中频感应电炉磁轭立柱设计

2023-01-03刘威

金属加工(热加工) 2022年12期

刘威

奥托容克冶金设备（上海）有限公司上海 200090

1 序言

中频感应电炉以其功率密度大、熔化速度快、起熔方便、操作使用灵活，以及投资费用低等优点，在铸造和冶金行业广泛应用[1]。中频感应电炉的感应线圈通入三相交流电，其产生的交变磁通穿过金属炉料，在金属炉料内产生感应电流而使其发热熔化。

若提高金属炉料的熔化效率，则必须加大输入功率。输入功率越高，电磁搅拌力越大，磁轭立柱产生的振动也越大[2]。另外，随着输入功率的提高，熔化金属产生的热量加剧，磁轭立柱被加热的程度越大。本文所研究的40t中频感应电炉，输入功率为20000kW，如此大的功率，给磁轭立柱设计带来了很大挑战。

本文通过对磁轭立柱受载进行有限元分析，验证了所设计磁轭立柱母材的可靠性；通过增加水冷系统，减轻了磁轭立柱因交变磁场而引起的局部发热、发红现象，确保磁轭立柱受载稳定；通过对顶紧磁轭螺栓组件的持续改进，设计出了符合实际工况的磁轭立柱。

2 中频感应电炉及磁轭立柱结构和主要技术参数

中频感应电炉结构如图1所示，磁轭立柱结构如图2所示，主要技术参数见表1。

表1 中频感应电炉主要技术参数

由图1、图2可看出，磁轭立柱上的磁轭螺栓顶紧磁轭，磁轭在螺栓压力的作用下压紧感应线圈。三相交流电通过线圈电缆接头输入感应线圈，其产生交变的纵向磁通穿过金属炉料时，生成感应电流熔化金属。金属炉料加热熔化、出炉倒铁液等，都需要磁轭立柱为其提供支撑力。

图1 中频感应电炉结构示意

图2 磁轭立柱结构

3 磁轭立柱受载强度分析

感应电炉在熔化金属炉料和倾炉过程中，依据经验公式计算出磁轭立柱所受最大转矩为1795kN·m，炉体共有9根均布的磁轭立柱，故每根磁轭立柱承受力矩最大值约为199.5kN·m。

为了验证所设计的磁轭立柱是否符合实际要求，应用有限元软件对其进行强度分析，得到了磁轭立柱的等效应力和变形位移分布，如图3、图4所示。

图3 磁轭立柱等效应力分布

图4 磁轭立柱变形位移分布

由图3可看出，磁轭立柱在倾炉时的等效应力最大值为152.2MPa，且主要位于上部区域，其等效应力最大值低于材料的屈服极限。由图4可看出，磁轭立柱在倾炉时的变形最大值为14.81mm，仅分布在下部边缘处，而超过95%区域变形量在10mm以下，因此可判定磁轭立柱变形位移在允许范围内。

4 磁轭立柱增加水冷系统

在实际生产过程中，输入功率16000kW、额定容量为30t的中频感应电炉，其磁轭立柱四周被交变磁场加热发红，温度高达150℃以上。而本文所研究的40t中频感应电炉，其输入功率为20000kW，增大了输入功率，熔化金属产生的热量加剧，磁轭立柱四周加热变形程度也会增大。经有限元分析，得到其局部温升最大值为500℃。而Q235钢材温度超过200℃时，其材料屈服强度会下降，变形量加剧，材料稳定性变差[3]。如果立柱选用奥氏体不锈钢材质，则可在很大程度上减少发热，但炉子成本增加较多。

为解决上述难题，在磁轭立柱四周焊接4根水冷管，并通过水管接头两两相连串成水冷系统，如图5所示。中频感应电炉在工作状态下，水冷管中通入一定压力的循环冷却水，就可有效降低磁轭立柱因交变磁场而引起的局部发热、发红现象。经过实践验证，在水冷管通入冷却水后，其温度在80℃左右，对Q235钢的综合力学性能几乎没有影响。

图5 磁轭立柱加入水冷系统示意

5 顶紧磁轭的螺栓组件设计

感应线圈中通入三相交流电后，产生三相交变磁场。输入功率越大，其产生的交变磁通越大，对金属炉料的搅拌力也越大。而磁轭立柱上的顶紧螺栓将磁轭压紧在线圈上，因此交变磁场产生的搅拌冲击力全都由顶紧螺栓组件承受。本文所研究的中频感应电炉，输入功率高达20000kW，其产生的巨大搅拌冲击力直接作用在顶紧螺栓组件上，因此对顶紧螺栓组件的合理设计，是整个炉子设计质量的关键。

5.1 螺栓组件设计

图6所示为螺栓组件设计结构，顶紧螺栓选用M30改制螺栓，螺栓尾部进行磨平处理。定位矩形块与磁轭立柱的H型钢呈一定角度斜向焊接，保证了顶紧螺栓的中心轴线指向炉体中心，这样顶紧螺栓承受的主要是向心力。在设备调试安装时，对顶紧螺栓施加一定的预紧力使其压紧在磁轭上。随着预紧力的增大，螺纹块与顶紧螺栓之间产生相对位移，螺纹块向左运动，将蝶形弹簧组压紧，但仍需留出一定的弹性余量。顶紧螺栓调整到预定位置后，用锁紧角铁将顶紧螺栓卡牢，防止其松脱。

图6 螺栓组件设计结构

中频感应电炉在熔化金属炉料的过程中，由于熔化温度高，因此感应线圈等部件会发热变形，若其发热变形体积增大，则会直接作用在顶紧螺栓上。因为顶紧螺栓组件的蝶形弹簧仍有一定的弹性余量，所以可平衡感应线圈发热变形带来的影响。

上述所设计的顶紧螺栓组件，在实际应用过程中，顶紧螺栓组件安装调节方便，可有效地压紧磁轭。但在运行1个月后，出现1/3的顶紧螺栓弯曲变形，需要及时更换才能继续生产运行。

5.2 螺栓组件改进

经分析，所设计的螺栓组件，其螺杆悬臂长度达到230mm。经验证，其压杆稳定性较差。另外，炉体所产生的巨大振动，也是压杆弯曲变形的重要原因。

基于上述考虑，改进后的螺栓组件如图7所示。在原设计的基础上，将蝶形弹簧和螺纹块移到定位矩形块的右边，在其外部焊接加强矩形管。改进后，螺杆悬臂长度减小为160mm，满足对压杆稳定性的要求。

图7 螺栓组件改进结构

改进的顶紧螺栓组件，在实际应用过程中，顶紧螺栓的压杆稳定性加强，工作状态较前期稳定。但使用一段时间后，仍出现少部分的顶紧螺栓弯曲变形。

经过在设备运行现场的认真观察，发现该中频感应电炉在熔炼金属时，由于振动较大，部分磁轭出现了位置偏差，即磁轭中心轴线和顶紧螺栓中心轴线不在同一条直线上，出现了顶偏现象。在这种情况下，顶紧螺栓不仅承受轴向力，而且承受侧向力。在这样的受力情况下长期运行，顶紧螺栓势必会产生弯曲变形。

5.3 满足生产实际的螺栓组件

图8所示为螺栓组件的最终设计结构。加强矩形管与螺纹块焊接在一起，发挥定位螺母的作用。螺杆的悬臂长度进一步缩小，只有75mm，大大增强了顶紧螺栓的压杆稳定性。在顶紧螺栓的尾部加上了套筒，其前段加工有凸台。球面垫圈、锥面垫圈和蝶形弹簧装配后，紧压在套筒凸台上。压紧套左右两端均开孔，左端孔内装入套筒，右端孔装入绝缘垫块，最后通过绝缘垫块压紧磁轭。