金属渗漏探测装置在有芯炉上的应用

吴小渊

(铜陵金威铜业有限公司， 安徽 铜陵 244000)

金属渗漏探测装置在有芯炉上的应用

吴小渊

(铜陵金威铜业有限公司， 安徽 铜陵 244000)

国外一种新型铜液渗漏探测装置，应用于有芯炉感应器，可以动态监视感应器耐火材料的使用寿命。通过观察水冷套泄漏电流变化趋势，提前安排更换感应器，避免发生漏炉事故。

渗漏； 接地电流； 探测； 耐火材料

0 前言

工频有芯感应炉具有排气性好、电热效率高、氧化烧损少等优点，在铸造行业被广泛使用。有芯炉的炉膛及其感应器均采用耐火材料作为炉衬，隔离高温液态金属。相对炉膛来说，感应器熔沟距离水冷套的炉衬厚度较薄，且要承受熔沟内流动的液态金属冲刷，同时高温液态金属也对耐火材料产生一定的侵蚀作用，因此，运行中炉衬的状态不断发生变化。当耐火材料的磨损和侵蚀达到极限时，或因筑炉质量存在缺陷的时候，如不及时发现就有可能发生金属渗漏，造成重大的漏炉事故。当然，耐火材料使用状态的变化肉眼无法观察到，只有通过特殊的检测装置判断，才有可能及早发现、提前更换感应器，避免发生漏炉事故。目前针对漏炉的检测手段，在无芯炉上应用比较普遍，但有芯炉与无芯炉结构完全不同，因此鲜有使用，用户大都根据自己的运行经验，估计炉衬状况和使用寿命。实际生产中，往往存在着赶产量或者延长使用炉衬的侥幸心理，漏炉事故时有发生，给设备和人员带来严重危害。金威公司引德国INDUGA工频有芯感应炉设备，生产无氧铜铸锭，本文就感应器渗漏原因及探测手段作简要介绍。

1 设备介绍

无氧铜炉组采用工频有芯炉，由两台熔化炉和一台保温炉组成。熔化炉为左右旋转式桶型炉膛结构，液压缸驱动，有效容积34 t，炉体下侧翼呈V字型分布两台1200 kW感应器，通过自动加料装置向炉膛送入阴极铜料进行熔化；保温炉采用前后倾翻式方型炉膛结构，液压缸驱动，有效容积32 t，炉体下方配500 kW感应器。熔化炉精炼好的铜液通过流槽注入保温炉，由保温炉向铸造设备提供浇铸铜液。熔化炉和保温炉均采用逆变器电源供电，额定频率55 Hz，自动化控制系统由西门子S7- 300系列PLC构建，并配备HMI。

有芯炉的结构主要包括上炉体、炉衬、感应器等。上炉体是铜液和炉衬的载体；打结好的炉衬形成炉膛(也称熔池)，用来承放铜液和铜料，炉衬起隔热和保温作用，能够降低铜液的温度损失；

感应器是有芯炉核心部分，感应器是熔化铜料的热泵，通过感应加热方式将熔沟内的铜液升温，高温铜液与上炉体熔池内铜液热交换，持续熔化熔池中铜料，达到熔化或保温的目的。

1.1 感应器工作原理

感应器包括：线卷、铁芯、水冷套、熔沟、耐火材料和壳体，其结构如图1所示。

1.外壳 2.耐火材料 3.熔沟 4.水冷套 5.线圈 6.铁芯图1 感应器剖面示意图

从基本工作原理上来说，感应器等同于变压器。

线圈相当于变压器一次侧，采用两只线卷并联连接，W型铜熔沟相当于匝数为2的二次侧线圈。线圈固定在铁芯柱上，放置于熔沟之内。由法拉第电磁感应定理可知，当一次侧线圈流过交流电流时，产生的交变磁通沿U字型铁芯闭合，磁通穿过熔沟会产生感应电动势，当熔沟回路闭合时则产生感应电流。

法拉第电磁感应定律公式为：

(1)

式中E—感应电动势，V；φ—磁通量，Wb；t—磁通变化时间，s。

熔沟电流计算公式为：

Iside=nI1

(2)

Icenter=2nI1

(3)

式中Iside—两侧熔沟电流，A；Icenter—中间熔沟电流，A；I1—线圈电流，A；n—单只线圈匝数。

熔沟具有一定的电阻值，由焦耳定律可知，电流通过导体所发出的热量与电流平方、电阻和时间成正比。其焦耳定律表达式为：

Q=I2Rt

(4)

式中Q—导体的热量，J；I—导体电流，A；R—导体电阻，Ω；t—电流流过导体时间，s。

因此，利用电流热效应将强大的电流转换为热能，加热熔沟内的液态金属铜。在电磁压缩力的作用下，熔沟内的铜液产生快速流动，按照两侧流出中间流入的规律，以对流的方式将热能传递给上部熔池中的铜液，使之加热和熔化固体铜料。

1.2 铜液渗漏原因分析

从感应器剖面图中可以看出，熔沟水冷套之间填充着耐火材料，也称之为炉衬。水冷套采用8 mm紫铜板卷制而成，内圈蛇形焊接空心矩形铜管，主要是用来支撑耐火材料，蛇形铜管内通冷却水降低铜板温度，隔离高温耐火材料对线圈产生的热辐射，提高线圈使用寿命。耐火材料的主要作用是形成熔沟槽，并且定位熔沟与水冷套之间相对位置，它经过高温烧结后形成W型熔沟腔体，铜液在沟槽内急速流动。

造成铜液渗漏的影响因互素主要有三个方面：第一，高温铜液对耐火材料贯气孔具有侵入和填充作用。耐火材料完成烧结后，熔沟周围自动形成三层不同结构炉衬，即：烧结层、过渡层和松散层，松散层与水冷套相邻。正常情况下，金属液体不能透过烧结层，而凝固在烧结面的等温线上，渗透面与耐火材料表面平行，在铜液的流动、冲刷及振动等外力作用下，逐渐产生网状裂纹，裂纹被金属渗透并填充，当渗透逐渐扩大时，改变了烧结层的应力结构，引起热膨胀，导致裂纹不断增加，过渡层被侵蚀，直至进入松散层。第二，筑炉工艺引起质量缺陷。感应器耐火材一般都采用人工打结，要求逐层打实，并且一气呵成，否则在烧结过程中内部会发生松动而产生裂纹。第三，感应器炉衬接合面过盈。感应器接合面部位打结过高，与炉体装配对接时，如果将联接螺栓直接紧固到位，会造成上下炉衬严重挤压，导致水冷套下沉而改变耐火材料的致密结构，烧结后容易产生裂纹。

因此，感应器炉衬一旦产生裂纹，铜液就会侵入耐火材料，并逐渐靠近水冷套，到达炉衬渗透临界厚度时，熔沟内铜液贯穿炉衬，烧坏水冷套，造成漏炉事故。

2 漏炉探测系统

在了解感应器渗漏特征后，可以总结出一个规律，渗漏之前铜液会有个渗透的演变过程，并且铜液是逐渐靠近水冷套，因此，探测铜液与水冷套的接近程度，就可以判断出渗透变化情况。该探测系统正是利用这一特征，对铜液的渗漏情况进行探测。

2.1 漏炉电流产生原理

感应器线圈通工频交流电，根据电磁感应的原理，两侧均闭合的熔沟中感应出强大的感应电流，电流方向判定遵照楞次定律。W型熔沟套在U型铁芯上，穿过两侧熔沟的磁力线方向相反，则两侧感应电流方向相反。由于两侧线圈匝数相等，因此理想情况下熔沟左侧与右侧流过的电流I相等，中间部为2I。根据电流的磁效应，通电熔沟周围将产生磁场，而且越靠近熔沟磁场强度越大，利用安培定则可以判断出磁场方向，如图2所示。交变的磁力线穿过水冷套产生感应电势。正常情况下，由于水冷套距离熔沟距离较远，磁场强度较低，穿过水冷套的磁通量较小，因此产生微弱的感应电势可以忽略。如果任意一侧熔沟发生渗透，并向水冷套方向靠近，这时水冷套附近的磁场强度增大，穿过水冷套的磁通量随之增大，感应电势增强。若将水冷套接地，则水冷套与大地之间将产生接地电流(称之为漏炉电流)。熔沟渗透越靠近水冷套，接地电流越大。

图2 熔沟磁场分布图

从图2中可以看出，左右两侧熔沟产生的磁场方向是相反的，因此两只水冷套感应电动势在相位上相差180度。如果渗透点A与渗透点B同时出现，则水冷套A与B之间电势差增大，若将AB水冷套之间用导线连接，则此导线中产生很大的环流。

2.2 IRIS探测系统

IRIS漏炉探测系统，主要由信号采集箱、渗漏监视仪表及PLC控制系统组成。信号采集箱与水冷套电流检测回路通过35 mm2电缆连接，采集的漏炉电流通CT转变为0～5 A至IRIS仪表。该系统具有漏炉电流检测、线圈水冷套短路检测和故障报警功能。一旦铜液有渗漏的倾向，水冷套上的渗透电流在IRIS仪表中被显示出来，并可在HMI中查询电流的历史曲线，观察其变化规律。接线方式如图3所示。

图3 渗漏探测系统图

熔沟正常的情况下，漏炉监视仪表上显示的漏电流为0。当熔沟和水冷套之间的耐火材料发。

生金属渗透时，水冷套的感应电势就会出现，并且随着铜液的靠近，电感耦合越来越强，产生的电流也越来越大，漏炉监视仪将0～5 A电流变为0～20 mA信号至PLC模块，HMI中将实时显示渗漏电流。

根据使用经验，50 A的渗透电流为漏料前的安全极限值，因此将过电流报警信号设为50 A。当监视仪发出过电流报警信号，PLC立即切断感应器电源。如果感应器线圈与水冷套之间有异物，泄漏电压超过40 V时，过电压保护将动作，发出报警信号并切断感应器电源。同时，该系统还可具有断线报警功能，防止大电流烧断探测装置与水冷套之间的连接电缆，造成漏炉探测失效。

3 应用效果

该投备投入运行6年来，出现过多起漏炉报警。第一次发生漏炉报警时，为进一步判断，屏蔽了报警信号后，将两只水冷中间过桥线断开，用钳形电流表分别测量两只水冷套漏炉电流，测量数据见表1。而将过桥线接上后，通电125 kW过桥线立即被烧断。

由于当时生产任务比较紧，心存侥幸心理，将报警信号屏蔽后继续生产，9天之后便出现了严重漏炉事故，感应器水套和线圈全被烧毁，大量的铜液还流入了附近电缆沟，引发了二次事故，将铸造设备电缆全部烧坏，造成很大损失。

表1 渗透电流实测数据

在吸取惨痛教训之后，操作人员密切监视漏炉电流变化。之后几年中分别出现过三次漏炉报警，技术人员进行了有效甄别，在渗透电流达到50 A前，就作了感应器更换准备，并将旧感应器拆开检查耐火材料，发现铜液确实已渗透至水冷套附近，如不及时更换就会酿成漏炉事故。

4 结束语

金属渗透探测系统的应用，对熔沟的侵蚀和渗漏状况有了判断依据，因此，可以有效利用耐火材料使用寿命。根据渗透电流变化的历史曲线，合理安排生产，能够避免重大漏炉事故。该探测系统在有芯炉设备上具有极高推广价值。

[1] 赵涛，周子民，熊家政，李勇.喷流式感应体熔沟内金属熔体流动数值仿真[J].大学学报，2010，31(1)：53-57.

[2] 李恩琪，殷经星，张武城.铸造用感应电炉[M].北京：机械工业出版社，1997.

ApplicationofMetalInfiltrationDetectionDeviceinCoreFurnace

WU Xiao-yuan
(Tongling Jinwei Copper Co., Ltd. Tongling 244000, China)

A new type of copper liquid leakage detection device in abroad, applied in the channel inductors, can dynamically monitor service life of refractory material of the channel inductors. By observing the protection cylinder leakage current trends, inductor replacement is arranged ahead of time, and avoids leakage accident of furnace.

infiltration； grounding-current； detection； refractory material

2014-10-12

吴小渊(1972-)，男，安徽铜陵人，工程师，大学本科，主要从事中频电源及电气自动化应用的研究。

TF806

B

1003-8884(2014)06-0040-03