铸造行业中频感应电炉的工艺与管理节能的应用实践

肖连华，曹瑞荣，刘 宇

（唐山钢铁集团重机装备有限公司，河北唐山 063036）

0 前言

铸造行业中熔炼工序由于受铸件多品种、小批量、高质量、多品种规格的影响一直是高耗能的工序。近年来，中频感应电炉熔炼受容量限制，没有推广实施冶炼强化节能措施,冶炼工序能耗居高不下，但是节能措施的研究一直没有间断。我公司现有中频炉设备主要参数如表1 所示，主要用于熔炼钢水和铁水，采用静态铸造和离心铸造工艺生产冶金轧辊，年产量在1.5 万吨水平。

表1 中频炉设备主要参数

熔炼生产采用单炉生产或多炉配炉生产，熔炼电耗长期在850kW·h/t 水平。我们根据中频感应电炉的生产特点及生产实践经验，为提高生产效率、提高熔化速度、减少熔炼时间等，从工艺、设备、管理等方面研究分析总结中频感应电炉节能的措施与实施效果，供同行借鉴。

1 工艺方面节能技术

1.1 合理配加钢铁料

炉料必须根据化学成分、含杂质情况及块度大小进行适当分类加工，对轻、薄料打包处理，保证顺利加料。根据炉口尺寸规定炉料尺寸，按照多年实践经验，炉料直径与炉体直径之比为0.30～0.35 为宜。

轧辊铸造行业中频炉炉料中含有大量轧钢工序返回废辊，使用得当不仅减少合金料加入，而且熔化速度较快。对圆柱形金属材料研究表明：当圆柱形金属材料的直径d 与透入深度△h 的比值为3.7 时，总效率最高（见图1）。

图1 感应加热效率和d/△h 的关系

1.2 钢铁料加工处理

轻、薄料打包后的密度对熔炼时能耗的影响如图2 所示。10t 无芯中频电炉，输入功率6000kW、500Hz，使用压紧废钢料时的密度从2.0t/m 提高到2.5t/m，每吨铁液可节能25kW·h；如电炉中有40%以上的铁液存在，则比全部熔炼切屑可省电50kW·h/t，并缩短熔炼时间。

图2 炉料紧密度对能耗的影响

1.3 钢铁料的清洁与干燥

1.3.1 钢铁料的清洁

钢铁料中耐火材料、氧化铁锈等杂质熔化要吸收热量，增加渣量，延长熔化时间，消耗电量，并且侵蚀炉壁，降低炉子寿命(见表2），要求入炉的钢铁料杂质尽量的少。

表2 10t 中频炉加入废钢质量对能耗的影响(1460℃)

1.3.2 钢铁料的干燥

炉料入炉前采用干燥窑余热进行充分预热干燥，预热温度为250～400℃，去除水分、油污、挥发物及其他杂质，减少气体，避免引起飞溅，保证操作安全，降低电耗10%～15%，并能显著提高铁水质量和生产率。

实践证明：利用干燥窑、热处理炉等工业炉体的余热预热炉料到300℃，节电效果显著，出铁温度为1460℃时，可使电炉熔化能力增加13.67%，电耗降低11.03%。

1.4 布料合理

按炉内温度分布特点，中频感应加热时磁力线在中部中央的密度最大，中频炉中部与下部炉料堆积密度越大越好[1]，磁力线穿过间隙的机会减少，加热效率相应提高；装料时应上松下紧，大小料搭配，还避免熔化过程中炉料架桥。加热和熔化速度提高，可以缩短熔化周期，提高生产效率。

利用各种炉料的合理搭配，做到低熔点物料先加入，高熔点物料后加入，并保证钢液中主要化学成分符合要求，有害杂质元素含量尽可能少、不超标，快速调整化学成分，避免因调整成分而拖延熔炼时间，增加电耗。小块炉料或轻、薄、屑料等不宜在冷炉时加入，而应直接加到铁水中，以降低电耗。

1.5 合理选用不同容量的炉体

现有1t、1.5t、3t、7t、10t、20t 等不同容量的中频炉，避免用大容量炉体熔化少量铁水，装料高度高于感应器高度，抑制金属液的搅拌强度和降低驼峰高度，提高炉体生产效率。实践证明合理装料及持续加料，保证炉内金属液不少于熔池容积2/3 时，可以改善冶炼的技术经济指标，降低电耗，见表3。

表3 10t 中频炉加入废钢质量预热前后对能耗的影响(1460℃)

1.6 熔炼工艺的优化改进

1.6.1 合理的供电制度

开始通电时，先供给65%～75%左右的功率，待电流冲击停止后，迅速将功率增到最大值，以加快炉料的熔化。熔化全过程尽可能处在低温下，由于炉内温度较低，相应粘度也较高，这样可以适当仰制熔液的电磁搅拌，降低金属液驼峰高度。

1.6.2 合理的炉前操作技术

（1）控制后续炉料每次加入量，采用每次少量、多次加入的加料方式，尽可能不使钢液温度下降太多，避免炉内钢液结壳。

（2）勤观察、勤捣料，防止炉料“架桥”。搭棚使炉内金属液温度过高，停留时间过长，处理时撞击炉衬，都会缩短炉衬寿命。熔炼作业中，采用浇注前短时间升温而其余时间铁液保持较低温度，可减少高温铁液对炉衬的侵蚀，延长炉衬使用寿命，降低电耗[2]。

（3）从熔化期开始就要加强造渣操作，高温钢液在渣层覆盖下减少了辐射热损失，对钢液还可起保温作用。

一般控制渣量为1%～3%，且扒渣要快、准，尽量缩短除渣时间，以降低电耗。

（4）铸造生产中采用浇注前短时升温，而其余时间铁液保持较低温度，可减少高温铁液对炉衬的侵蚀，延长炉衬使用寿命，降低电耗。在高温状态下，SiO2+2C→Si+2CO，温度越高、C 越高、Si 越低，炉衬的蚀损将加剧，尤其在新炉时更为明显，严禁高温熔炼，是提高炉龄、降低电耗的好方法[3]。

（5）采用炉盖防止散热，除必要的操作打开炉盖外，应始终关紧炉盖。敞开炉口对高温铁液造成的辐射热损失相当大。

1.6.3 控制合理出炉温度

出炉温度可以用以下经验公式来确定：t=t0+△t1+△t2+（80～100）

式中，t 为出炉温度（℃）；t0为冶炼品种的液相点（℃）；△t1为铁液从炉内转移到浇包后产生的温降（℃）；△t2为浇注前镇静时间产生的温降（℃）。

出炉温度要根据铁水重量、浇注包的烘烤情况、浇注时间等因素来确定。浇注包必须经过充分烘烤，保持500℃以上温度，减小温降。在保证浇注质量的前提下，应尽可降低钢液的过热温度，以缩短熔化时间，减少电耗。

1.6.4 出铁后炉内的剩余铁水量

中频炉的优点是炉内铁水可以出净，但炉内铁水出净倒空往往使下一炉冶炼功率因数下降，熔化速度降低，不利于电耗降低。当班首次出铁水时炉内留一定量的铁液，可使下炉铁水初始熔炼时磁场强度提高，熔化速度加快，达到节能效果。

1.7 优化炉衬设计

金属液在电磁力的搅拌下会对炉衬产生强烈冲刷，另外加料时会对炉衬造成剧烈碰撞与振动，所以要求炉衬应尽可能厚些。但从炉子的电气特性方面，炉衬尽可能薄些才能有更高的电效率和输入更大的功率。

20t 中频感应电炉的炉衬厚度由350mm 减少到330mm，试验结果冶炼铁水平均电耗由659 kW·h/t 降低到632kW·h/t。随着炉衬减薄，感应器功率增大，熔化速度加快，能耗随之减少。

改进筑炉工艺，确保打结质量，严格按工艺规程烘炉，满足感应炉电气特性又保持原有炉衬寿命，提高炉龄并节能显著[4]。

1.8 采用一拖二中频炉提高功率因数

采用串联逆变式晶闸管中频电源的技术实现两个炉子由一台电源控制，获得良好的启动特性。保证满载重载状态下，能随意起动，一台用来熔炼，一台用来保温，不间断熔炼，负载工作在高压小电流情况下，铜损小，在任意功率下功率因数可达95%。

2 管理方面节能

2.1 熔炼作业制度

积极利用峰谷电价差，采用午班、夜班错峰连续熔炼，冶炼操作人员轮换公休连续冶炼。利用炉体和包体余热，降低冶炼能耗。中频感应电炉通常冷启动单位电耗为782kW·h/t，热炉操作时，单位电耗为（720～745）kW·h/t。

2.2 熔化与其他工序的衔接

杜绝和避免等待时间，有效地节约能源。据经验以每炉次平均冶炼时间170min～200min 计，每缩短1min 的冶炼时间，就可节约0.1%左右的电能。

2.3 维护好中频感应电炉

做好设备维护，使衬体、供电系统等正常运行，减少相应的损耗增加。

每次测量炉衬尺寸，做好检查记录，及时维护薄弱之处。

2.4 正确选择中频感应炉的容量

同一铁水量，应当在正常生产条件下选择多台适当容量的炉子，既可以提高生产过程灵活性的可靠性，解决单台大容量中频感电炉由于事故引起的停产问题，又可以减小熔炼少量铁水时因为容量过大达不到额定功率而引起的耗电量。

2.5 实施“列车时刻表法”分段冶炼时间管控

设置冶炼过程分阶段的时刻表，准点率80%以上，不足80%实施考核。

3 结论

（1）以上措施综合实施，节能效果显著，平均冶炼电耗由729.25kW·h/t 降低到616.32kW·h/t，降低冶炼电耗102.93kW·h/t，实现冶炼成本降低61.76 元/t。

（2）以上措施综合实施，实现了冶炼时间的降低与生产效率的提升。

（3）中频感应电炉熔炼节能工作是一个系统工程，实施某一方面节能措施是不够的，需要综合应用各种技术与管理手段，并将技术节能与设备、管理节能进行有机结合，在工艺、设备和管理等方面进行综合掌控，才能取得更好的节能效果。