)。下文将對它們的優缺點和适用範圍作一簡單比較(見表1),以使用戶能夠根據各自的工藝要求正确選擇這二種不同類型的電爐。

表1二種固體電源的主要性能比較

比較項目

SCR全橋并聯逆變固體電源

(PS系列電源)

IGBT半橋串聯逆變固體電源

(CS或CA系列電源)

産品規格範圍

160 ~ 4000 kW

50 ~ 2500 kW

電網側功率因數

額定功率時接近于1

功率減小時功率因數降低

始終接近于1

諧波幹擾

相同

相同

變換效率

中功率時相同, 大功率時略低

中功率時相同, 大功率時略高

負載适應範圍

一般

寬廣

恒功率輸出能力

冷料啟動階段輸出功率較低;改進逆變控制後可接近恒功率運行,但控制技術複雜

整個熔化過程中始終可以保持恒功率運行,控制簡單

工作頻率範圍

高至2500 Hz

主要用于感應熔化和保溫

最高可達100 kHz

适用于感應熔化和保溫,也适用于透熱和淬火

工作穩定性

高。中頻電流自成回路,觸發可控矽必須有一定的電流,抗幹擾能力強

較高。中頻電流必須通過IGBT構成回路,IGBT是電壓控制器件,外界幹擾電壓可能誤觸發IGBT

器件過流容量和過流保護

過流容量大,保護電路簡單

過流容量小,保護電路複雜,技術要求高

配置電源變壓器的餘量要求

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

小。變壓器配置容量約為固體電源最大輸出功率的1.1倍

電源功率共享

可能性

不能

可以

設備價格

較低

CS系列的價格通常比PS系列高30%左右。

最近西安機電研究所研制開發的CA系列電源具有較高的性能價格比,電源容量在1100kW以下,其價格比PS系列略高出20%左右。

備件價格

較高

根據上表1,二種固體電源的适用範圍如下表2所示,供用戶選型參考。

  表2二種固體電源适用範圍

電爐類型

固體電源類型

優點

中、小功率熔化爐

IGBT半橋串聯逆變固體電源

高性能

SCR 全橋并聯逆變固體電源

低價格

大功率熔化爐

SCR 全橋并聯逆變固體電源

高可靠性

DX型雙向供電電爐

IGBT半橋串聯逆變固體電源

唯一選擇

保溫電爐

IGBT半橋串聯逆變固體電源

高功率因數

透熱爐

IGBT半橋串聯逆變固體電源

溫度穩定

表面淬火爐

IGBT半橋串聯逆變固體電源

唯一選擇

3.中頻電源與電爐的配置

如表1所述,采用中頻無心感應電爐實現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載水平。但是在其後的澆注作業周期及其它非生産性作業周期(例如撇渣、取樣、等待化驗結果等),系統中沒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。為了适應各種不同的鑄造工藝需要,同時也為了充分提高電源的功率利用系數(将在下節詳細讨論),出現了許多形式的中頻電源與電爐的配置方案,現列于表3介紹如下。

表3 中頻電源與電爐的配置方案示例

序号

配置方案

評  論

1


單台電源配單爐

簡單可靠,适用于電爐内金屬液熔化後迅速倒空,再重新加料熔化的作業條件,或作業不頻繁的場合。

僅對小容量及較低功率的電爐适合。

該配置方案的作業功率利用系數(K2值,見下述)低。

2


單台電源配二爐(通過開關切換)

常見的經濟性配置方案。

一台電爐熔化作業,另一台爐澆注作業或維修、築爐。

在作小容量多次澆注作業時,可将向熔化作業電爐供電的電源短時間内切換到澆注作業的電爐作快速升溫,以補償澆注溫度的下降。二台電爐的交替作業(熔化和澆注、加料作業)保證了向澆注作業線持續供應高溫合格金屬液。

該配置方案的作業功率利用系數(K2值)較高。

3


二台電源 (熔化電源和保溫電源)配二爐(通過開關切換)

該配置方案采用SCR 全橋并聯逆變固體電源,通過切換開關實現二台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切換開關完成,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。由此導緻合金化處理時的攪拌作用可能較小,有時需短時間将熔化電源切換過來以增強合金化過程。

該配置方案的作業功率利用系數(K2值)較高。

4



單台雙供電源配二爐

該配置方案又可以稱為功率共享電源系統。它是目前國内外被用戶廣泛采用的一種先進的配置方案。西安機電研究所自1998年開發出這種系統以來,至今已向國内用戶提供了30餘套,足見它受歡迎的程度。

該方案的優點是:

1.          每台電爐可以根據各自的工況選擇合适的功率;

2.          無機械切換開關,工作可靠性高;

3.          作業功率利用系數(K2值)高,理論上可達1.00,從而大幅度地提高了電爐的生産率;

4.          由于采用IGBT半橋串聯逆變固體電源,如表2所述,在整個熔化過程中始終能以恒功率運行,所以其電源功率利用系數(K1值,見下述)也高;

5.          單台電源僅需一台變壓器和冷卻裝置,與方案3相比較,主變壓器的總安裝容量小,占用空間也小。

4.電爐熔化率與生産率的關系

需要指出,一般電爐制造商在樣本或技術規格上提供的電爐熔化能力數據是熔化率。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,與而生産作業制度無關。而電爐的生産率則除了與電爐本身的熔化率性能有關外,還與熔化作業制度有關通常,熔化作業周期内存在一定的空載輔助時間,如:加料、撇渣、取樣化驗和等待化驗結果(與化驗手段有關)、等待澆注等。這些空載輔助時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。

5.電爐選型時對系統的各項功能的評估

作為鑄造車間的重要熔化設備,感應電爐的投資在鑄造車間的總投資中占有不小的比例。因此,電爐系統的選型除了上面需要考慮的各類因素外,尚應結合鑄造車間本身的投資規模、技術先進性、管理水平等背景對所選的電爐系統的安全性、先進性、經濟性、對環保的适應性等系統的各項功能作一個全面的分析和評估。以下對上述幾個方面略作讨論:

1.系統的安全性 – 系統的機械方面的完整的保護功能應該具備:閉式冷卻水循環系統的采用,冷卻水溫度及流量的監控和報警,應急冷卻水櫃和管路的設置、液壓系統的安全措施(軟管破裂保護措施、雙液壓泵的配置、阻燃油的采用),爐體的鋼架結構堅固性。系統的電氣方面完整的保護功能有:功能完備和可靠的全數字化控制闆和故障自診斷功能、爐襯檢測(或漏爐檢測)功能、電源(包括電容器等)的可靠冷卻措施等。

2.系統的先進性 – 它應與整個鑄造車間的設備先進程度及管理水平背景相匹配。采用全數字化控制系統的中頻電源将大大提高電爐系統的作業(包括爐襯壽命和熔化作業)穩定性和可靠性。此外,近年來在鑄造業逐漸被廣泛接受和采用的功率共享電源系統(俗稱一拖二電爐系統)、電源的遠程控制系統、電爐的計算機熔化過程自動控制管理系統、舊爐襯快速推出機構、爐襯搗築質量穩定的錘擊式氣動築爐機、鐵水自動稱量系統、爐襯自動烘爐控制系統等先進裝置也大大提高了電爐系統的作業穩定性和可靠性,體現了鑄造車間的技術和管理水平的先進性,也為鑄造生産的質量管理體系提供了有效的手段。

3.系統的經濟性 – 應該全面、合理地評估選用先進電爐系統所支付的較高的一次性投資額與該系統的較低的日常運行、維護費用及生産率提高之間的關系。可從以下幾個方面來評估這種關系:

a)根據因先進的熔化單耗指标計算得到電爐每年運行費用的節約數值來評估投資額差價的回收周期;

b)根據先進的電爐系統性能如電源功率共享系統所具有較高的功率/作業利用系數所引起的相同功率配置情況下電爐生産率的提高來評估整體經濟效益的大小;

c) 從先進的和安全性好的電爐系統在日常維護方面減少的費用以及設備使用壽命提高二方面進行投資的綜合評估;

d) 從采用具有先進功能的裝置,如爐襯自動烘爐控制系統和錘擊式氣動築爐機,提高了爐襯壽命,降低的作業方面的各項成本來評估其經濟性。

4.環境的改善 – 現代化的鑄造車間大都具有較大的生産能力,因此電爐的功率也較大,這可能對電網帶來高次諧波的污染。中頻固态電源對于電網的諧波幹擾程度主要取決于它向電網的公共連接點注入的諧波是否超過國家頒布的标準(見GB/T14549-93, 電能質量·公用電網諧波)。減少抑制電源向電網公共連接點注入諧波電流的措施有:

a)增加電源的整流相數。該措施可以消除5、7、17、19次諧波;

b)裝設諧振濾波器,将主要諧波電流濾除,如裝設5、7、11次濾波器;

c)改變供電點,将中頻電源接到短路容量較大的公用電網上。

此外,某些工藝條件下的有色金屬和鑄鐵熔化所産生的煙霧和粉塵也對環境産生污染。此時,排煙罩的設置對于環境的改善是必要的。


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