平流型小功率感应器的改进与应用

李 瑛，徐 鹏

（株洲冶炼集团股份有限公司，湖南株洲 412004）

·机械设备·

平流型小功率感应器的改进与应用

李 瑛，徐 鹏

（株洲冶炼集团股份有限公司，湖南株洲 412004）

介绍了株洲冶炼集团股份有限公司90 kW平流型小功率感应器的主要技术改进方向，包括感应器熔沟设计改进、感应器制作方法及耐火材料的选型的改进等。对改进后新型感应器与老式感应器的功率进行了测试对比，经过改进后90 kW感应器的功率得到一定的提高，并对感应器使用寿命的影响因素进行了分析。

感应器；熔锌电炉；熔沟；耐火材料

由于工频有芯感应炉具有闭合磁路，并具有电效率和功率因素高、熔池保温好、热效率高、设备投资额低等优点，已被广泛应用于电解阴极锌片的熔铸、热镀锌、铸造锌合金等行业中。随着我国熔锌工频有芯感应炉技术飞速发展，近年来，虽然株洲冶炼集团股份有限公司成功引进了60 t－1 200 kW以及45 t－900 kW的大型感应熔锌炉，但90 kW对接式感应器的老式传统电炉目前还有6台在使用，共计有36台感应器，承担着大量生产任务。由于该种传统的感应器都采用内置锌环作熔沟，通过水玻璃料捣筑制成的，并且感应器与熔池的内衬整体捣筑。在使用过程中，感应器耐火材料炉衬易开裂而漏锌，感应器使用寿命不长直接影响电炉的寿命，维护费用高；一方面感应器的实际功率低，达不到90 kW；另一方面更换感应器劳动强度大，存在一定的安全隐患。在目前条件下，很有必要研发使用寿命长并且实际功率能达到90 kW的感应器，这是一个简便易行、又降低生产成本的措施。

1 平流型小功率感应器的改进

1.1 感应器壳体的设计

按照感应器可拆的技术要求，设计制作可拆卸式平流型小功率感应器壳体，该种感应器不直接焊接在电炉壳体上，而是作为感应电炉的一个部件，通过一个连接法兰与感应电炉连接，法兰设有定位销和紧固螺钉，加工时采用专用模板，保证其相对位置的尺寸精度，确保感应器损坏能随时拆卸更换，对生产的影响可缩短到8 h以内。拆卸式感应电炉运用感应体拆卸技术则从根本上解决了感应器损坏而死炉的问题，设计的感应器结构示意图如图1所示。

图1 有芯感应电炉感应器结构示意图

1.2 感应器熔沟的设计

感应器是有芯感应炉的关键技术所在，其中熔沟是核心技术之一，研究表明熔沟的形状对炉子的有效功率、炉衬的寿命等因素有重要影响。感应器熔沟截面积通常呈矩形或长圆形，其截面的径向厚度（b沟）和轴向高度（a沟）按下式计算：

式中：δ透为熔沟内金属在液态时的电流穿透深度，计算公式如下：

式中：ρ金为熔沟金属的电阻系数／Ω·cm（20℃，Zn的电阻系数为（6.0～6.2）×10－6）；μ为熔沟金属的相对磁导率，熔融金属取1；f为电源频率／Hz，工业频率为50 Hz。

对熔炼锌金属而言，径向厚度（b沟）和轴向高度（a沟）通过计算并根据经验值［1］取如下值较为合理：

小功率单沟感应器一般设计为“U”型熔沟，其结构示意图如图2所示。

图2 “U”型熔沟结构示意图

1.3 炉衬耐火材料的选择

感应器熔沟对炉衬耐火材料要求较高，需具备良好化学稳定性、高的机械强度、低的热膨胀系数、高的抗热震稳定性、高的致密度以及低的金属润湿性等性能。传统老式感应器常用的炉衬材料是干式捣打料和水玻璃料，而这两种材料的强度不够，容易龟裂而漏锌，从而缩短了感应器的使用寿命。随着科学技术的进步，研发的耐火材料种类不断增多，出现了高强度的高铝质和刚玉质低温浇注料，这两种耐火材料施工工艺简单，结构力强，防锌渗漏能力强，是用作感应器炉衬的优良耐火材料，用该材料制成的感应器使用寿命可以提高数倍以上。

1.4 感应器炉衬的捣筑及烘烤

老式感应器采用预处理的锌环制作熔沟的方法，是采用工艺复杂且常温易固化分层的水玻璃耐火混凝土捣筑而成的。而改进的新型感应器则是将熔沟设计成空心木模安装在感应器壳体内，适用于热起熔，当炉衬烘烤到预定温度时，即可向炉内灌以金属液，使金属液进入熔沟迅速形成二次回路。选用低水泥浇注料作炉衬材料，捣筑的感应器联成一个整体，混凝土没有任何分层，熔沟耐火料填充完好。感应器捣筑完，自然干燥7 d左右，在木模内穿电阻丝，按照烘烤曲线通电烘烤，边烘烤木模边炭化，最后木模完全炭化，然后用高压风吹出熔沟内的碳渣，制作出空心结构且熔沟壁光滑平整的感应器熔沟。熔沟烘烤方式如下：每小时升10℃至120℃，保温24 h；从120℃开始每小时升温10℃至200℃，保温24 h；再从200℃开始每小时升温10℃至350℃，保温24 h。

2 功率测试及分析

2.1 功率测试

新型感应器与老式功率测试对比见表1。

表1 新型感应器与老式功率测试对比表 kW

从表1的实验数据可以得出如下结论：新型可拆卸式感应器由于改进了熔沟截面积及炉衬材料等，功率有了较大的提高，与老式感应器相比其功率提高了16.26%。

2.2 感应器功率影响因素

对于改进后的感应器功率的提高，主要是从溶沟体积设计的合理性、耐火材料厚度设计的合理性以及感应器壳体设计的合理性和安装等方面进行分析。

2.2.1 熔沟体积对功率的影响

熔沟体积和感应器的功率的关系可以由下式说明：式中：P效1为每个感应器的有效功率／kW；P沟0为熔沟功率密度／kW·cm－3，锌为0.035～0.05 kW／cm3。

对于确定的耐火材料及确定的金属熔体，功率密度是个确定值，即熔沟体积与感应器的功率是正比函数关系。当感应器功率一定，熔沟体积越大，熔沟内熔融金属的流速就越慢，影响热交换而降低熔化能力；如果熔沟体积太小，在熔体流动的过程中，熔体中的渣易堵塞熔沟，造成局部高温影响感应器的寿命。

2.2.2 耐火材料厚度对功率的影响

一般来说，对于直径及线圈匝数一定的感应器，感应器炉衬的厚度（即感应器内壁到熔沟的距离）越厚，透磁阻力越大，实际有效功率就越小；感应器炉衬的厚度越薄，透磁阻力就越小，实际有效功率就越大。但炉衬太薄，炉衬易开裂形成裂漏，影响感应器的寿命。所以实际设计制作感应器时，炉衬内壁厚度一般保证70～80 mm为宜。

2.2.3 漏磁对感应器功率的影响

漏磁是影响感应器有效功率的重要因素之一，为了解决漏磁的问题，主要从设计和安装两个方面改进。设计制作壳体时在感应器壳体的压板及底板处开槽，以阻断磁力线；安装底板的槽及壳体的档板时，联接部位一定要组装绝缘板，以阻断磁力线。通过上述两种方法可有效解决感应器漏磁的问题，减少功率损失，提高有效功率。

2.3 感应器寿命影响因素

2.3.1 耐火材料对感应器寿命的影响

耐火材料的性质决定了感应器是否容易裂漏。常用的耐火材料有干式捣打料、水玻璃料、高铝质低温浇注料及刚玉质低温浇注料。老式感应器常用干式捣打料及水玻璃料，这两种耐火材料做成的炉衬容易产生裂漏，使用寿命短，对于合金炉平均使用寿命在6个月以下。新研发的感应器所使用的耐火材料为高铝质低温浇注料及刚玉质低温浇注料，这两种耐火材料在施工时熔沟不采用预处理的锌环，而只能用木模做熔沟。该种耐火材料烧结后结构致密强度高，不易产生裂漏，感应器使用寿命可以提高到一年以上。

2.3.2 温度对感应器寿命的影响

感应器的工艺温度一般控制在440～500℃，太高或太低都会影响炉衬的寿命。温度太高，炉衬开裂形成裂漏，影响感应器寿命；温度低锌液流动性差，熔渣易堵塞熔沟，在炉内温度升高的情况下，熔沟局部温度过高而导致裂漏。生产实践证明：锌锭炉锌液面稳定，炉内温度均匀，感应器使用寿命长；而合金炉锌液面不稳定，炉内温度变化大，感应器熔沟温度变化大，感应器使用寿命比锌锭炉短。因此，控制炉内温度稳定是延长感应器使用寿命的关键因素之一。

3 结 语

1.通过从感应器壳体的设计和安装、感应器的熔沟截面积、耐火材料的选型以及炉衬厚度设计等方面的技术改进，新型感应器功率提高了16.26%。

2.选用高铝质浇注料或刚玉质浇注料能有效地延长感应器的使用寿命，炉衬厚度合理设计为70～80 mm，既可以减少功率的损失又能提高感应器的寿命。

3.除了从技术改进方面来提高感应器的寿命外，还应通过控制炉内温度稳定、合理的进料、防止放炮、精心烤炉等方面以及通过精心操作和维护来提高感应器的使用寿命。

4.生产实践证实，改进后的90 kW新型感应器在一定程度上节约了生产成本，降低了工人劳动强度。

［1］ 《有色冶金炉设计手册》编委会.有色冶金炉设计手册［M］.北京：冶金工业出版社，2004.

The Improved Low Power Inductor Application in Zinc Smelting Induction Furnace

LIYing，XU Peng
（Zhuzhou Smelter Group Co.，Ltd，Zhuzhou 412004，China）

This paper introduces the key technology improvement of the 90kW low power inductor，including the improvement ofmelting channel，the design of inductor structure and the selection of inductor refractories，in Zhuzhou Smelter Group Company.There is a power test comparison of the improved inductor and the old one，and the power of the improved one is fairly enhanced，then it analyzes some factors influencing the service life of the inductor.

inductor；zinc smelting induction furnace；melting channel；inductor refractories

TH7

：A

：1003－5540（2014）06－0068－03

2014－10－09

李 瑛（1966－），男，高级工程师，主要从事冶炼技术研究和管理工作。