冉紹兵，王全平，孫武林，梁宗和，陳江濤，李雙艷

(1．金川集團(tuán)精密銅材有限公司，甘肅金昌 737100;2．甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅金昌 737100)

0 引言

目前國內(nèi)外銅加工行業(yè)主要采用工頻有芯感應(yīng)爐熔煉銅及銅合金，這種設(shè)備具有效率高、金屬燒損少、爐溫容易控制、化學(xué)成分易于掌握、攪拌均勻等一系列優(yōu)點(diǎn)。但這種熔銅爐在實(shí)際生產(chǎn)中要求長(zhǎng)期連續(xù)作業(yè)，影響其運(yùn)行壽命的關(guān)鍵因素就是感應(yīng)體，如何提高感應(yīng)體運(yùn)行的安全性，從而達(dá)到提高其使用壽命的目的，是銅加工行業(yè)一直致力研究的重要課題之一。目前國內(nèi)同行業(yè)熔銅工頻爐感應(yīng)體的平均壽命為5～7個(gè)月，成為制約生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一，頻繁進(jìn)行拆筑爐導(dǎo)致既無法高效組織生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，又增加了生產(chǎn)成本。

1 工頻爐感應(yīng)體工作特點(diǎn)［1］

1．1 感應(yīng)體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

如圖1所示，除了鋼結(jié)構(gòu)外殼以外，核心部件包括鐵芯、線圈、水套和熔溝，鋼構(gòu)外殼與水套之間采用打結(jié)耐火材料作為金屬熔池。

圖1 熔銅工頻爐感應(yīng)體結(jié)構(gòu)示意圖

通過電磁感應(yīng)作用將熔溝熔化，然后加入原料，在電磁感應(yīng)和熱傳遞作用下實(shí)現(xiàn)熔煉功能。

1．2 感應(yīng)體工作原理

如圖2所示，熔銅工頻爐感應(yīng)體的工作原理與變壓器的工作原理類似，爐子感應(yīng)體上的線圈相當(dāng)于變壓器的一次線圈，感應(yīng)體中的熔溝通電線圈相當(dāng)于變壓器的二次線圈。當(dāng)感應(yīng)線圈通入交流電后，由于電磁感應(yīng)作用，熔溝中產(chǎn)生強(qiáng)大的感應(yīng)電流，將金屬熔溝中的金屬熔化。在熱對(duì)流及電磁力的作用下，熔溝內(nèi)的熱量不斷傳遞到熔溝上部熔銅爐中的金屬，從而使整個(gè)熔池內(nèi)的金屬熔化。

圖2 工頻爐感應(yīng)體工作原理［2］

根據(jù)變壓器工作原理，感應(yīng)線圈與熔溝中電流存在如下關(guān)系:

式中:N1為一次側(cè)感應(yīng)線圈的匝數(shù);I1為一次側(cè)感應(yīng)線圈中的電流;N2為二次側(cè)線圈匝數(shù)，在感應(yīng)爐中，二次側(cè)線圈為金屬熔溝環(huán)，相當(dāng)于一匝，即N2=1;I2為二次側(cè)線圈即熔溝中互感產(chǎn)生的感生電流。

在熔溝中電能轉(zhuǎn)換成熱能使金屬熔化，單位時(shí)間內(nèi)電熱轉(zhuǎn)換關(guān)系如下:

式中:R2為熔溝電阻值;Q為有芯感應(yīng)爐做功所產(chǎn)生的能量數(shù)值。

從以上分析可以看出，感應(yīng)體是工頻有芯感應(yīng)爐的技術(shù)關(guān)鍵所在，其中熔溝、線圈、鐵芯、水套等都是核心元件。

1．3 影響感應(yīng)體壽命的因素

根據(jù)我公司感應(yīng)體的實(shí)際運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)以下幾方面是影響感應(yīng)體安全工作壽命的主要因素。

(1)感應(yīng)體鋼構(gòu)殼體設(shè)計(jì)不合理。

(2)感應(yīng)體線圈、水套等關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及制作存在缺陷，導(dǎo)致產(chǎn)生漏水、滲銅等關(guān)鍵問題。

(3)爐襯打結(jié)及燒結(jié)工藝不合理。

(4)熔溝形狀及制作質(zhì)量。

2 感應(yīng)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

2．1 改進(jìn)感應(yīng)體殼體結(jié)構(gòu)

如圖3所示，改進(jìn)前感應(yīng)體殼體為整體結(jié)構(gòu)，無冷卻裝置。這種結(jié)構(gòu)存在以下缺點(diǎn)。

(1)通電運(yùn)行過程中在殼體上形成封閉電磁場(chǎng)，本應(yīng)屬于爐內(nèi)金屬吸收的能量，因?yàn)槁┐女a(chǎn)生渦流，導(dǎo)致能量效率降低。

(2)漏磁產(chǎn)生的渦流因電流熱效應(yīng)使鋼結(jié)構(gòu)溫度升高。

(3)鋼結(jié)構(gòu)局部區(qū)域溫度有時(shí)高達(dá)300℃，惡化感應(yīng)體、線圈、水套工作環(huán)境，降低其運(yùn)行壽命。

經(jīng)過理論分析電磁渦流分布情況，將感應(yīng)體殼體改為分體結(jié)構(gòu)。

圖3 帶斷磁口的工頻爐感應(yīng)體殼體

沿鐵芯水平中心線將殼體制作成上下兩部分，形成中間斷磁口。斷磁口之間安裝高溫絕緣材料，用不銹鋼螺絲將上下兩部分連接成整體。這樣感應(yīng)電磁線就被斷磁口切斷，無法形成完整的漏磁渦流，大大降低了無功能量損耗，提高了熱效率。

另外，為進(jìn)一步降低感應(yīng)體工作溫度，在鐵芯周向的鋼構(gòu)殼體上設(shè)計(jì)了六邊形水冷環(huán)。

改進(jìn)后感應(yīng)體殼體的最高工作溫度由350℃降低到160℃，大大改善了感應(yīng)體工作環(huán)境。

2．2 改進(jìn)水套結(jié)構(gòu)

如圖4所示，原水套采用厚度為3～5 mm的不銹鋼板焊接成型，水腔內(nèi)焊接折線形循環(huán)冷卻水路，冷卻水流在直角處流動(dòng)阻力較大，容易形成流動(dòng)死區(qū)，導(dǎo)致局部結(jié)垢，阻礙水流通暢性，致使水套局部過熱，在熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生應(yīng)力開裂。

這種水套使用壽命報(bào)廢原因幾乎都為熱應(yīng)力開裂而漏水。由于水套打結(jié)在耐火材料中，主要對(duì)線圈和鐵芯起冷卻保護(hù)作用，一旦出現(xiàn)漏水，就必須拆筑感應(yīng)體，開裂后的水套也無法循環(huán)使用。

經(jīng)過試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)出了一種新型銅質(zhì)水套。紫銅導(dǎo)熱率比不銹鋼大7～11倍，冷卻效果更好，有利于改善線圈和鐵心的工作環(huán)境，延長(zhǎng)其工作壽命。紫銅的熱膨脹系數(shù)約為不銹鋼的14倍［3］，在冷熱交替頻繁變換的環(huán)境下，可承受的冷熱沖擊強(qiáng)度更高，不會(huì)產(chǎn)生熱裂紋。改進(jìn)后的水套采用紫銅作為基板，在基板上焊接矩形冷卻水管作為循環(huán)冷卻水路，循環(huán)水路設(shè)計(jì)成“W”型，同時(shí)用去離子水替代工業(yè)循環(huán)水。

圖4 不銹鋼水套實(shí)物圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖5 銅質(zhì)水套內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

實(shí)踐證明，銅質(zhì)基板”W”型水道水套具有一系列優(yōu)點(diǎn):

(1)由于紫銅的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于不銹鋼，在冷熱交替作用下的熱變形抗力大;紫銅比熱容小于不銹鋼，散熱效果好，減小了高溫?zé)釠_擊。

(2)改進(jìn)后的“W”型冷卻水道，大大減小了水流阻力，銅質(zhì)水套也不易結(jié)垢，增強(qiáng)了冷卻效果。

(3)通過改進(jìn)冷卻水系統(tǒng)，將感應(yīng)體的冷卻水由工業(yè)管網(wǎng)供水，改成內(nèi)封閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)，提高了水質(zhì)純潔度和冷卻效果，降低了新水消耗。

(4)改進(jìn)后的銅質(zhì)水套即使出現(xiàn)輕微變形，經(jīng)過清理修復(fù)后還可循環(huán)使用，降低了備件成本。

3 優(yōu)化耐火材料打結(jié)燒結(jié)工藝

3．1 耐火材料打結(jié)工藝

在耐火材料打結(jié)過程中采取了以下改進(jìn)措施。

(1)增強(qiáng)打結(jié)密實(shí)度，提高爐襯的耐侵蝕性。

(2)根據(jù)耐火材料逐層打結(jié)的情況，減少每層打結(jié)厚度，進(jìn)一步增強(qiáng)打結(jié)密實(shí)度。

(3)針對(duì)水套、熔溝周圍難于打結(jié)密實(shí)的情況，制作專用工具，實(shí)行多點(diǎn)小范圍疊加打結(jié)。

(4)從感應(yīng)體耐火材料拆除情況看，熔溝的噴口、底部容易受到侵蝕而增大，使耐火材料變薄。

3．2 耐火材料燒結(jié)工藝

燒結(jié)的目的是使耐火材料爐襯脫水、干燥、燒結(jié)成型。以某公司生產(chǎn)的主要成分為Al2O3(＞85%)為例，燒結(jié)過程主要是促使γ－Al2O3轉(zhuǎn)變?yōu)棣粒瑼l2O3的相變過程，如圖6所示，主要分為6個(gè)燒結(jié)階段:

圖6 α－Al2 O3與溫度的轉(zhuǎn)化關(guān)系

(1)低溫干燥階段(室溫～150℃)

在開始低溫階段，Al2O3幾乎無變化，爐襯處于松散狀，隨溫度的升高，爐襯材料中殘余的水蒸氣通過耐火材料間的空隙排出。

(2)晶體分解排水排出階段(150～360℃)

耐火材料成分除了Al2O3外，還有SiO2、MgO等，本階段的主要作用是通過熱量和保溫作用，使較易分解的低溫結(jié)晶水排出，進(jìn)一步干燥。

(3)脫去高溫結(jié)晶水，實(shí)現(xiàn)γ－Al2O3→δ－Al2O3相變(360～540℃)

當(dāng)溫度達(dá)到500℃以后進(jìn)行保溫，高溫結(jié)晶水完全脫除，Al2O3在保溫階段實(shí)現(xiàn)晶格重排相變。

(4)δ－Al2O3→θ－Al2O3相變轉(zhuǎn)化(540 ～825 ℃)

本階段的主要作用是實(shí)現(xiàn)Al2O3晶格過渡相變轉(zhuǎn)化，為最終相變提供晶型準(zhǔn)備。

(5)θ－Al2O3→α－Al2O3相變轉(zhuǎn)化(825～925 ℃)

當(dāng)溫度達(dá)到該階段以后，熔溝表面呈暗紅色，θ－Al2O3逐步轉(zhuǎn)化為α－Al2O3，整個(gè)過程轉(zhuǎn)化緩慢，由熔溝周圍逐步向外進(jìn)行相變轉(zhuǎn)化。

(6)完成相變轉(zhuǎn)化，形成燒結(jié)凝殼(925～1 040℃以上)

溫度達(dá)到1 040℃以上時(shí)，熔溝開始化開。本階段Al2O3相變轉(zhuǎn)化率達(dá)到98%以上，熔溝周圍的耐火材料完成燒結(jié)，形成堅(jiān)硬的型體。

4 熔溝斷面形狀改進(jìn)

如圖7所示，原來的等截面熔溝兩端均有金屬流入和流出，金屬的流動(dòng)主要靠熔溝與爐膛內(nèi)的溫度差來實(shí)現(xiàn)，熔溝中的A點(diǎn)成為流動(dòng)死區(qū)，因其流動(dòng)性差，更易導(dǎo)致局部溫度過高。使用中實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，死區(qū)溫度比爐膛溫度高200℃以上。

圖7 左－等截面熔溝，右－變截面熔溝

改進(jìn)后的變截面熔溝金屬液由大截面進(jìn)入，小截面流出，形成單向流動(dòng)。其原理如下:

熔溝電阻:

在熔溝長(zhǎng)度L相同的情況下，熔溝電阻值與截面大小成反比，截面越大，電阻值越小。

熔溝做功產(chǎn)生的熱量為:

可以看出，熱量的大小與熔溝電阻成正比。因此，在變截面熔溝中，小截面處一側(cè)由于電阻值大，產(chǎn)生的熱量要高于大截面一側(cè)，故小截面一側(cè)的銅液溫度較高，根據(jù)熱力學(xué)關(guān)系，該處銅液必然上浮，大截面一側(cè)的銅液必然下沉補(bǔ)充，從而使熔溝中的銅液形成定向流動(dòng)。

對(duì)感應(yīng)體運(yùn)行過程中的電參數(shù)、冷卻水參數(shù)和溫度參數(shù)進(jìn)行專業(yè)分析和三區(qū)監(jiān)控，如感應(yīng)體槽路電流增大，證明熔溝截面有變大的趨勢(shì)，熔溝截面積電阻減小，在電壓不變的情況下，感應(yīng)體電流增大。相反則說明熔溝截面變小。如圖8所示。

圖8 感應(yīng)體槽路電流數(shù)據(jù)監(jiān)控圖

5 研究結(jié)果

經(jīng)過實(shí)踐研究和技術(shù)改進(jìn)，熔銅工頻爐感應(yīng)體壽命大幅提高，由平均6個(gè)月左右提高到6～9個(gè)月。

(1)增加感應(yīng)體殼體斷磁口和水冷裝置，消除了漏磁渦流，減少了無功熱損耗。

(2)改進(jìn)水套結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)了水套安全運(yùn)行壽命，提高了生產(chǎn)安全性。

(3)優(yōu)化耐火材料打結(jié)及燒結(jié)工藝，提高了爐襯安全運(yùn)行壽命，節(jié)約了耐火材料成本。

(4)改進(jìn)熔溝結(jié)構(gòu)，提高熔溝制作和維護(hù)質(zhì)量，延長(zhǎng)感應(yīng)體安全工作壽命。

(5)實(shí)行關(guān)鍵數(shù)據(jù)變量專業(yè)監(jiān)控，提高感應(yīng)體安全運(yùn)行保障系數(shù)。

(6)本文經(jīng)過理論分析和工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐研究，切實(shí)提高了熔銅工頻爐感應(yīng)體壽命，研究成果具有重要的實(shí)用經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

［1］ 李恩琪，殷經(jīng)星，張武城，等．鑄造用感應(yīng)電爐［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997．

［2］ 工頻有鐵芯感應(yīng)電爐的主要結(jié)構(gòu)及工作原理．百度文庫［DB/OL］．http://www．yumao．com/news/show－21141．html．

［3］ 黃劍鋒．紫銅與奧氏體不銹鋼焊接的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)．百度文庫［DB/OL］．http://wenku．baidu．com/link?url．