李韻豪

第二講 感應(yīng)熔煉電爐容量確定與功率和頻率的選擇

應(yīng)達(dá)（中國） 供圖

編者按：本刊從2020年第1期開始連續(xù)12期連載李韻豪撰寫的《鑄造工業(yè)的感應(yīng)加熱》系列講座，主要涉及目前鑄造工業(yè)應(yīng)用最多的中頻無心感應(yīng)電爐，介紹各類鑄鐵、鋼，以及有色金屬中鋁、銅及其合金感應(yīng)熔煉爐和保溫爐的選型，電爐的設(shè)計(jì)以及感應(yīng)器參數(shù)的計(jì)算；金屬坩堝、石墨坩堝的設(shè)計(jì)以及感應(yīng)器參數(shù)的計(jì)算；專題討論感應(yīng)電爐的供電系統(tǒng)及變頻電源主電路的計(jì)算、諧波治理和功率因數(shù)提高問題；各類無心感應(yīng)電爐的耐火材料、筑爐工藝、感應(yīng)電爐循環(huán)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；感應(yīng)電爐的環(huán)境因素、電氣電磁安全防護(hù)、環(huán)境保護(hù)問題等，內(nèi)容濃縮了作者幾十年的寶貴從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)鑄造工廠感應(yīng)電爐熔煉設(shè)備的規(guī)劃、選型、操作、維修和管理，提供非常實(shí)用的參考與借鑒，敬請(qǐng)關(guān)注。

1 感應(yīng)熔煉電爐容量確定和選型

1.1 感應(yīng)熔煉電爐容量確定

鑄造工廠要上感應(yīng)熔煉電爐項(xiàng)目，首先面臨的是確定電爐容量。電爐的容量至少要滿足兩個(gè)條件：一是能滿足鑄造工廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模全年對(duì)金屬液的需求量；二是保證可能出現(xiàn)的最大鑄件澆注金屬液總量的需要。

感應(yīng)熔煉電爐，這里特指熔化鑄鐵和鑄鋼的電爐，一般情況下每爐次的熔化時(shí)間按1h來考慮。在額定容量盡可能小的爐內(nèi)熔煉金屬，采用較高功率滿足所需要的熔化率，這對(duì)提高工廠經(jīng)濟(jì)效益有著積極的影響：降低設(shè)備投資和生產(chǎn)用地等成本，熔煉過程中熱量損失及重新開機(jī)后存儲(chǔ)熱量損失較少。但功率密度的提高會(huì)受電氣、工藝工程技術(shù)和材料特性的制約。由于目前絕緣技術(shù)的局限，感應(yīng)器線圈兩端電壓的升高受到限制（不少廠家將電壓限制在3000V左右），水冷條件下線圈最大電流負(fù)荷也不能超過15kA，功率密度就不可能過高。另外，電磁力帶來的爐內(nèi)熔液攪拌過強(qiáng)會(huì)引起爐襯的沖刷磨損加快，還會(huì)影響熔液質(zhì)量。

所謂1h提供一爐金屬液，這1h除了升溫、加熱時(shí)間之外，還包括加料、出料、調(diào)整金屬液成分等輔助作業(yè)時(shí)間。

電爐容量的計(jì)算式為

式中GL——電爐容量（t）；

Nrh——電爐的熔化率（t/h）；

t——時(shí)間（h）。

鑄造工廠依照規(guī)劃的生產(chǎn)綱領(lǐng)，一般全年需要熔化的金屬量Nn和可能出現(xiàn)的最大鑄件的澆注量Nmax是已知的。下面我們通過一個(gè)實(shí)例來看電爐容量的確定過程[1-3]。

某鑄造工廠生產(chǎn)某種牌號(hào)的鑄鐵件，規(guī)劃年產(chǎn)量Nn為60000t，工廠生產(chǎn)性質(zhì)屬間斷性生產(chǎn)（即生產(chǎn)工藝過程可間斷），實(shí)行兩班制作業(yè)，共16h。生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間為2h（不包括在16h之內(nèi)）。該廠可能出現(xiàn)最大鑄件澆注量48t。

1）年規(guī)劃產(chǎn)量Nn＝60000t。

如果按鑄鐵件平均工藝出品率80%考慮，則實(shí)際年產(chǎn)量Ns為

對(duì)于鑄件不同材質(zhì)、結(jié)構(gòu)，以及不同鑄造方法和工藝方案，工藝出品率差別較大，廠家應(yīng)根據(jù)自身實(shí)際生產(chǎn)情況和技術(shù)水平，提出鑄件工藝出品率平均值，以計(jì)算實(shí)際年產(chǎn)量。

2）求熔化率Nrh，即每小時(shí)熔化的鐵液量。

由于該廠為間斷性生產(chǎn)、兩班制作業(yè)，根據(jù)GB/T 51266—2017《機(jī)械工廠年時(shí)基數(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中工業(yè)爐窯鋼鐵金屬熔煉爐的感應(yīng)電爐的規(guī)定，全年按50周、每周按5天工作日計(jì)算，則全年250個(gè)工作日、兩班工作制，第一班、第二班分別為8h，全年總工作4000h。公稱年時(shí)基數(shù)損失率8%，國標(biāo)規(guī)定的年時(shí)基數(shù)為4000×（100-8）%＝3680h，則設(shè)計(jì)熔化率Nrh'為

實(shí)際熔化率Nrh為

式中Nrh'——設(shè)計(jì)熔化率（t/h）；

Nrh——實(shí)際熔化率（t/h）；

K——調(diào)整系數(shù)，一般取K＝1.10～1.25。

K值的確定應(yīng)考慮可能產(chǎn)生的廢品，以及生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的不可預(yù)計(jì)情況，除作為裕度系數(shù)外，也是一個(gè)圓整系數(shù)，并要兼顧滿足最大鑄件的澆注量。

由此可知，這里的K＝1.178。

根據(jù)以上分析，實(shí)際熔化率Nrh求出后，就可以根據(jù)具體要求來選擇電爐容量。一般說來，電爐容量越大，生產(chǎn)效率越高，經(jīng)濟(jì)效益越好，單位生產(chǎn)成本也就越低。但實(shí)際在確定電爐容量時(shí)要考慮更多因素：投資費(fèi)用、生產(chǎn)占地、動(dòng)力規(guī)模、對(duì)熔液?jiǎn)挝粫r(shí)間需求量以及經(jīng)權(quán)衡得到的最大的投資回報(bào)率。在只是偶爾需要大量鐵液供應(yīng)的場(chǎng)合，不宜盲目選用過大容量爐子，許多場(chǎng)合往往按平常生產(chǎn)需求選擇多臺(tái)爐子的組合[4]。

本例經(jīng)綜合考慮，擬選用容量6t“一拖二”中頻無心感應(yīng)爐4套。4套6t“一拖二”電爐同時(shí)工作、8臺(tái)6t容量電爐熔化最高鐵液量48t，滿足了該廠偶爾有單件最大鑄鐵件澆注量48t的需求。

間斷性生產(chǎn)、兩班制的作業(yè)，設(shè)計(jì)年時(shí)基數(shù)3680h，符合絕大多數(shù)鑄造工廠的情況。若是其他工作性質(zhì)，如屬于短期連續(xù)、長(zhǎng)期連續(xù)或全年連續(xù)，再根據(jù)兩班制或者三班制可按表1選擇設(shè)計(jì)年時(shí)基數(shù)。

表1 工業(yè)爐窯鋼鐵金屬熔煉爐中感應(yīng)電爐設(shè)計(jì)年時(shí)基數(shù)

1.2 感應(yīng)熔煉電爐容量選型

感應(yīng)熔煉電爐的額定容量是指在產(chǎn)品銘牌上標(biāo)出的、在正常工作條件下爐子液態(tài)爐料的容量，也是電爐生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)坩堝容積時(shí)考慮的容量。感應(yīng)熔煉電爐允許有一定的超裝量，新爐襯時(shí)最大允許超裝量為額定容量的10%，在爐襯磨損后期其允許超裝量應(yīng)不大于額定容量的25%。

感應(yīng)熔煉電爐的額定容量是根據(jù)灰鑄鐵的液態(tài)密度制定的。生產(chǎn)鑄鐵、鑄鋼感應(yīng)熔煉電爐的廠家一般也會(huì)用到生產(chǎn)銅、鋁及其合金的電爐。這些廠家鑄鐵、鑄鋼電爐系列型譜符合優(yōu)先數(shù)系，但銅、鋁的液態(tài)密度分別約為灰鑄鐵的1.2倍、2.875倍，故銅、鋁熔煉電爐的額定容量，往往分別按鑄鐵和鑄鋼熔煉爐額定容量1.2倍、2.875倍來制定。這樣做有兩個(gè)前提：一是采購銅、鋁及其合金感應(yīng)電爐的用戶接受這種標(biāo)稱容量值；二是電爐制造廠家能保證熔化有色金屬電爐有合理的坩堝徑高比。

2 感應(yīng)熔煉電爐功率和頻率選擇

感應(yīng)熔煉電爐的輸入功率和頻率本身對(duì)熔化金屬的冶金過程并沒有直接影響，但輸入功率和頻率卻決定了熔液的熔化時(shí)間、在坩堝內(nèi)的攪拌程度、過熱度和總的熔煉周期。功率密度（即比功率，kW/t）和頻率的匹配是否合理，直接影響熔液在坩堝內(nèi)的攪拌程度：攪拌不足會(huì)使熔液溫度均勻度達(dá)不到要求，合金成分不均勻，不易熔化碎料；過分的攪拌會(huì)使合金燒損、合金元素收得率降低、吸氣嚴(yán)重及對(duì)爐襯過度沖刷侵蝕，縮短爐襯的使用壽命。因此，在電爐選型時(shí)，功率、頻率的合理匹配至關(guān)重要[6]。

2.1 感應(yīng)熔煉電爐功率、熔化率、單位電耗

（1）感應(yīng)熔煉電爐功率 感應(yīng)熔煉電爐的功率損耗包括三部分：一是供電系統(tǒng)，包括整流變壓器、主電路輸電線路、變頻電源、電熱電容器及匯流排等功率損失；二是感應(yīng)器線圈的電損耗、熱損耗，以及用于爐料加熱熔化、保溫的平均有效功率；三是電爐鋼結(jié)構(gòu)的功率損耗，爐體傾爐或爐蓋起閉等液壓、電氣傳動(dòng)系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、控制與測(cè)溫系統(tǒng)的功率損耗（一般爐外預(yù)熱的能耗、電耗不計(jì)在內(nèi)）。

確定感應(yīng)熔煉電爐變頻電源的額定功率分配如圖1所示。

圖1 變頻電源額定功率分配示意

我們將PT/P定義為感應(yīng)器的總效率η，將P2/P定義為感應(yīng)器的電效率ηt，將PT/ P2定義為感應(yīng)器的熱效率ηu，即

只要求出PT并知道η，就可確定變頻電源的額定功率。

根據(jù)焦耳楞次定律得到的熱量數(shù)學(xué)表達(dá)式：

Q即電流通過電阻時(shí)產(chǎn)生的熱量（J），I2R即PT。

Q又可以用（C1T1+Qr+C2T2）與G的乘積來表達(dá)，即

式中C1——爐料固態(tài)平均比熱（kJ/kg·℃)；

T1——爐料熔化溫度及與初始溫度之差；爐料熔化溫度見表2，初始溫度為環(huán)境溫度，一般取20℃。

Qr——爐料的熔化潛熱（kJ/kg）；

C2——爐料液態(tài)平均比熱（kJ/kg·℃)；

T2——爐料澆注溫度與熔化溫度之差。爐料的澆注溫度取鑄造工藝要求的過熱溫度；

G——電爐額定容量（kg）。

式中P——電爐額定功率（kW）；

PT——爐料加熱熔化平均有效功率（kW）；

G——電爐額定容量（kg）；

t——加熱時(shí)間（s）。

η——感應(yīng)器的總效率。熔煉鑄鐵η＝0.7～0.75，熔煉鑄鋼η＝0.65～0.70，大容量電爐取上限，小容量電爐取下限。

為方便計(jì)算電爐額定功率，熔煉鑄鐵和鑄鋼的效率值其實(shí)隱含了變頻電源、電熱電容器、大電流母線（匯流排）、鋼結(jié)構(gòu)的功率損耗。知道總效率η值就可以根據(jù)式（7）求出變頻電源的額定功率來。

鑄鐵、純鐵、鋼熱物理參數(shù)見表2[7-8]。

舉例：額定容量6t的感應(yīng)電爐，熔煉灰鑄鐵，牌號(hào)HT250（GB/T 9439—2010），1h提供6t鐵液。鐵液澆注溫度1395～1420℃，鐵液過熱溫度提高到1500～1520℃，出鐵液溫度1520℃。該牌號(hào)鑄鐵依據(jù)含碳量，查表2計(jì)算如下：

1h出一爐鐵液，感應(yīng)電爐電源裝置的通電時(shí)間t按50～55min，感應(yīng)器熔煉鑄鐵一般常用額定容量電爐的效率為0.70～0.75，本例按0.725，得到額定功率為3600kW。

（2）感應(yīng)熔煉電爐熔化率和單位電耗 熔化率是每個(gè)生產(chǎn)周期產(chǎn)量除以熔化時(shí)間的商，即爐料從起始溫度升溫到最終溫度，其重量（t）與用于爐料加熱、熔化所需的總時(shí)間即所謂給電爐實(shí)際通電總時(shí)間（h）之比。

本例通電總時(shí)間為50～55min，熔化鑄鐵6t，根據(jù)式（7），總效率如果是0.725（0.7～0.75之間），變頻電源輸出功率為3600kW，則計(jì)算時(shí)間為51.1min，此時(shí)熔化率計(jì)算值g=7.0t/h。

熔化率是感應(yīng)電爐一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)，按GB/T 10067.31—2013的要求，這個(gè)指標(biāo)連同單位電耗、升溫率（針對(duì)保溫爐）一起應(yīng)在企業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或訂購合同中規(guī)定。

感應(yīng)電爐的熔化率與熔煉生產(chǎn)率有著本質(zhì)的區(qū)別。熔煉生產(chǎn)率是把爐料從其起始溫度加熱、熔化和升溫到其額定溫度，然后進(jìn)行保溫、澆注、裝料的正常連續(xù)熔煉作業(yè)過程中的規(guī)定時(shí)間段內(nèi)所加爐料總重量與該段時(shí)間之比。而熔化率則并不包含裝料、保溫、澆注時(shí)間。生產(chǎn)廠家在與用戶簽訂合同時(shí)，務(wù)必把感應(yīng)電爐的生產(chǎn)率與熔化率這兩個(gè)不同概念區(qū)分開來，以避免產(chǎn)生誤會(huì)、引起糾紛。

表2 鑄鐵、純鐵、鋼熱物理參數(shù)

我國把單位電耗規(guī)定為感應(yīng)熔煉電爐的能耗參數(shù)。單位電耗是指生產(chǎn)單位重量的液態(tài)金屬所消耗的電能，即感應(yīng)電爐在連續(xù)熔煉作業(yè)過程中，在單位時(shí)間段內(nèi)（1h）用于把爐料從其起始溫度加熱、熔化和升溫或單獨(dú)升溫（指感應(yīng)保溫電爐）到其最終溫度供給電爐主電路的總電能與該段時(shí)間內(nèi)所加爐料總重量之比，單位為kW·h/t。

感應(yīng)電爐單位電耗按GB/T 30839.1—2014規(guī)定，除爐料在爐外預(yù)熱的能耗、電耗不計(jì)在內(nèi)，單位電耗包括電爐供電主電路輸入端計(jì)的電耗和電爐機(jī)電附屬設(shè)備電耗的總和。由此可見，按國標(biāo)規(guī)定的感應(yīng)電爐單位電耗不能僅考慮電爐本身的電耗。這兩者的數(shù)值相差較多，電爐生產(chǎn)廠家和用戶在簽訂合同時(shí)必須將這一點(diǎn)明確。

感應(yīng)電爐單位電耗的估算，如果按上述兩個(gè)方面計(jì)算電耗會(huì)非常繁瑣，而且未必能獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。國標(biāo)規(guī)定把電爐機(jī)電附屬設(shè)備的電耗也算到單位電耗之內(nèi)，實(shí)際上這部分電耗很難甚至是無法在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，若電爐生產(chǎn)廠家和用戶把這部分內(nèi)容列入設(shè)備的驗(yàn)收指標(biāo)，將會(huì)給雙方帶來很大麻煩。為方便計(jì)算，我們還是利用式（7）計(jì)算出功率，然后再根據(jù)熔化率計(jì)算出單位電耗。

式中 e——單位電耗（kW·h/t）；

P——單位時(shí)間熔化一定容量爐料時(shí)主電路功率（kW）；

g——熔化率（t/h）。

按GB/T 10067.31—2013規(guī)定，主電路額定功率值應(yīng)在變頻電源運(yùn)行在其額定功率時(shí)在整流變壓器網(wǎng)側(cè)測(cè)量。

用式（7）不同的總效率η就可以計(jì)算出不同的功率，然后根據(jù)式（8）就可以計(jì)算出不同等級(jí)指標(biāo)的單位電耗。

參照國標(biāo)GB/T 30839.31—2014，鑄鐵單位能耗分為三等。6t爐的一等、二等、三等分別估算為540～585kW·h/t、585～630kW·h/t、630～685kW·h/t。然后將6t爐已知條件和估算出的單位能耗，根據(jù)式（7）、式（8），可反算出一等、二等、三等的總效率η，它們分別為0.67～0.72、0.62～0.67、0.57～0.62。

即使在理想的情況下，電爐容量不同，同一種容量功率密度不同，η也不同。額定容量1～60t時(shí)，η有較大差異。GB/T 30839.31—2014規(guī)定鑄鐵（1450℃）的單位電耗分等，1t爐一等、二等、三等的單位電耗分別為590～635kW·h/t、635～680kW·h/t、680～735kW·h/t，對(duì)應(yīng)的η分別為0.61～0.66、0.57～0.61、0.53～0.57。而60t爐單位電耗分別為480～525kW·h/t、525～570kW·h/t、570～625kW·h/t，對(duì)應(yīng)的η則分別為0.74～0.81、0.68～0.74、0.62～0.68。

引入總效率η的目的是為了方便計(jì)算功率、熔化率（升溫率）和單位電耗。電爐生產(chǎn)廠家通過現(xiàn)場(chǎng)按國標(biāo)規(guī)定的試驗(yàn)方法實(shí)測(cè)出單位電耗和熔化率，然后運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工整理，并參考國內(nèi)外其他電爐生產(chǎn)廠家同類產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，制定出不同功率密度、不同容量電爐單位電耗和熔化率的范圍，根據(jù)總結(jié)出來的單位電耗和熔化率數(shù)據(jù)，運(yùn)用式（7）、式（8）可以推導(dǎo)出效率η值的范圍。已知不同規(guī)格的η值，運(yùn)用式（7）、式（8）計(jì)算出的單位電耗和熔化率，再用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)加以修正。

感應(yīng)熔煉電爐的能耗參數(shù)分等是由GB/T 30839.1—2014規(guī)定的，一般分為一等、二等、三等，也可以分為特等、一等、二等和三等，達(dá)不到三等的屬于等外，三等為合格水平，一等為國內(nèi)先進(jìn)水平，二等介于一等和三等之間，特等達(dá)到國際先進(jìn)水平[9]。

GB/T 10066.3—2014/IEC 62076：2006，IDT、GB/T 10067.31—2013規(guī)定了單位電耗e、熔化率或升溫率（保溫爐）g的測(cè)試方法，綜述如下：

1）測(cè)量應(yīng)在連續(xù)兩爐以后的熱態(tài)下進(jìn)行。

2）爐料。熔煉鋼應(yīng)采用普通中碳鋼料；熔煉鐵應(yīng)采普通鑄鐵爐料；其他熔材由企業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定或由生產(chǎn)廠家和用戶商定。

3）加料。爐料大小應(yīng)與電爐的額定頻率相適應(yīng)，且大小塊料應(yīng)搭配，以充分利用爐膛空間和避免搭橋，爐料表面應(yīng)無爐渣、砂粒、銹層或油污等。在添加試驗(yàn)爐料時(shí)，爐內(nèi)的液態(tài)金屬量（處于額定溫度）宜不少于爐子額定容量的1/3。試驗(yàn)爐料可分批加入，直至額定容量。每次加料后，應(yīng)使變頻裝置盡量輸出額定功率。一旦爐料加熱到最終溫度，馬上停電、試驗(yàn)結(jié)束。

4）試驗(yàn)期間所消耗的電能應(yīng)以整流變壓器網(wǎng)側(cè)的有功電度表計(jì)數(shù)為準(zhǔn)。除此之外，還應(yīng)補(bǔ)充附屬設(shè)備電耗，同時(shí)測(cè)量并記錄試驗(yàn)過程的時(shí)間及爐襯起始溫度、出爐溫度。為防止過熱，在達(dá)到最終溫度前應(yīng)進(jìn)行多次溫度測(cè)量。

5）單位電耗是用上面測(cè)得的電能（減去為補(bǔ)償試驗(yàn)期間爐子停電的熱損而增加的附加能耗）除以試驗(yàn)爐料的重量而得。

6）電爐的熔化率、升溫率（保溫爐）是用試驗(yàn)爐料的重量除以通電時(shí)間而得（通電時(shí)間應(yīng)減去為補(bǔ)償試驗(yàn)期間停電產(chǎn)生的熱損失而用的時(shí)間）。

7）為提高單位電耗、熔化率、升溫率（保溫爐）的準(zhǔn)確度，可重復(fù)上述試驗(yàn)連續(xù)熔化或升溫（保溫爐）三爐，采用三爐數(shù)據(jù)的平均值。

8）試驗(yàn)期間開起爐蓋和停電引起的熱損失會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果，宜盡可能減少這些熱損失，并在評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果時(shí)予以考慮。熔融金屬液剩余量多少也會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果，宜由電爐生產(chǎn)廠家和用戶商定。

2.2 感應(yīng)熔煉電爐頻率選擇

感應(yīng)熔煉電爐感應(yīng)器總效率η是熱效率ηu和電效率ηt的乘積，但頻率的確定只與電效率ηt的大小有關(guān)，而與熱效率ηu無關(guān)。根據(jù)電磁場(chǎng)理論，感應(yīng)器——爐料系統(tǒng)的電效率隨無因次函數(shù)即頻率的增加而增加。函數(shù)中D2為液態(tài)爐料等效直徑、Δ2為爐料內(nèi)電流透入深度。熔煉電爐與鍛造用透熱電爐不同，它沒有心表溫差的限制，故其頻率可以選高，取相當(dāng)于D2/Δ2≈10，電效率便可達(dá)到極限值。

式中 Δ2——爐料內(nèi)電流透入深度（m）；

f ——電流頻率（Hz）；

ρ2——爐料的液態(tài)電阻率（Ω·m）；

μr——爐料的相對(duì)磁導(dǎo)率，居里點(diǎn)后為1；

D2——爐料等效直徑（m）

對(duì)于爐料等效直徑，爐料（鑄鐵、鋼）未達(dá)到熔點(diǎn)前為單個(gè)爐料的等效直徑，熔化后的爐料等效直徑就是爐襯的平均內(nèi)徑。由于在熔煉過程中，爐料在熔點(diǎn)之前的時(shí)間相對(duì)很短，因此諸多文獻(xiàn)將D2直接就定義為爐襯的平均直徑。用這個(gè)公式計(jì)算出來的下限頻率是指爐料熔化后的最低頻率，液態(tài)爐料的加熱頻率只要不低于這個(gè)值，就可以保證電效率。感應(yīng)電爐實(shí)際選擇的頻率遠(yuǎn)高于公式計(jì)算值，工程上并不以這個(gè)公式來選擇感應(yīng)電爐的頻率[10-11]。

感應(yīng)電爐熔煉金屬過程中，金屬液感應(yīng)電流產(chǎn)生與其同心感應(yīng)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)相反的磁場(chǎng)。線圈和金屬液間將產(chǎn)生兩個(gè)相互排斥的電磁力。在這個(gè)電磁力的作用下，金屬液由坩堝壁被推向中心，使得中心部位的金屬液上升，同時(shí)使邊緣部位金屬液下落，造成處于坩堝中心的金屬液凸起形成“駝峰”。這種金屬液的不停運(yùn)動(dòng)，就是所謂的電磁攪拌?！榜劮濉爆F(xiàn)場(chǎng)和電磁攪拌是同一種物理現(xiàn)象的兩個(gè)方面。從熔煉工藝角度看，適度的電磁攪拌是有利的，即攪拌可促進(jìn)金屬液化學(xué)成分及溫度均勻，加速新加爐料的熔化，提高熔化率，并促使金屬與雜質(zhì)分離，熔液中非金屬夾雜物上浮，但“駝峰”高度則要限制在一定范圍內(nèi)，“駝峰”過高使得液面氧化、吸氣，爐渣不易覆蓋住熔液表面，而為了使?fàn)t渣覆蓋住熔液表面則必須加大渣量，這樣就會(huì)加劇爐襯侵蝕，并使電耗增加。

電磁攪拌按所熔煉的金屬材質(zhì)不同而分為重度、中度、輕度三種：灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、可壓延鐵類用重度攪拌；鐵合金、不銹鋼、碳鋼、鎳、銅、貴金屬（金、銀等）類用中度攪拌；錳鋼、黃銅、錫青銅、鋁青銅類用輕度攪拌。

工程上，用“駝峰”高度h'(單位：m）與爐料等效直徑D2(單位：m）的比值h'/D2來表征電磁攪拌強(qiáng)度。熔煉不同材質(zhì)的金屬時(shí)為獲得適度的電磁攪拌強(qiáng)度而推薦的h'/D2值見表3[12]。

根據(jù)不同材質(zhì)，使?fàn)t子運(yùn)行時(shí)能有適度的電磁攪拌，是感應(yīng)電爐設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。在爐料材質(zhì)、電爐額定容量、功率及爐料與感應(yīng)器線圈的相對(duì)位置確定后，頻率的合理選擇就是最重要的因素。

美國應(yīng)達(dá)工業(yè)有限公司（Inductotherm）前總裁亨利·羅文1971年曾在美國《鑄造》雜志上發(fā)表題為“無心感應(yīng)電爐頻率選擇圖”。16年后，享利·羅文針對(duì)電熱行業(yè)的技術(shù)發(fā)展對(duì)這張選擇圖又進(jìn)行了修改，如圖2所示。

圖2 無心感應(yīng)電爐頻率選擇

表3 熔化不同金屬時(shí)推薦的適度的h'/D2值

享利·羅文的頻率選擇圖不是由計(jì)算公式計(jì)算得來的，而是綜合了該公司的實(shí)踐和大量數(shù)據(jù)研究后得到的。

如何利用這幅圖選擇與容量對(duì)應(yīng)的合理的頻率？頻率較低時(shí)，啟熔難，單位功率密度的攪拌力大；頻率較高時(shí)，啟熔易，單位功率密度的攪拌輕。享利·羅文建議：

（1）選擇A區(qū)下限頻率時(shí)應(yīng)考慮的因素

1）采用殘液熔化法、選擇功率密度較低、熔煉鑄鐵。

2）熔化溫度低。

3）松散的料或需攪拌的屑料。

4）在導(dǎo)電坩堝中熔化有色金屬。

5）需要攪拌除氣的真空熔煉。

（2）選擇A區(qū)上限頻率應(yīng)考慮的因素

1）無殘液批量熔化時(shí)。

2）高功率密度。

3）熔化鋼。

4）熔化溫度高。

5）小塊或薄的冷料。

6）在一定溫度下保溫時(shí)間長(zhǎng)。

這幅頻率選擇圖同樣適合鋁及其合金感應(yīng)電爐的選頻，以3倍鋁的重量作為熔煉爐的容量來選擇合適的頻率[13]。

德國ABP感應(yīng)系統(tǒng)公司歐文·德約茨也有一幅鑄鐵和鋼熔煉爐的頻率選擇圖（見圖3）。

作者介紹，圖3中的數(shù)據(jù)是基于嚴(yán)格的核算和實(shí)際的生產(chǎn)操作經(jīng)驗(yàn)，較粗的紅線代表了該容量電爐的最佳頻率[14]。

亨利·羅文關(guān)于A區(qū)上下限頻率應(yīng)考慮的因素在這里也完全適用。感應(yīng)電爐頻率的選擇，除了電氣的技術(shù)問題外，還取決于熔煉工藝的要求，即熔煉所需要的合適的攪拌能力、電爐的爐容以及根據(jù)指定的熔化率所需要的功率。

應(yīng)達(dá)和ABP的頻率選擇圖是考慮到鑄鐵和鋼熔煉時(shí)的攪拌能力，如果仍不放心，當(dāng)然可以從工藝要求的駝峰高度（現(xiàn)場(chǎng)有經(jīng)驗(yàn)的鑄造工程師可以提出來），反推出合適的頻率進(jìn)行比較。計(jì)算方法后續(xù)章節(jié)會(huì)涉及到。

感應(yīng)電爐的頻率選取后，經(jīng)過圓整方法確定標(biāo)準(zhǔn)頻率。中頻感應(yīng)電爐的標(biāo)稱頻率應(yīng)按GB/T 1980—2005《標(biāo)準(zhǔn)頻率》選擇，該國標(biāo)為目前在用標(biāo)準(zhǔn)，與國際電工委員會(huì)IEC 60196 ：1965，MOD《IEC標(biāo)準(zhǔn)頻率》中50Hz系列頻率等級(jí)（IEC 60196 ：2009，MOD為現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)）。標(biāo)準(zhǔn)頻率值（Hz）如下：100、150、200、250、300、400、500、600、750、1000、1200、1500、2000、2400、3000、4000、8000、10000。有下劃線的標(biāo)準(zhǔn)頻率值作為優(yōu)先推薦值。

圖3 鑄鐵和鋼熔煉爐的頻率選擇

目前，國內(nèi)電爐產(chǎn)品的標(biāo)稱頻率值（Hz）依然習(xí)慣于采用150、250、400、（500）、1000、2500、4000、6000、8000、10000這樣的系列型譜（JB/T 8669—1997）。執(zhí)行GB/T 1980—2005這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，電爐生產(chǎn)廠家沒有技術(shù)障礙。筆者曾經(jīng)咨詢過國內(nèi)電熱電容器等與電爐配套的電工產(chǎn)品生產(chǎn)廠家，他們反映執(zhí)行這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)也沒有問題，看來這只是個(gè)習(xí)慣問題。為了促進(jìn)我國電氣設(shè)備技術(shù)水平的提高，在標(biāo)準(zhǔn)頻率值方面與國際接軌，使感應(yīng)電爐設(shè)備和其他感應(yīng)加熱設(shè)備在國際貿(mào)易中不受頻率差異的阻礙，電爐生產(chǎn)廠家與電爐配套電工產(chǎn)品生產(chǎn)廠家都應(yīng)該貫徹GB/T 1980—2005這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)[15-16]。

后記：鑄造工業(yè)的感應(yīng)加熱技術(shù)講座第一講在第一期發(fā)表后，讀者反響熱烈，有的讀者與作者進(jìn)行了連線交流、互動(dòng)，從本期開始由作者對(duì)一些讀者關(guān)注的有代表性的問題進(jìn)行整理并回答。歡迎更多讀者在閱讀每期講座后參與互動(dòng)，將您的問題、想法、觀點(diǎn)與業(yè)界同仁共享，共促行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。

讀者：您在第一講中的內(nèi)容，包括電熱行業(yè)的國標(biāo)都是“有心爐”、“無心爐”，但我們更多看到的是“有芯爐”、“無芯爐”，究竟這個(gè)“心”字帶不帶草字頭呢？

作者：感謝您對(duì)本講座的關(guān)注！

最早問世的感應(yīng)電爐為有心爐，因?yàn)樗写┻^感應(yīng)器線圈的鐵心而得名，又因?yàn)樗臒嵩礊橐画h(huán)繞線圈的熔溝（環(huán)繞在鐵心柱的周圍，由耐火材料制成的中空環(huán)形槽，其中裝有被熔金屬，在感應(yīng)電流作用下產(chǎn)生熱能）。無心爐的命名是相對(duì)有心爐而言的。

1）問題是“鐵心”這個(gè)詞，究竟寫做“鐵心”還是“鐵芯”？如果是寫“鐵芯”，那么“有芯爐”“無芯爐”就是對(duì)的。如果是“鐵心”，那“有心爐”“無心爐”的“心”字就不應(yīng)加“草字頭”。

2）鑄造行業(yè)的文獻(xiàn)在談到有心爐、無心爐時(shí)幾乎都是“有芯爐”“無芯爐”，這可能與該行業(yè)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)：GB/T 5611—2017《鑄造術(shù)語》第3.5.49條：“感應(yīng)電爐：利用感應(yīng)電流加熱和熔煉金屬的爐子。注：工頻爐按有無熔溝分為有芯和無芯感應(yīng)爐。”

3）最新版《現(xiàn)代漢語詞典》（商務(wù)印書館2016年9月第7版）“鐵芯”條：“鐵芯：電機(jī)、變壓器、電磁鐵等電器的中心部分。多用硅鋼片等材料制成?！笨芍冬F(xiàn)代漢語詞典》的鐵心是記做“鐵芯”的，這與相關(guān)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相左。

4）“鐵心”，是電工名詞。GB/T 2900.1—1992《電工術(shù)語 基本術(shù)語》是代替GB 2900.1—1982的同名標(biāo)準(zhǔn)，其中有“磁心”條文：“電機(jī)或器件中通常纏有繞組的磁性部件。同義詞：鐵心。”現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2900.1—2008《電工術(shù)語 基本術(shù)語》第3.3.117條：“磁（鐵）心：器件的一部分，由高磁導(dǎo)率材料構(gòu)成并用以引導(dǎo)磁通?！盙B/T 2900.95—2015《電工術(shù)語 變壓器、互感器、調(diào)壓器和電抗器》中，第4.2條：“鐵心結(jié)構(gòu)的術(shù)語和定義”，共有8條涉及與“鐵心”有關(guān)的條目，其中4.2.1條：“鐵心：變壓器類產(chǎn)品的磁路部分，通常是由電工鋼帶（或非晶合金帶材）制成的。”現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2900.23—1995第6.2.4條：“心式感應(yīng)器core type indoctor：具有用硅鋼片疊成的閉合鐵心的感應(yīng)器，在鐵心上套有感應(yīng)線圈，被加熱的液態(tài)或固態(tài)金屬也環(huán)繞該鐵心起變壓器二次線圈的作用?！痹摌?biāo)準(zhǔn)第6.2.8條、6.2.9條、6.2.14條、6.2.15條都是寫作“鐵心”，而且明確“無心感應(yīng)爐”、“有心感應(yīng)爐”。第6.3.6條無心感應(yīng)爐coreless induction furnace；第6.3.7條：有心感應(yīng)爐induction channel furnace。

5）1982年以前，包括電爐行業(yè)，在涉及“鐵心”“有心爐”“無心爐”時(shí)，這個(gè)“心”字有加草字頭，也有不加的，但從GB 2900.1—1982《電工術(shù)語 基本術(shù)語》頒布后，尤其隨著GB/T 2900.23—1992、GB/T 2900.23—2008的執(zhí)行，電爐行業(yè)的“鐵心”“有心爐”“無心爐”就都不帶“草字頭”了。像我們?cè)诘谝恢v中提到的中華人民共和國機(jī)械工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)JB/DQ 5074—1982《工頻無心感應(yīng)爐感應(yīng)器工藝守則》和JB/DQ 5072—1982《中頻無心感應(yīng)爐感應(yīng)器工藝守則》里邊提到無心爐就都是不帶“草字頭”的。直到近年來，新頒布的電熱和電磁處理裝置的國標(biāo)，如基本技術(shù)條件類GB/T 10067的第1、3、31、32、33、35部分；安全類GB5959的第1、3部分；試驗(yàn)方法類GB/T 10066的第1、3部分；能耗分等類GB/T 30839的第1、31、32、33、34部分，全部是不帶“草字頭”的“有心爐”“無心爐”。

6）同一種電熱裝置，鑄造行業(yè)和電熱行業(yè)的國家標(biāo)準(zhǔn)竟然有兩種不同的術(shù)語表示，這勢(shì)必會(huì)引起混亂。有資料介紹，通過互聯(lián)網(wǎng)檢索關(guān)鍵詞“有心爐”與“有芯爐”，發(fā)現(xiàn)“有心爐”詞條只有3240條，而“有芯爐”詞條多達(dá)30900條，可見問題之嚴(yán)重。

因此，筆者建議：

1）“鐵心”作為電工詞匯，商務(wù)印書館《現(xiàn)代漢語詞典》2016年9月第7版“鐵芯”條，應(yīng)按GB/T 2900.1—2008《電工術(shù)語 基本術(shù)語》及相關(guān)國標(biāo)改為“鐵心”。詞的釋義也應(yīng)按GB/T 2900.95—2015《電工術(shù)語 變壓器、調(diào)壓器和電抗器》第4.2.1條做出適當(dāng)?shù)男薷摹?/p>

2）新修訂的、2018年1月1日起施行的《中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)化法》明確規(guī)定：各個(gè)領(lǐng)域要有統(tǒng)一的技術(shù)要求，都應(yīng)制定標(biāo)準(zhǔn)。所謂標(biāo)準(zhǔn)就是在某個(gè)范圍內(nèi)有統(tǒng)一的技術(shù)要求。所謂標(biāo)準(zhǔn)化是指在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、科學(xué)及管理等社會(huì)實(shí)驗(yàn)中，對(duì)重復(fù)性事物和概念通過制定實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到統(tǒng)一，以獲得最佳秩序和社會(huì)效益的過程。對(duì)同一種電熱產(chǎn)品，不同行業(yè)制定的國家標(biāo)準(zhǔn)，竟有不同的表述，必須加以糾正。GB/T 5611—2017《鑄造術(shù)語》中幾處出現(xiàn)“有芯爐”“無芯爐”的地方，都應(yīng)該按照GB/T 2900系列標(biāo)準(zhǔn)及電熱行業(yè)的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，改為“有心爐”“無心爐”。鑄造行業(yè)的出版物也應(yīng)按GB/T 2900系列標(biāo)準(zhǔn)及電熱行業(yè)的相關(guān)國標(biāo)寫作“有心爐”、“無心爐”。