回顾100多年来感应电炉熔化技术的发展历程,从工频电炉(沟槽式和坩埚式)、倍频电炉、中频电炉发展到现在的晶闸管变频电炉,可以看到其技术的发展一直围绕着以下三个目标进行。
(1)适应于不断发展和完善的铸造熔化工艺的要求。
(2)降低熔化单耗和提高生产率。
(3)降低劳动强度,简化操作,满足社会对人文和环保的要求。
上述三个目标也是今后感应熔化技术的发展方向,具体表现在以下几个方面。
1.更先进的温度控制技术
感应熔化对温度的控制主要表现在出炉温度的控制,熔化中间过程的温度是没有意义的。传统的方法是在固体料全部熔化后的升温过程中,目测炉料的温度,人工判断接近出炉温度时,多次采用快速热电偶测量,直到温度符合要求后出炉。这种方法有以下弊端:
(1)需要经验丰富的操作工人。
(2)消耗很多的快速热电偶。
(3)如果疏忽,炉料可能持续升温导致过热,进而造成化学成分的烧损或烧坏炉衬。
新的温度控制方法是采用基于能量平衡的控制技术。这是一个电脑软件,可以是内置于中频电源控制CPU中的简单的能量计算程序,或是安装在熔化管理计算机中,采用高级语言编制的复杂的软件。它的基本功能是不断监测中频电源的输出功率,统计出送入电炉的能量,同时还对环境温度、冷却水温度和流量进行连续监测,用来计算电炉消耗的能量。送入电炉的能量和电炉消耗的能量之差就是炉料获得的能量,其与炉料的温度有着固定关系,用适当的数学模型,就能够计算出炉料的温度。这类软件往往具备误差修正功能,能够根据计算和实测的误差,调整自己的计算模型,使以后的计算结果更加趋近实际结果。在生产实践中,良好的计算模型能够得到小于±15℃的计算精度(熔化铸铁到1450℃时)。
采用这样的温度控制技术后,熔化过程变得非常简单,不再需要人工判断温度,也不再需要很多次的测温,可避免炉料过热的危险。当炉料的温度达到要求时,控制软件能够自动地把中频电源的输出功率降到保温功率,然后提示操作人员温度已经符合要求。
2.恒功率控制技术
在一个完整的熔化过程中,电炉的阻抗不是恒定的,而是随炉料温度和炉料密实程度的变化而变化。通常,炉料温度越低,加料越密实,则电炉的阻抗就越小。如果以满炉额定温度的工况为基准,熔化过程中电炉阻抗的变化范围是这个数字的±35%左右。
电炉阻抗的变化有两个极端:一是冷态加满料,刚开始送电的时候,由于这时炉料的温度低,电阻率小,所以电炉阻抗最小;二是在炉料的温度达到居里点时,铁开始失去导磁性,但是又没有熔化,炉料的密实程度没有得到改善,此时电炉的阻抗最大。在这以后,随着温度的上升,熔化的铁液逐渐填满固体料之间的空隙,电炉的阻抗趋于稳定。串联谐振电源可以通过调节中频电源的工作频率,实现阻抗的调节。工作频率的变化能够直接改变电炉的阻抗,当电炉阻抗太低时,可适当升高工作频率,而阻抗太高时,则应降低工作频率。通过这样的调节,能够使整个熔化过程中电炉的阻抗基本一致,从而保证中频电源始终在额定功率下工作。并联谐振电源逆变器是用微控制器控制的,其逆变控制部分采用人工智能控制程序,该程序在需要时可小范围改变逆变器的逆变角(在晶闸管关断时间允许范围内),因此使并联逆变器具有小范围调节负载等效直流电阻的能力,与整流器的电流余量相配合,使这种晶闸管并联逆变中频电源具有接近恒功率输出的能力(不能完全达到)。
3.负载匹配研究
中频电源与电炉及补偿电容构成了一个有机体,不可分割。负载的变化,或负载阻抗匹配是否合适,会直接影响电源的额定功率;频率是否能达到设计的目标,也会影响感应加热的效率。感应线圈(负载)的设计与计算十分复杂,要设计出一个满意的负载线圈并非易事。目前,采用的计算方法是忽略次要参数,或依靠经验修正过的公式来设计,有较大误差。今后为方便这方面的设计,需要在理论指导下建立精确的数字模型,特别是利用计算机的仿真技术,以便更大范围地适应各种形式负载的计算精度。在国外,特别是美国,在负载感应器(线圈)用计算机辅助设计和仿真方面已开发了专用的软件,值得我们借鉴。
4.高功率因数与低谐波
IGBT串联谐振电源采用二极管整流,任何功率下的功率因数都在0.95以上,晶闸管串联谐振电源功率因数也在0.9以上,但是并联谐振电源的功率因数就很低了,在满功率情况下才能达到0.8~0.9。另外还有不可避免的谐波,对电网构成了一定的污染,电源功率越大,这种问题越突出。新一代电源必须是高功率因数、低谐波的电源。现在发展的技术有:多重化整流技术、全控功率管加上矩阵控制或PWM控制等技术、串联线路、斩波技术等。同时也催生了电源谐波的滤除和功率因数补偿的消谐装置的开发和生产。
5.节能减排
现代设计良好的中频电源(无论晶闸管或IGBT)其变换效率一般都可达到98%以上。感应器-炉料系统的电效率,仅取决于感应器-炉料系统自身,与中频电源的输出电压或逆变形式无关。
设计良好的感应电炉的电效率通常可以达到78%以上。因此,在现有技术思路下提高感应电炉的熔化效率,不太可能取得大的提高。要做到大幅度的节能减排,就要在感应器和炉料系统上做文章,突破现有的框架,建立全新的设计模型,把系统电效率提高到90%以上。
