中频感应电炉光学线圈保护系统装置

2013-08-28天津一汽夏利汽车股份有限公司内燃机制造分公司300380马宝山汪海峰

金属加工(热加工) 2013年3期

天津一汽夏利汽车股份有限公司内燃机制造分公司（300380）马宝山汪海峰杨彤

中频感应电炉炉衬是由各种耐火材料按一定比例配制打结而成。在长期的熔炼生产过程中，铁液对炉衬壁不断冲刷，一段时期后铁液会从遭侵蚀的炉衬壁裂缝中渗出，如果达到上千度的高温就会对感应线圈和磁轭造成极大的破坏，严重时可引起爆炸，危机人身安全。因此，漏炉报警系统的设置就显得尤为重要。

本文总结了漏炉报警的几种使用形式、原理及其优缺点，并在此基础上介绍一种先进的、新颖的报警装置——光学线圈保护系统，以作同行参考。

一、报警系统简述

一直以来，关于报警系统的具体分类并没有明确的定义，本文结合对熔化炉多年的应用、调研，以及在企业的生产实践，将报警系统归纳为以下五大类6种形式（见图1）。

图1 报警系统分类

1.接触式

该报警系统是较为传统的形式，其原则上是通过测量炉衬的电阻及电流达到控制报警的目的。在炉衬的底部设置6～7 根不锈钢丝与铁液接触，作为第一电极，在炉衬与感应线圈侧壁之间设置不锈钢片作为第二电极。正常使用时，电流表的读数可反映炉衬冲刷程度，随着炉衬的冲刷，炉衬的电阻也逐渐减小。在生产过程中，炉衬和石棉板都有较大的绝缘电阻，电流表读数值很小。一旦炉衬冲刷严重或由于操作不当引起炉衬破裂，炉衬电阻会大幅度下降，回路中电流表读数急剧上升，可达数百毫安，系统可以在铁液未接触线圈之前通过接触不锈钢片发出报警。

接触式报警系统在第一电极的设计上是一致的，但第二电极的形式不尽相同，包括不锈钢板式结构和报警片与云母一体式结构等。

（1）不锈钢板式结构这种结构在20世纪80～90年代使用较为广泛。80年代时最初的结构为从线圈表面开始布置玻璃丝布、石棉布、石棉板及云母板等多层材料，然后是不锈钢板、石棉板、石棉布等（见图2）。到90年代，随着技术发展及改进，炉壁结构从感应线圈向里依次为线圈浆料、云母、第二电极、石棉布及炉衬（见图3）。在打炉时需加入一层约0.5mm厚的不锈钢板，并做出引出线且用云母板绝缘带包扎完好，不锈钢板采用搭接方法铺设，为防止断裂或脱开，用不锈钢丝进行连接。在铺设时，需用胀紧圈使不锈钢板紧贴感应线圈内壁，确保铺设平整。

图2 初期结构

图3 90年代结构

为使作为第二电极的不锈钢板便于弯折，令其可以围绕炉壁铺设，需将整块不锈钢板均匀地切成帘状（见图4），能较好达到使用要求。

这种结构的优点是漏炉时可以较好的保护线圈，90年代后，由于增加了一层浆料，减小了拆炉（尤其是人工拆炉）时对线圈的损坏，且由于在抹制浆料时有一定斜度，有利于机械自动拆炉操作；不足之处是设计较为复杂，筑炉较为繁琐，不锈钢板需要几道胀紧工艺来实现，成本较高，并且要逐层加入筑炉材料，用时较长，同时要特别注意第二级报警线连接和引出的质量（见图4），防止断裂使报警失灵。

图4 不锈钢栅片

（2）报警片与云母一体式结构该结构与不锈钢板式结构基本一致，只是第二电极将不锈钢板换成0.1mm厚的非磁性不锈钢片，并将不锈钢片均匀粘在云母板上，报警片与云母形成一体式结构。纵向排放的不锈钢片间隔距离为5～10cm，再在中间位置横向交叉铺一条不锈钢片，确保使其与各纵向不锈钢片保持良好接触（见图5）。

图5 不锈钢片

接触式报警方式虽然行之有效，多数情况下能够起到预报警的作用，提高了使用的安全性，但是可靠性并不高，经常发生误报警及报警失灵等现象，导致提前停炉、报废炉衬的情况，影响正常生产。其中，第二电极引出线容易断裂是导致报警失灵的一个主要原因。

2.感应式

（1）原理该漏炉保护装置的基本原理是在未接地的感应线圈和地之间加一个直流电压，通过一只毫安表来连续测量和显示渗漏电流的大小。如果一旦出现渗漏电流超过设定值，则感应线圈、铁液、接地探针形成完整闭合回路，即发出声光报警，并使电炉电源停止运行，达到漏炉保护的目的。在这里可以把接地探针看作第一电极，而电炉接地电极中的漏电流，实际就是感应线圈上中频电压施加在炉衬等效电阻上而产生的，随着炉衬壁不断变薄，其等效阻抗也随之变小，漏电电流不断增大，因此可把感应线圈当作整个系统中的第二电极。

（2）具体形式该报警系统结构简单，电源装置配有一套对安全熔炼和保温操作至关重要的用于检测电气系统中低接地电阻的接地泄漏检测器，它包括连接电源的接地检测器模块，以及接地泄露检测器探头、指示灯、毫安表等。在打炉时要确保炉底接地探针与炉料接触或与导电性坩埚接触即可（见图6），炉底探针由直径1～2mm的非磁性不锈钢丝制成（具体结构见图7），通过炉底小孔引入。另外，需要在线圈浆料与炉衬之间铺设一层云母纸，以起到在推出炉衬时减小摩擦的作用。

图6 炉底局部

图7 探针形式

（3）报警条件接地探针与接地检测器模块配合工作（见图8），检测到感应线圈中有任何异常接地现象时自动切断电源，漏炉报警信号在线圈与接地电阻小于1kΩ时发生，报警的必要条件是接地探针必须接触铁液，同时线圈上有施加的60V电压，也就是说泄露电流超过60mA时发生报警（见图9），经常包括如下三种情况：①金属液渗过炉衬到线圈。 ②炉衬过于潮湿。③炉子或电源系统存在低的对地电阻。

图8 正常状态

图9 报警状态

这样的感应报警方式结构简单，筑炉容易，需要缜密的设计及成熟的技术加以支持，是一种比较先进的报警形式，多被进口设备厂家采用，国内厂家较少涉及。

3.接触感应式

该结构主要为日本富士电炉设计使用，通过电路原理（见图10）可以看出，富士电炉有第一电极安装在炉底，第二电极装在线圈和炉衬之间，具体是将直径1mm的不锈钢丝做成100×100mm的网状结构（简称报警网），当金属液通过破裂炉衬到达第二电极，炉底电极与不锈钢丝网导通，报警回路电流迅速增加，达到报警设定值后，报警系统发出报警信号并切断电源。该系统在实际使用中以接触式效果为主，同时兼有感应式的报警特点，因此被称为接触感应式报警系统。这种形式在天津笠仓等铸造厂使用多年，寿命较长，线圈浆料不易损坏，可长时间使用，打炉时不再需要胀紧，效果较好。但是不锈钢报警网的铺设要求较高，抹制浆料的操作难度较大（见图11）。

图10 电气原理

图11 钢丝结构

4.感应接触式

通过报警的基本原理可知，如果接地的铁液与线圈接触，将触发一个信号，从而关掉电炉，而此类设计接地的可靠性可以通过所谓刺猬式线圈得以进一步改善，将长度10mm左右的圆柱销探针通过铜焊以间距30～40cm焊到铜线圈上，通过线圈浆料将其覆盖（见图12），从而形成连续的、网格化的感应监控，其作用就是在渗透铁液与线圈的破坏性接触预先探测到铁液的集聚，如果铁液朝着线圈方向渗透进入炉衬，那么感应网格前方的炉衬温度上升，电阻急剧下降，感应点上的测量电流相应放大（见图13），从而及时发现铁液的集聚，发出报警信号，切断电源，保护线圈。

这种设计方式之所以被称为感应接触式报警，是因为其在原理上与感应式报警相同，但在实现形式上兼有感应式报警与接触式报警的特点。一方面，它独有的刺猬式探针系统可以通过对铁液的感应触发报警；另一方面，如果铁液钻入接触到探针也可以第一时间发出报警，从而保证不会损坏线圈，起到预保护的作用，其整套系统的制作较为繁琐，成本也较高。

图12 刺猬线圈

图13 结构形式

5.光学线圈保护系统

光学线圈保护系统OCP（Optical Coil Protection），是由LIOS与Otto Junker有限公司签订独家的光纤温度测量合同而得以开发的，主要应用在熔化和热处理方面的设施。OCP系统是一个温度测量和监测系统，由于它使用最新一代的光纤传感器（见图14），具有独特的测量特性，在感应熔炼领域的应用中能很好地对坩埚进行无干扰的监测，所以这项技术可以非常可靠地检测到逐渐磨损的衬里，以及炉衬的缺陷，同时也是一种非常独特的监测系统，有史以来第一次提供了炉衬表面的高解析的实时测量温度分布，能够测定感应炉线圈内部任意点的温度场。

图14 含有OCP系统的线圈

在实际应用中，OCP系统主要包括：①OCP控制器，19in设计。②PC，包括调制解调器。③软件模块，它包含几种不同功能：显示炉子周围安装OCP传感器电缆的位置及温度，根据线圈的高度，最多同时在4个区域；据所选参考曲线显示相关温度偏离；显示单独测量点的时间/温度梯度以及平均的温度梯度；预设报警脱扣的限制值；温度测量数据的记录，以及在选定的时间期限定期记录平均温度。④OCP传感器电缆，它安装在炉子的永久性炉衬里。⑤带光学插头的光纤电缆与OCP控制器相连。

整个系统的特点是内嵌入熔炉控制系统，感应电缆是坚固耐用且为恶劣环境而专业设计的，传感器电缆安装在电炉的永久性内衬中，并因此暴露于高温、强大的交变电磁场、连续振动和腐蚀性气体中。即使在这些最困难的条件下，独特的传感器电缆设计仍能提供可靠和准确的温度测量，且使用寿命长。

除此以外，OCP系统在现场生产中还具有以下优点：

第一，防止误操作对线圈损害引起的停机。

第二，避免对人身的严重伤害，保证最大的运作安全。

第三，使得工作人员能够完全控制整个过程，保证工厂熔化过程中的安全运行。

第四，超高的分辨率和杰出的温度准确性，能够提供渗漏的精确位置和耐火炉衬的磨损程度。

实际生产中，虽然配置OCP光学线圈保护系统而略微增加一点费用，却改善了熔化系统的整体环境，它可以通过连续的监控，最终从“平均偏差”生成报警点，而在这个位置点，发现了熔炉破裂、熔液渗漏的情况。经过几个熔炉工作周期，一旦确定了关键的最高温度，OCP 系统可以提醒用户定期更换耐火炉衬，从而更加有效地确保工作人员的安全。

二、实际生产中的注意事项

通过对不同形式报警系统的对比可以发现，光学线圈保护系统作为不同于传统报警方式的新型先进技术，通过对整个炉壁进行全面监控，可以实现准确的预报警，提供铁液渗漏的精确位置，更重要的是它为操作者和管理者提供了炉衬的磨损程度预示，使工作人员可以完全控制金属熔炼的整个过程，从而最大限度地保证了生产的安全。

另外，要做到有效预防中频感应电炉发生漏炉事故，除了要有良好的报警系统，也要重视提高炉衬的寿命，使用并维护完好的耐火炉衬，对安全操作感应电炉是至关重要的。电感应的物理性质要求感应线圈和熔池之间的耐火炉衬越薄越好，但同时它又必须有足够的厚度来充分保护线圈，并且在面对熔融金属、添加剂和机械冲击的情况下能有效防止金属液渗漏，因此保持炉衬的整体完好性是防止漏炉的关键。

但是，操作者千万不要以为安装了有预报警性质的漏炉检测报警装置就可以完全放心，而不去注意观察炉体的变化，这样的想法一定要从根本上彻底杜绝。因为在实际生产过程中，漏炉检测报警装置一旦报警，就表示炉体漏炉事故已经发生，此时所谓的报警也仅起到提醒操作者避免事故扩大的作用，却并不能从根本上制止某些意外的发生。