李 瑛，徐 鵬

（株洲冶煉集團股份有限公司，湖南株洲 412004）

·機械設(shè)備·

平流型小功率感應(yīng)器的改進與應(yīng)用

李 瑛，徐 鵬

（株洲冶煉集團股份有限公司，湖南株洲 412004）

介紹了株洲冶煉集團股份有限公司90 kW平流型小功率感應(yīng)器的主要技術(shù)改進方向，包括感應(yīng)器熔溝設(shè)計改進、感應(yīng)器制作方法及耐火材料的選型的改進等。對改進后新型感應(yīng)器與老式感應(yīng)器的功率進行了測試對比，經(jīng)過改進后90 kW感應(yīng)器的功率得到一定的提高，并對感應(yīng)器使用壽命的影響因素進行了分析。

感應(yīng)器；熔鋅電爐；熔溝；耐火材料

由于工頻有芯感應(yīng)爐具有閉合磁路，并具有電效率和功率因素高、熔池保溫好、熱效率高、設(shè)備投資額低等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于電解陰極鋅片的熔鑄、熱鍍鋅、鑄造鋅合金等行業(yè)中。隨著我國熔鋅工頻有芯感應(yīng)爐技術(shù)飛速發(fā)展，近年來，雖然株洲冶煉集團股份有限公司成功引進了60 t－1 200 kW以及45 t－900 kW的大型感應(yīng)熔鋅爐，但90 kW對接式感應(yīng)器的老式傳統(tǒng)電爐目前還有6臺在使用，共計有36臺感應(yīng)器，承擔著大量生產(chǎn)任務(wù)。由于該種傳統(tǒng)的感應(yīng)器都采用內(nèi)置鋅環(huán)作熔溝，通過水玻璃料搗筑制成的，并且感應(yīng)器與熔池的內(nèi)襯整體搗筑。在使用過程中，感應(yīng)器耐火材料爐襯易開裂而漏鋅，感應(yīng)器使用壽命不長直接影響電爐的壽命，維護費用高；一方面感應(yīng)器的實際功率低，達不到90 kW；另一方面更換感應(yīng)器勞動強度大，存在一定的安全隱患。在目前條件下，很有必要研發(fā)使用壽命長并且實際功率能達到90 kW的感應(yīng)器，這是一個簡便易行、又降低生產(chǎn)成本的措施。

1 平流型小功率感應(yīng)器的改進

1.1 感應(yīng)器殼體的設(shè)計

按照感應(yīng)器可拆的技術(shù)要求，設(shè)計制作可拆卸式平流型小功率感應(yīng)器殼體，該種感應(yīng)器不直接焊接在電爐殼體上，而是作為感應(yīng)電爐的一個部件，通過一個連接法蘭與感應(yīng)電爐連接，法蘭設(shè)有定位銷和緊固螺釘，加工時采用專用模板，保證其相對位置的尺寸精度，確保感應(yīng)器損壞能隨時拆卸更換，對生產(chǎn)的影響可縮短到8 h以內(nèi)。拆卸式感應(yīng)電爐運用感應(yīng)體拆卸技術(shù)則從根本上解決了感應(yīng)器損壞而死爐的問題，設(shè)計的感應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 有芯感應(yīng)電爐感應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 感應(yīng)器熔溝的設(shè)計

感應(yīng)器是有芯感應(yīng)爐的關(guān)鍵技術(shù)所在，其中熔溝是核心技術(shù)之一，研究表明熔溝的形狀對爐子的有效功率、爐襯的壽命等因素有重要影響。感應(yīng)器熔溝截面積通常呈矩形或長圓形，其截面的徑向厚度（b溝）和軸向高度（a溝）按下式計算：

式中：δ透為熔溝內(nèi)金屬在液態(tài)時的電流穿透深度，計算公式如下：

式中：ρ金為熔溝金屬的電阻系數(shù)／Ω·cm（20℃，Zn的電阻系數(shù)為（6.0～6.2）×10－6）；μ為熔溝金屬的相對磁導率，熔融金屬取1；f為電源頻率／Hz，工業(yè)頻率為50 Hz。

對熔煉鋅金屬而言，徑向厚度（b溝）和軸向高度（a溝）通過計算并根據(jù)經(jīng)驗值［1］取如下值較為合理：

小功率單溝感應(yīng)器一般設(shè)計為“U”型熔溝，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 “U”型熔溝結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 爐襯耐火材料的選擇

感應(yīng)器熔溝對爐襯耐火材料要求較高，需具備良好化學穩(wěn)定性、高的機械強度、低的熱膨脹系數(shù)、高的抗熱震穩(wěn)定性、高的致密度以及低的金屬潤濕性等性能。傳統(tǒng)老式感應(yīng)器常用的爐襯材料是干式搗打料和水玻璃料，而這兩種材料的強度不夠，容易龜裂而漏鋅，從而縮短了感應(yīng)器的使用壽命。隨著科學技術(shù)的進步，研發(fā)的耐火材料種類不斷增多，出現(xiàn)了高強度的高鋁質(zhì)和剛玉質(zhì)低溫澆注料，這兩種耐火材料施工工藝簡單，結(jié)構(gòu)力強，防鋅滲漏能力強，是用作感應(yīng)器爐襯的優(yōu)良耐火材料，用該材料制成的感應(yīng)器使用壽命可以提高數(shù)倍以上。

1.4 感應(yīng)器爐襯的搗筑及烘烤

老式感應(yīng)器采用預(yù)處理的鋅環(huán)制作熔溝的方法，是采用工藝復雜且常溫易固化分層的水玻璃耐火混凝土搗筑而成的。而改進的新型感應(yīng)器則是將熔溝設(shè)計成空心木模安裝在感應(yīng)器殼體內(nèi)，適用于熱起熔，當爐襯烘烤到預(yù)定溫度時，即可向爐內(nèi)灌以金屬液，使金屬液進入熔溝迅速形成二次回路。選用低水泥澆注料作爐襯材料，搗筑的感應(yīng)器聯(lián)成一個整體，混凝土沒有任何分層，熔溝耐火料填充完好。感應(yīng)器搗筑完，自然干燥7 d左右，在木模內(nèi)穿電阻絲，按照烘烤曲線通電烘烤，邊烘烤木模邊炭化，最后木模完全炭化，然后用高壓風吹出熔溝內(nèi)的碳渣，制作出空心結(jié)構(gòu)且熔溝壁光滑平整的感應(yīng)器熔溝。熔溝烘烤方式如下：每小時升10℃至120℃，保溫24 h；從120℃開始每小時升溫10℃至200℃，保溫24 h；再從200℃開始每小時升溫10℃至350℃，保溫24 h。

2 功率測試及分析

2.1 功率測試

新型感應(yīng)器與老式功率測試對比見表1。

表1 新型感應(yīng)器與老式功率測試對比表 kW

從表1的實驗數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論：新型可拆卸式感應(yīng)器由于改進了熔溝截面積及爐襯材料等，功率有了較大的提高，與老式感應(yīng)器相比其功率提高了16.26%。

2.2 感應(yīng)器功率影響因素

對于改進后的感應(yīng)器功率的提高，主要是從溶溝體積設(shè)計的合理性、耐火材料厚度設(shè)計的合理性以及感應(yīng)器殼體設(shè)計的合理性和安裝等方面進行分析。

2.2.1 熔溝體積對功率的影響

熔溝體積和感應(yīng)器的功率的關(guān)系可以由下式說明：式中：P效1為每個感應(yīng)器的有效功率／kW；P溝0為熔溝功率密度／kW·cm－3，鋅為0.035～0.05 kW／cm3。

對于確定的耐火材料及確定的金屬熔體，功率密度是個確定值，即熔溝體積與感應(yīng)器的功率是正比函數(shù)關(guān)系。當感應(yīng)器功率一定，熔溝體積越大，熔溝內(nèi)熔融金屬的流速就越慢，影響熱交換而降低熔化能力；如果熔溝體積太小，在熔體流動的過程中，熔體中的渣易堵塞熔溝，造成局部高溫影響感應(yīng)器的壽命。

2.2.2 耐火材料厚度對功率的影響

一般來說，對于直徑及線圈匝數(shù)一定的感應(yīng)器，感應(yīng)器爐襯的厚度（即感應(yīng)器內(nèi)壁到熔溝的距離）越厚，透磁阻力越大，實際有效功率就越?。桓袘?yīng)器爐襯的厚度越薄，透磁阻力就越小，實際有效功率就越大。但爐襯太薄，爐襯易開裂形成裂漏，影響感應(yīng)器的壽命。所以實際設(shè)計制作感應(yīng)器時，爐襯內(nèi)壁厚度一般保證70～80 mm為宜。

2.2.3 漏磁對感應(yīng)器功率的影響

漏磁是影響感應(yīng)器有效功率的重要因素之一，為了解決漏磁的問題，主要從設(shè)計和安裝兩個方面改進。設(shè)計制作殼體時在感應(yīng)器殼體的壓板及底板處開槽，以阻斷磁力線；安裝底板的槽及殼體的檔板時，聯(lián)接部位一定要組裝絕緣板，以阻斷磁力線。通過上述兩種方法可有效解決感應(yīng)器漏磁的問題，減少功率損失，提高有效功率。

2.3 感應(yīng)器壽命影響因素

2.3.1 耐火材料對感應(yīng)器壽命的影響

耐火材料的性質(zhì)決定了感應(yīng)器是否容易裂漏。常用的耐火材料有干式搗打料、水玻璃料、高鋁質(zhì)低溫澆注料及剛玉質(zhì)低溫澆注料。老式感應(yīng)器常用干式搗打料及水玻璃料，這兩種耐火材料做成的爐襯容易產(chǎn)生裂漏，使用壽命短，對于合金爐平均使用壽命在6個月以下。新研發(fā)的感應(yīng)器所使用的耐火材料為高鋁質(zhì)低溫澆注料及剛玉質(zhì)低溫澆注料，這兩種耐火材料在施工時熔溝不采用預(yù)處理的鋅環(huán)，而只能用木模做熔溝。該種耐火材料燒結(jié)后結(jié)構(gòu)致密強度高，不易產(chǎn)生裂漏，感應(yīng)器使用壽命可以提高到一年以上。

2.3.2 溫度對感應(yīng)器壽命的影響

感應(yīng)器的工藝溫度一般控制在440～500℃，太高或太低都會影響爐襯的壽命。溫度太高，爐襯開裂形成裂漏，影響感應(yīng)器壽命；溫度低鋅液流動性差，熔渣易堵塞熔溝，在爐內(nèi)溫度升高的情況下，熔溝局部溫度過高而導致裂漏。生產(chǎn)實踐證明：鋅錠爐鋅液面穩(wěn)定，爐內(nèi)溫度均勻，感應(yīng)器使用壽命長；而合金爐鋅液面不穩(wěn)定，爐內(nèi)溫度變化大，感應(yīng)器熔溝溫度變化大，感應(yīng)器使用壽命比鋅錠爐短。因此，控制爐內(nèi)溫度穩(wěn)定是延長感應(yīng)器使用壽命的關(guān)鍵因素之一。

3 結(jié) 語

1.通過從感應(yīng)器殼體的設(shè)計和安裝、感應(yīng)器的熔溝截面積、耐火材料的選型以及爐襯厚度設(shè)計等方面的技術(shù)改進，新型感應(yīng)器功率提高了16.26%。

2.選用高鋁質(zhì)澆注料或剛玉質(zhì)澆注料能有效地延長感應(yīng)器的使用壽命，爐襯厚度合理設(shè)計為70～80 mm，既可以減少功率的損失又能提高感應(yīng)器的壽命。

3.除了從技術(shù)改進方面來提高感應(yīng)器的壽命外，還應(yīng)通過控制爐內(nèi)溫度穩(wěn)定、合理的進料、防止放炮、精心烤爐等方面以及通過精心操作和維護來提高感應(yīng)器的使用壽命。

4.生產(chǎn)實踐證實，改進后的90 kW新型感應(yīng)器在一定程度上節(jié)約了生產(chǎn)成本，降低了工人勞動強度。

［1］ 《有色冶金爐設(shè)計手冊》編委會.有色冶金爐設(shè)計手冊［M］.北京：冶金工業(yè)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，高級工程師，主要從事冶煉技術(shù)研究和管理工作。