感应电炉的节能与环保 两点思路
当前，能源供应紧张已经成为经济社会发展的重要制约因素之一。中国能源消费总量占世界能源消费总量的1/10，约为美国的1/3，居世界第二。但能源供给和能源安全问题已经显现。我国能源利用率为33%，比国际先进水平低10个百分点，主要产品单位能耗平均比国际先进水平高40%；但是另一方面，我国能源利用效率低，浪费大，污染严重；用电管理粗放，企业、机关、居民都还存在很多不良消费习惯，节电潜力很大。
因此，必须高度重视节电工作，采取节电措施，提高电能利用效率，降低电力消耗。能源形势告诉我们，全面实现小康社会的征程，也将是克服能源制约的历程，节约用电是全社会的共同责任，中国特色的现代化道路必须是节能之路。
中频感应炉因其投资较少、见效快、操作方便等优点，被广泛使用。感应熔炼加热对于铸铁而言，有利于获得低硫铁液，是冲天炉无法比拟的。熔炼速度快，感应电炉效率高，烧损少，热损失较小，车间温度相对较低，减少产生烟尘，在节约能源，提高生产率，改善劳动条件，降低劳动强度，以及净化车间环境等方面效果显著。
但是，感应电炉生产节能问题一直受到使用企业的关注。下面我们从感应电炉的生产特点及数十年的生产实践经验中，从提高生产效率、提高熔化速度、减少熔炼时间等几方面入手，总结出中频感应电炉生产节电的几个途径，与业界的各位同行探讨。
1 节能思路之一
通常感应炉中真正用于金属升温和熔化的功率只占输入总功率的60%～70%，铸铁较多，铸钢次之，铜铝更低。其余30%～40%都以各种形式损耗掉。主要包括电源变压器，中频电源柜，铜排及水冷电缆，以及炉衬和感应圈，其中感应圈热损失及补偿电容器组与感应圈之间一段导线（水电缆）热损失占总输入功率的20%以上，炉口热辐射及炉体传导热损失达总功率的10%，因此合理设计感应圈及其馈电线路，采用高压大吨位设计方案，可大大节约能源，提高熔炼速度，一达到温度即开始浇注，减少保温时间，节能效果明显，炉子容量越大越节能。这就是高速熔炼大吨位高产低耗的设计原理。
1.1 选购设备时应注意的事项
铸造企业在选择中频熔炼炉时应根据变压器容量，产量要求，以及投资额度等作为选择标准，在选购设备时应注意以下事项。
对于1000kW以下的中频电源一般采用三相五线制380V，50Hz工业用电，配置6脉冲单整流中频电源；对于1000kWY以上的中频电源则侧重于使用660V进线电压（有的厂家使用575V或750V，由于是非标准的电压等级，配件不好选购，建议不要选择使用）配置12脉冲的双整流中频电源，原因有两个：一是通过提高进线电压提高额定工作电压；二是大功率产生的谐波会干扰电网，通过双整流可以获得较为平直的直流电流，负载电流为矩形波，负载电压接近正弦波，减少电网干扰对其他设备的冲击。
有的用户盲目地追求高电压（有的1000kW使用900V进线电压），低电流以来达到节能的目的，岂不知这样是以电炉的寿命为代价的，得不偿失，高电压容易造成电元器件寿命缩短，铜排、线缆疲乏，使电炉寿命大打折扣。另外，高电压对于电炉生产厂家来说，在用材方面减少了原材料，节约了成本。电炉厂家肯定是乐意这样做（高售价、低成本）。但最终吃亏的还是电炉的使用厂家。
在输配电项目建设环节中推广使用低损耗变压器。变压器的经济运行，变压器经济运行指在传输电量相同的条件下，通过择优选取最佳运行方式和调整负载，使变压器电能损失最低。变压器经济运行无需投资，只要加强供用电科学管理，即可达到节电和提高功率因数的目的。每台变压器都存在有功功率的空载损失和短路损失，无功功率的空载消耗和额定负载消耗。
变压器的容量、电压等级、铁芯材质不同，故上述参数各不相同，因此变压器经济运行就是选择参数好的变压器和最佳组合参数的变压器运行。
功率利用率，指在一个工艺周期内，炉子通电时间与整个工艺周期之比，由于能量损耗与炉子停电时见成正比关系，且停电时损失的能量，必须在下次通电时有点能补偿。因此，工艺周期内各工序占用时间越少，功率利用率便越大，电耗就越低。
1.2 调整思路 注重节能
普通KGPS并联中频电源，IGBT串联中频电源及新型的KGPS并联中频电源的比较选择。
1.2.1 普通KGPS可控硅并联中频电源
优点：是过去几十年来一直最广泛使用的，价格低廉，易维修，配件便宜。
缺点：高耗能，吨钢液耗电大于700kW•h以上。采用调节直流电压方式调节功率，功率因数低（≤0.85），有谐波干扰，对变电所无功补偿电容器运行有不同程度的影响。
1.2.2 IGBT串联中频电源
优点：整流采用全波整流，且采用电容及电感组成的LC滤波方式使得功率因数达到0.96以上，基本无谐波干扰。逆变部分采用串联逆变工作模式，负载工作在高压小电流情况下，铜损小因而大大提高了效率。吨钢液耗电小于600kW•h。
缺点：IGBT中频电源对工作环境要求高。
1.2.3 KGCL可控硅串联中频电源
KGCL晶闸管串联中频电源继承上述两种产品的优点，采用全波整流电源，在整个工作过程中整流始终处于全开通状态（相当于二极管整流）；设备的功率因数始终处于最高状态（≥0.96）。不产生高次谐波，对电网无污染，不影响变电所无功补偿电容器的运行。比普通晶闸管并联中频电源节能15%左右。而且，配件便宜易采购，易维修。因此，KGCL晶闸管串联中频电源是重点推广的最新型节能中频电炉产品。
1.2.4 铝壳炉与钢壳炉的选择
铝壳炉体优点是价格低廉，易维修，方便观察。缺点是效率低，电磁辐射无屏蔽。
钢壳炉体采用优质钢结构焊接，有防漏炉报警装置，感应器周围采用磁轭封闭，覆盖面积超过65%。因为漏磁小，效率高，比铝壳炉体节约能耗近5％。
1.2.5 节能环保12脉晶闸管中频电源
12脉中频电源（即12脉晶闸管中频电源如果配上炉体就称为12脉中频电炉）。整流桥的输出电压由原来的513V升到1026V，在没有改变原变压器输出电压的前提下，整流输出直流电压升高一倍。在相同电炉功率条件下，主电路电流减小了一半，回路损耗降低到1/4，（大电流流过晶闸管、铜排、电抗器、水冷电缆等产生的发热损耗）。而感应加热感应圈电压则由原来的1600V升到3000V，进一步降低了感应圈的热损耗，达到了节能降耗的目的。
12脉整流电源产生的谐波影响大大小于普通KGPS中频电源。整机采用双整流电路，动态均压，具有缺相、过压、过流、低水压和人为误操作保护，限流、限压，平衡，功能稳定，扫频启动性能良好，操作维护简单。功率因数高于0.95。
12脉中频电源以晶闸管为主控元件实现较好节能效果，综合性能完全优于6脉普通晶闸管中频电源即（KGPS中频电源），其每吨铁液电耗可降低100kW•h，基本符合电网谐波要求。与IGBT中频电源相比，具有节能效果明显、而且性能十分稳定，维护方便，谐波干扰小，过载能力强，吨位容量大，以及维修成本低廉的优点。以上就是我们队12脉晶闸管中频电源的推荐理由。
1.3 选用感应电炉与铸造车间的配型
铸造企业熔炼设备，在决定选用中频感应电炉后，在型号选择时考虑以下几个方面：
（1）精密铸造及较小型工件一般选择0.5t以下的电炉，建议采用IGBT及KGCL串联中频电源设备，电源配备变压器不大于315kVA。若使用普通KGPS并联中频电源则需要大于400kVA的配电系统。
（2）双金属铸造时或连续不间断的熔炼模式时，建议选用一拖二的电源设备。一个熔炉熔炼，另外一个熔炉保温。
（3）使用0.5T的电炉班产量(8h)一般情况3.5t左右，0.75T的设备班产量5t左右，1T的可达到6.5t以上。客户可根据以上大的原则具体选择，在必要的情况下我建议先去同类铸造企业考察一下、然后仔细咨询电炉生产厂家或咨询一下相关这方面的专家。
2 节能思路之二
生产中节约电能的几种途径和主要方法：合理组织生产，延长连续冶炼时间；科学管理炉料，做好炉前熔炼操作；保证炉村质量，保持设备完好。
2.1 延长连续熔炼时间
电能单耗与熔炼方式有很大关系，炉子的工作方式可分为以下三种情况：
（1）连续熔炼 每日三班连续作业。
（2）断续熔炼 每日两班或一班作业，非作业期间，炉内铁液用保温功率进行保温。
（3）间歇熔炼 每日完成后全部出净。
显然以上三种情况作业时，连续熔炼电能单耗最低，断续冶炼次之，间歇熔炼最高。因此．有条件的情况下应当尽可能地安排集中连续熔炼。尽量增加一次熔炼炉次，延长持续熔炼时间，降低电耗。
错峰用电：减少费用合理调整用电时间，积极利用峰谷电价差，将部分或全部的高峰用电时间，转移到低谷时段。在这方面，可以采用间断保温技术，转移用电时间，尽管此法不节电，但可以利用峰谷电价差而节省车间开支。
2.2 合理配料
炉料的科学管理对提高中频炉感应炉生产效率、降低能耗具有重要意义。首先必须掌握所用各种炉料的化学成分，并进行仔细合理的的配料计算利用各种炉料的合理搭配，做到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，避免因调整成分而拖延熔炼时间，杜绝因成分不合格而使钢液报废，增加物耗、电耗。为此，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，切割大的长形废钢，有条件应对轻薄料打包处理，保证顺利加料，减少熔炼时间。炉料块度的大小应与电源频率相适应，感应电炉所用电源频率随炉子容量的增大而降低。大容量感应炉可以使用大块炉料，小容量感应炉使用小块炉料。
2.3 合理的熔炼操作
为尽快熔化炉料，应掌握合理的熔炼操作技术。
2.3.1 炉料预热与余热利用
炉料料块直径大小与电耗相关，料块直径不同，融化时间与融化单位电耗也不同。以0.5T无心工频感应炉为例，就单台炉子熔炼活塞环合金铸铁而言，料块直径/坩埚内径=0.3时效果最佳。因此，希望在初融时尽量先用生铁快，并在快料之间嵌填上破碎的浇冒口碎料，以减少其空隙。炉料在坩埚的填充度，即密实程度越好，堆密度越大，电耗越低。
应充分利用余热预热炉料，当炉料预热到600℃，节电效果显著，出铁温度为1460℃时，可使电炉熔化能力增加30%，电耗降低20%。炉料预热要防止氧化烧损，以及为了延长预热装置寿命，一般炉料预热温度取600℃以下为宜。间隙式预热料桶，由两层组成，外层用绝热材料填满，内层缸料口内径应与坩埚口径相应，装料时用吊车把内套桶移到装料区，炉料预热后，底部用开底机械开起。此预热桶制作简易。
2.3.2 科学装料
装料的松紧程度直接关系到炉料的熔化速度。为了实现迅速加热熔化，要求坩埚中部与下部炉料的堆密度越大越好。因此，感应加热时磁力线在坩埚中部中央的密度最大，炉料堆积密度大，磁力线穿过间隙的机会减少，加热效率相应提高，加热和熔化速度就相应提高。
2.3.3 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作用，以及降低金属液驼峰高度的作用。力戒有的操作人员加料后，远离工作台，造成熔化过程中途升温。工频炉的结构通常感应器高低约为熔池高度的4/5，实际上，在炉内金属液不少于熔池容积2/3时，工频炉便可接近全公率运行。因此，增大每次加料量，有利于改善熔炉的负载功率状态，能使溶液温度上升速度加快，提高炉子的工作效率。
2.3.4 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，造成炉内钢液结壳。
（2）勤观察、勤捣料，防止炉料“搭棚”。搭棚使炉内金属液温度过高，停留时间过长，以及搭棚处理时撞击都会损坏炉，缩短炉衬寿命。有资料提及3T感应炉衬熔炼含3.5％碳量的灰铸铁．每炉次在1500℃高温下作业20min时，正常状况下炉龄为400炉次，每炉次在1550℃高温下作业20min，正常状况下的炉龄将降低为240炉次，降低率为60％。因此熔炼作业中，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。
（3）关盖与控制铁液温度。炉子熔化过程中，除必要的操作打开炉盖外，应始终关紧炉盖。关盖与敞开炉口的确大不一样，敞开炉口对高温铁液造成的辐射热损失相当大，特别是小炉子，往往运行时不加炉盖，有的干脆拆除弃用，或者装料不合理使炉盖关不上，结果耗电大大增加。以熔化铸铁为例，敞开炉盖时，1450℃的热辐射损失为354kW•h/m²，在1500℃时为397kW•h/m²。相反，要是关紧炉盖，此时的热损失会下降90％。因此，无论从操作安全，改善环境条件，还是从节约能源，提高熔化率来说，操作时关紧绝热性能好炉盖十分必要。
（4）充分发挥炉渣的作用，从熔化期开始就要加强造渣操作，经常检查有无裸露液面，使其覆盖良好。冶炼时炉渣能将钢液与大气隔离，保护钢液减少大气污染。减少大气中的O2、N2、H2O对钢液的作用，减少合金元素的氧化、氮化、挥发，以及减少钢液吸氢，如此可以减少钢液脱氧、净化时间，高温钢液在渣层覆盖下减少了辐射热损失，对钢液起保温作用。
（5）合理控制出钢温度。根据钢液重量、盛钢包的烘烤情况，浇注时间等因素来确定。盛钢包必须经过充分烘烤，保持较高温度，这样钢液温降减小。而浇注过程各工种的衔接协作好坏直接影响了浇注过程所用的时间，所用时间越长，温降越大出钢温度应越高。及时足量投放保温剂、覆盖剂、除渣剂。在钢液转移到盛钢包后应立即投放适量的保温覆盖剂、除渣剂，可以减少钢液镇静浇注过程的热损失，出钢温度就可以适当降低，以节约电耗。
1）配料时之所以化满后加入少量小块新生铁，是由于新生铁中所含的初生石墨能起晶核作用，促使石墨组织也能朝着A型方向变化，可以有效地防止白口倾向。推荐采用入炉前先配好炉料，改变那种边配料边加工方式，因其易发生差错，工作平台杂乱，且不易协调管理。
2）熔化设备与造型,浇注工段的关系要合拍。杜绝和避免“保温待型”,“高温待注”，这样即可能有效地节约能源，又能保证浇注的铸件有较高的质量。
用感应炉熔炼如活塞环这样薄壁合金铸铁，熔化温度是获得所需材质性能的重要保证。往往需要过热，但过热温度高低对电耗有很大影响，从节能的观点，在保证满足浇注质量的前提下，应按工艺要求把出炉温度控制好，尽可能缩短和避免在过分提高过热温度下的运行时间；严格控制过热温度，反对超温熔炼。另外，提倡用更先进的测温设施。
（6）保持设备完好，加强维护，减少损耗。通过采用更先进科学的维护设备和技术，减少用能设备损耗，降低用能设备的维护成本，从而有效地减少企业的能源消耗支出。
首先应有一个优质的坩埚。优质的坩埚要求耐高温，耐冲刷、耐侵蚀，结构致密，有理想的烧结层，使用寿命长。
为得到优质的坩埚，必须根据冶炼不同的金属材料选择合适的坩埚炉料，严格按打结工艺打结，烧结成型。坩埚寿命的延长，不仅使打结坩埚材料、能耗减少了，也为提供连续冶炼提供了设备保证。坩埚的安全性提高，出现穿炉次数就减少。
感应炉炉衬普遍采用整体打结而成，在选择炉衬的厚度上，我们从炉衬受金属液在电磁力的搅拌引起强烈冲刷和加料时剧烈碰撞与振动蚀损考虑得多，因此希望炉衬比设计要求稍厚一些，这样才能有更好的强度，以延长使用寿命。但从炉子的电气特性考虑，炉衬要在薄厚均匀条件下尽可能薄些，才能有更高的电效率和输入更大的功率。在保证不超时变压器最大输出电流的条件下，炉衬厚从设计厚度减薄不超过15mm，一直可使用额定电压运行，将不会超出变压器最大电流的规定值。
在此范围内，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。例如西安某厂1.5T炉子优选95mm的炉衬厚度，既兼顾到感应炉电气特性又保持原有炉衬寿命，节能显著，说明在这方面还有潜力可挖。改进筑炉工艺，确保打结质量，严格按工艺规程烘炉，提高炉龄，从而提高熔设备的利用率，对节能降耗有明显效果。
在感应线圈内衬的耐热层与隔热层，选择有一定厚度、绝热性好的材料，可起到更好的耐热、隔热作用，有利于减少热传导损失，从而提高感应器的热效率，实现热量的节约。
如酸性炉衬，由于矿产品本身性能的差异，筑炉和烘烤的控制不同，使用条件不同，其使用寿命相差甚大。
由此可见，一台中频感应电炉所用的材料、所耗的电能一般情况下，炉衬寿命长的每炉次所摊的筑炉电耗就少。筑炉工艺、烘炉烧结工艺的选择应确保在炉衬烧结后获得合理的三层结构，即烧结层、半烧结层和缓冲层，初始厚度大致各占1／3。制定正确的工艺应当注意以下几点:
1）选择优质炉衬材料(杂质少、水分低、颗粒粒度大小及其比例合适)。
2）选择合适的保温层厚度，可以有效地控制烧结层厚度，调节炉衬的热损失。
3）尽可能选用硼酐作粘结剂，可以缩短烘烤时间。采用硼酐作粘结剂的优点是减少烘炉时硼酸内结晶水的析出。缩短烘炉时间，避免大量水分对感应器绝缘及炉衬耐火度的影响。
4）根据选用的材料、炉子容量及牯结剂类型确定烘烤速度以及保温温度和保温时间。这些因素既影响炉衬质量，也影响能耗。其次应注意设备维护，检修。保持中频装置、感应炉、冷却水系统运行正常。减少故障率，减少中途停炉次数,节约能耗，保障生产顺利进行。通过合理安排生产、合理配料炉，冶炼作业，以及合理控制出钢液温度，都可以缩短熔炼时间。以每炉次平均冶炼时间80～90min计，每缩短1min的冶炼时间，就可节约1％左右的电能。炉衬的质量和冶炼设备完好是安全生产、提高生产效率和节能降耗的基础，必须科学管理，采取综合措施并切实加以落实，提高生产效率，提高熔化速度，减少熔炼时间，从而达到节约电能的目的。
需指出的是，当采用单一感应炉熔炼时，由于炉料中不含焦炭、石灰石，同时加料后炉料不再受外界冲击，因此，粉尘很少。可以配备简易抽风除尘系统，排放标准可达10mg/m3以下；炉渣处理无需像冲天炉那样需要炉渣粒化处理，只要经常倒掉当班的炉渣就行，有利于环境保护，同时也减少了操作管理及日常的维护保养工作量，因此环保设备的投入大大减少。
结束语
感应炉节能的基础是输配电项目建设环节推广使用低损耗变压器，选择节能型中频电源对铸造用感应炉的节电影响较大。感应炉在生产中节约电能几种途径和方法有：延长连续冶炼时间；合理组织生产，科学管理炉料；做好炉前熔炼操作；保证炉村质量，保持设备完好等。
感应电炉节能是一个系统工程，同样也是一项细致而艰辛的工作，不是单靠一两个节能措施就能完成的，要把技术节能和管理节能相结合，从设备、原料、工艺和管理等全面综合掌控，才能取得显著的节能效果。
