李韻豪

應(yīng)達(dá)（中國） 供圖

第五講 感應(yīng)熔煉電爐設(shè)計(jì)和感應(yīng)器參數(shù)計(jì)算（下）

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，敬請關(guān)注。

6 感應(yīng)熔煉電爐的爐襯

爐襯是感應(yīng)器線圈與被熔金屬之間的填充物，是感應(yīng)熔煉電爐的一個(gè)重要部件。

GB/T 10067.1—2019《電熱和電磁處理裝置基本技術(shù)條件 第1部分：通用部分》第5.1.6條中規(guī)定：爐襯所用材料和制品除應(yīng)具有必要的耐火度和保溫性能外，還應(yīng)有較高的機(jī)械強(qiáng)度、較好的耐急冷急熱性能、良好的電氣絕緣性能、較小的熱膨脹系數(shù)、足夠的化學(xué)穩(wěn)定性和良好的施工性能。爐襯的厚度應(yīng)合理，以減少熱損失，提高熱效率，又不過度增加其蓄熱量和降低感應(yīng)加熱的電效率。它們應(yīng)根據(jù)使用條件合理選擇并分別符合其產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。在條件適用時(shí)，應(yīng)盡量采用低熱導(dǎo)率和蓄熱量的耐火纖維、納米孔硅質(zhì)材料制品和泡沫輕質(zhì)磚等。與熔體直接接觸的爐襯部分，在使用中應(yīng)相互不起反應(yīng)。GB/T 10067.31—2013《電熱裝置基本技術(shù)條件 第31部分：中頻無心感應(yīng)爐》的第5.2.4條坩堝及其爐襯中規(guī)定：爐襯的搗筑、烘烤和燒結(jié)等應(yīng)嚴(yán)格按耐火材料廠商提供的工藝操作；爐襯厚度應(yīng)符合設(shè)計(jì)尺寸。

6.1 爐襯的結(jié)構(gòu)

（1）爐襯 爐襯從被熔金屬到感應(yīng)器線圈分為兩層：耐火層和絕緣層。但目前國內(nèi)多數(shù)廠家在耐火層和絕緣層之間還有用石棉布充當(dāng)“隔熱層”。

耐火層由耐火材料打結(jié)經(jīng)烘烤、燒結(jié)形成。耐火材料過去定義為耐火度不低于1580℃的一類無機(jī)非金屬材料，但后來人們發(fā)現(xiàn)僅憑耐火度并不能全面描述耐火材料的特性。當(dāng)前定義：凡物理與化學(xué)性質(zhì)允許其在高溫環(huán)境下使用的非金屬材料（并不排除含有一定比例的金屬）稱為耐火材料。耐火材料的定義在行業(yè)中并不統(tǒng)一。例如，美國標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)其化學(xué)與物理性質(zhì)可以用它來制作暴露于溫度高于538℃環(huán)境中的結(jié)構(gòu)與器件的非金屬材料；日本標(biāo)準(zhǔn)：能在1500℃以上溫度下使用的定形耐火材料以及使用溫度為800℃以上的不定形耐火材料、耐火泥漿與耐火隔熱磚。

“隔熱層”處于耐火層與絕緣層之間，采用比打結(jié)料的熱導(dǎo)率更低、蓄熱量更少的材料，出發(fā)點(diǎn)是為了減薄爐襯，減少打結(jié)料的消耗，彌補(bǔ)耐火層耐火材料阻熱能力不足，便于筑爐時(shí)固定漏爐報(bào)警用不銹鋼絲網(wǎng)制成的“第二電極”，便于用爐襯頂出機(jī)構(gòu)拆解爐襯。目前，國內(nèi)多數(shù)鑄造廠筑爐仍在使用石棉布（這種由石棉纖維紡織而成的布，石棉含量大于96%，一般厚度1～3mm）。由于石棉在加工過程中的粉塵能引起肺、胸膜間皮瘤等疾病，國際癌癥研究中心（IARC）早已將其定為致癌物。我國已禁止使用閃石類石棉，國內(nèi)全面禁用石棉類制品只是時(shí)間問題。由于石棉布韌性較差，筑爐時(shí)很容易破損。更重要的是，耐火層與絕緣層之間有了隔熱層后，由于隔熱層的熱導(dǎo)率低，使燒結(jié)后的耐火層（從液態(tài)爐料由內(nèi)到外分為燒結(jié)層、半燒結(jié)層、未燒結(jié)層）的溫度梯度發(fā)生改變，會(huì)引起與絕緣層及感應(yīng)器線圈相鄰的未燒結(jié)層厚度減小。液態(tài)爐料溫度越低，對溫度梯度的影響越大。未燒結(jié)層厚度減少，會(huì)使?fàn)t襯耐火層壽命縮短，給爐子使用帶來安全隱患。實(shí)際上，除非某些高溫合金需要采用低熱導(dǎo)率的隔熱層外，只要爐襯的耐火層厚度按規(guī)范設(shè)計(jì)，無論是酸性、堿性還是中性耐火材料，其熱導(dǎo)率足以隔熱，即使是高溫合金，主要起隔熱作用的也還是耐火層，“隔熱層”也只起一個(gè)輔助作用。

絕緣層采用云母紙，其介電強(qiáng)度8kV/mm，熱導(dǎo)率0.2W/（m·K），使用溫度上限約900℃，厚度一般0.3～0.5mm。絕緣層緊貼已均勻涂抹耐火膠泥的感應(yīng)器線圈，它主要作用是增強(qiáng)爐襯的電絕緣，防止感應(yīng)器線圈“漏電”。由于它較薄，對耐火層的溫度梯度不會(huì)產(chǎn)生影響。另外，這層云母紙韌性較好，便于爐襯頂出機(jī)構(gòu)拆解爐襯。

（2）耐火膠泥涂層 為使線圈整體化，支撐感應(yīng)器線圈，增強(qiáng)絕緣，并吸收振動(dòng)，防止其在使用及在拆除爐襯時(shí)變形，尤其是對有頂出機(jī)構(gòu)的爐體，為導(dǎo)向和防止線圈被擦傷、損壞線圈表面的絕緣層，在感應(yīng)器線圈內(nèi)表面涂覆一層稱之為“耐火膠泥”的線圈漿料。耐火膠泥以致密電容剛玉為骨料，基質(zhì)中加入活性氧化鋁粉，以純鋁酸鈣水泥作為結(jié)合劑。如采用推出機(jī)構(gòu)拆除舊爐襯時(shí)，耐火膠泥涂層應(yīng)做成上大下小“倒錐形”內(nèi)表面，將加水?dāng)嚢韬玫耐苛锨度刖€圈匝間。

耐火膠泥涂層平均厚度10～20mm。耐火膠泥涂覆工作一般在生產(chǎn)廠出廠前完成，在鑄造廠現(xiàn)場筑爐前需測量耐火膠泥涂層對地絕緣電阻（應(yīng)不小于2MΩ）。耐火膠泥涂層是爐襯安全的最后一道屏障。作為爐子的永久襯，其使用壽命幾乎可以與感應(yīng)器線圈相同，每次重新筑爐前檢查并對破損局部稍加修補(bǔ)即可[17，18]。

6.2 爐襯耐火層對耐火材料的要求

感應(yīng)熔煉電爐爐襯的兩邊——金屬液與感應(yīng)器線圈之間有一定的電壓差（通常為幾十到數(shù)百伏特），因此要求耐火層的耐火材料必須有一定的絕緣性能。但它的絕緣電阻也不能太大，否則會(huì)使磁力線穿過耐火層時(shí)產(chǎn)生更多的磁損。因此，在保證一定絕緣電阻的情況下，耐火材料的電阻可以小些。原則是：既保證不被電擊穿，又能滿足提高電效率的要求。因?yàn)槟突鸩牧弦坏┐_定，該材料的電阻率就定了，耐火層絕緣電阻的大小只與耐火層的厚度有關(guān)，所以應(yīng)合理確定爐襯耐火層的厚度，以阻擋液態(tài)爐料的高溫，保證爐襯能安全工作，同時(shí)也是為了保證它有合適的絕緣電阻值。

耐火層的工作條件十分惡劣，因此耐火材料必須具備以下條件：礦物學(xué)上晶相性能優(yōu)良，具有足夠高的耐火度和高溫強(qiáng)度；熱膨脹系數(shù)小，無異常膨脹，不易剝落、龜裂；與熔融金屬、爐渣、精煉劑及其他在熔煉時(shí)存在的物質(zhì)不易產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)；能經(jīng)受住熔液高溫沖刷；能承受熔液高溫時(shí)的壓力和機(jī)械磨損以及加料時(shí)產(chǎn)生的沖擊吸收能量；抵抗電磁振動(dòng)力（菲利浦公司曾測量線圈的振動(dòng)值，發(fā)現(xiàn)爐襯產(chǎn)生裂紋、開裂、影響壽命的關(guān)鍵是振幅的大小）；不會(huì)對熔液有冶金方面的不良影響，易施工，易修補(bǔ)，燒結(jié)性能好，資源儲(chǔ)量豐富以及價(jià)格低廉等。

6.3 爐襯耐火層用耐火材料的分類

感應(yīng)熔煉電爐爐襯耐火層用的耐火材料一般分為酸性、堿性、中性耐火材料。這樣分類是根據(jù)耐火材料與酸性、堿性熔渣反應(yīng)情況來劃分的。

酸性耐火材料通常指酸性氧化物（硅砂）的SiO2含量大于93%的耐火材料，它的主要特點(diǎn)是在高溫下能抵抗酸性熔渣的侵蝕，但易于與堿性熔渣起反應(yīng)。

堿性耐火材料指堿性氧化物（鎂砂），如氧化鎂或以氧化鎂和氧化鈣為主要成分的耐火材料，此類材料耐火度較高，純氧化鎂的熔點(diǎn)高達(dá)2570℃，抵抗堿性熔渣能力強(qiáng)。

在高溫下與酸性或堿性熔渣都不易起明顯反應(yīng)的耐火材料是中性耐火材料，如以中性氧化物Al2O3為主體的耐火材料。石墨類坩堝也往往歸類于中性耐火材料。

不同材質(zhì)的爐料使用不同的耐火材料，除了與熔煉工藝、溫度等特性有關(guān)外，還與爐料的元素含量有關(guān)。

熔煉不要求去除S、P的碳素鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼及高硅鋼等，宜采用酸性耐火材料，這是因?yàn)楣枭叭〔姆奖?，價(jià)格較低廉，且坩堝使用壽命也比堿性耐火材料高很多。當(dāng)要求合金中的S、P含量較低時(shí)，則必須使用堿性耐火材料爐襯，為減少S、P含量創(chuàng)造高堿度條件。

用酸性耐火材料會(huì)在鋼中熔有細(xì)小的SiO2夾雜，使合金的塑性、韌性指標(biāo)下降，故熔煉高鉻、高鎳鋼以及鎳基合金時(shí)要選用堿性耐火材料。熔煉高錳鋼用的耐火材料也不能用酸性耐火材料，由于錳的氧化物為堿性，因此與SiO2產(chǎn)生易熔硅酸鹽，會(huì)嚴(yán)重減少爐襯的使用壽命。高鎢鋼、不銹鋼以及某些特殊鋼也都要使用堿性耐火材料爐襯。熔煉與氧親和力比硅強(qiáng)的鋼或合金時(shí)，活性元素將酸性耐火材料和爐渣中的SiO2還原出來而進(jìn)入合金中，坩堝腐蝕嚴(yán)重，因此熔煉此類含活性材料的鋼或合金時(shí)都要選擇堿性耐火材料。

有色金屬中銅、鋁及合金的化學(xué)活性很強(qiáng)，易與耐火材料發(fā)生反應(yīng)，滲透性好，因此應(yīng)采用以Al2O3為主要成分的中性耐火材料。高溫不銹鋼、高熔點(diǎn)高合金鋼，還有某些特殊鋼、合金等掛渣較嚴(yán)重的爐襯，也宜采用中性耐火材料[19-21]。

6.4 筑爐、爐襯耐火層的燒結(jié)

（1）感應(yīng)熔煉電爐的筑爐 感應(yīng)熔煉電爐的爐底、爐蓋、爐領(lǐng)、爐嘴及爐襯的耐火層應(yīng)分別采用不同的耐火材料，筑爐前首先確定不同部位耐火材料的數(shù)量。爐底等部位由于形狀簡單，因此較好確定。爐襯耐火層用料數(shù)量較大，且爐襯壁厚不同，并帶有錐度，給確定耐火材料的用量帶來困難。

爐襯耐火層用料可用公式（56）計(jì)算：

式中 G ——耐火層打結(jié)料重量（kg/m）；

D21——爐襯平均直徑（即坩堝鋼模外徑，mm）；

δ2——耐火層平均壁厚（mm）。由于耐火層帶錐度，其壁厚上薄下厚，這里取其平均壁厚；

K——調(diào)節(jié)系數(shù)，計(jì)算出的耐火材料用量與實(shí)際用量之比。經(jīng)過不同爐容數(shù)次記錄的結(jié)果，K值就可以總結(jié)出來；

γ——耐火層打結(jié)料的體積密度(g/cm3）。

需說明的是，由于耐火材料都有氣孔，包括全部氣孔在內(nèi)的單位體積耐火材料的質(zhì)量，就是該材料的體積密度。廠家提供的耐火材料密度，一般都是體積密度。不同成分耐火材料的體積密度不同（一般在3g/cm3左右），可由廠家提供。致密耐火澆注料的體積密度測定按YB/T 5200—1993執(zhí)行（黑色冶金行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）。該標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)行在用，2015年復(fù)審。

按式（56）計(jì)算出的是耐火層每米的用量，再乘以爐襯的高度，耐火層用料的總質(zhì)量就計(jì)算出來了。

（2）爐襯耐火層燒結(jié)工藝 對新打結(jié)爐襯耐火層燒結(jié)的目的是減小體積變化率，提高致密性，使其具有較高的強(qiáng)度。

耐火層燒結(jié)可使室溫下耐火材料的接觸面出現(xiàn)液相熔合，以形成連續(xù)的燒結(jié)致密體。燒結(jié)的熱源一般由坩堝鋼模加熱供給。經(jīng)過燒結(jié)后的爐襯耐火層，其繞結(jié)結(jié)構(gòu)從金屬液由內(nèi)到外可分為燒結(jié)層、半燒結(jié)層、未燒結(jié)層，如圖8所示。燒結(jié)溫度-時(shí)間曲線一般由耐火材料廠家提供。燒結(jié)層是耐火層的工作層，直接與爐料熔液及熔渣接觸，受其侵蝕及沖刷。因急冷急熱變化造成的爐體脹縮產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和金屬熔煉的靜壓力也施加在這一層面，因此要求燒結(jié)層強(qiáng)度相對要高、密度要大。燒結(jié)層的顆粒之間應(yīng)全部熔化，使燒結(jié)形成的致密體均勻完整。燒結(jié)層的厚度與燒結(jié)溫度有關(guān)。燒結(jié)分低溫?zé)Y(jié)與高溫?zé)Y(jié)，以熔化鋼為例，低溫?zé)Y(jié)的溫度為熔煉時(shí)鋼液的溫度；所謂高溫?zé)Y(jié)是指燒結(jié)溫度高于鋼液溫度，為1800～1900℃，用感應(yīng)加熱石墨型芯或碳質(zhì)烤爐料可達(dá)到這個(gè)溫度。低溫?zé)Y(jié)的燒結(jié)層厚度較薄，而經(jīng)高溫?zé)Y(jié)的燒結(jié)層較厚。因此，調(diào)整燒結(jié)溫度的高低，就可以確定燒結(jié)層的厚度。

圖8 爐襯耐火層燒結(jié)結(jié)構(gòu)

半燒結(jié)層是燒結(jié)層和未燒結(jié)層之間的過渡層，其作用是對燒結(jié)層產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和液態(tài)爐料的靜壓力有個(gè)緩沖帶，阻止燒結(jié)層內(nèi)產(chǎn)生的裂紋向外延伸。

未燒結(jié)層是半燒結(jié)層與爐襯絕緣層之間不經(jīng)燒結(jié)的緩沖層，它的作用是緩沖燒結(jié)層、半燒結(jié)層因體積脹縮造成的影響，防止在燒結(jié)層、半燒結(jié)層產(chǎn)生裂紋，不致于使金屬液到達(dá)感應(yīng)器線圈而造成穿爐事故，同時(shí)也起著一定的隔熱、絕緣作用。

鑄鐵、鋼的熔煉溫度與爐子耐火材料的燒結(jié)溫度接近，耐火層具有自燒結(jié)功能，爐襯內(nèi)表面的燒結(jié)層損壞后，半燒結(jié)層可逐步轉(zhuǎn)化為燒結(jié)層。

7 感應(yīng)熔煉電爐作業(yè)現(xiàn)場的測溫

7.1 熱電偶測溫

將兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體，下文所涉及的“導(dǎo)體”也都包含有半導(dǎo)體）焊接在一起組成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)焊接點(diǎn)溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生熱電動(dòng)勢，這種物理現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，又稱為塞貝克效應(yīng)。熱電特性是物質(zhì)普遍具有的一種物理特性。這兩種不同材料導(dǎo)體組成的回路稱為熱電偶。只有熱電特性曲線線性好、穩(wěn)定性好、熱電動(dòng)勢率大以及耐蝕性好的導(dǎo)體才可用于熱電偶。組成熱電偶的導(dǎo)體稱為熱電極，其中一根叫正極（SP），另一根叫負(fù)極（SN）。熱電偶的兩個(gè)焊接點(diǎn)中，置于被測溫度T的一端稱之為測量端或熱端，而置于T0的一端稱之為參比端或冷端。參比端的溫度要求保持恒定。熱電偶的熱電動(dòng)勢隨著測量端溫度的升高而增大，其大小與熱電偶材料和熱電偶兩端溫度有關(guān)，而與熱電偶的長度、直徑無關(guān)。對熱電特性在一定范圍內(nèi)一致的熱電偶用分度號來命名，用單個(gè)大寫英文字母表示。熱電極的化學(xué)成分相同的熱電偶其分度號也相同。

熱電偶執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 16839.1—2018《熱電偶 第1部分：電動(dòng)勢規(guī)范和允差》；JB/T 9238—1999《工業(yè)熱電偶技術(shù)條件》。

按熱電特性，現(xiàn)已有多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的分度號和具有專門用途的非標(biāo)熱電偶。國際電工委員會(huì)（IEC）推薦的工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶見表8。

熱電偶的選擇：首先，根據(jù)被測液態(tài)爐料的溫度來選擇適用的熱電偶。當(dāng)溫度＜1000℃時(shí)，可優(yōu)先選K型熱電偶，＜1300℃時(shí)，可選K型或N型熱電偶；當(dāng)測量溫度在1000～1400℃時(shí)，可選S型或R型熱電偶；當(dāng)測量溫度在1400～1800℃時(shí)，應(yīng)選B型熱電偶；當(dāng)測溫上限超過1800℃時(shí)，應(yīng)考慮鎢錸系列熱電偶。目前，鎢錸系列電熱偶常用的有鎢錸3-鎢錸25和鎢錸5-鎢錸26兩種，這兩種熱電偶長期使用溫度2000～2400℃，短期使用溫度可達(dá)3000℃。推薦測溫范圍為0～3000℃。

其次，選型時(shí)還應(yīng)考慮不同等級的允差（允許偏差），根據(jù)工藝需要，選擇合適的允差值。

熱電偶的兩個(gè)熱電極焊接要牢固、彼此之間絕緣。補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶參比端的連接方便可靠，保護(hù)套管能保證熱電偶與被測液態(tài)爐料充分隔離。

表8 國際電工委員會(huì)（IEC）推薦的工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶

7.2 紅外測溫儀測溫

作為接觸式測溫，熱電偶（通過保護(hù)套管）直接與被測液態(tài)爐料接觸，不受中間介質(zhì)的影響，測量精度較高，測量范圍幾乎可以全部覆蓋常用金屬的熔化溫度。雖然熱電極通過保護(hù)套管與液態(tài)爐料需要充分的熱交換，經(jīng)過一定時(shí)間才能達(dá)到熱平衡，存在測溫延遲現(xiàn)象，但由于這種接觸式測溫構(gòu)造簡單，操作方便，受現(xiàn)場環(huán)境因素干擾少，因此在鑄造廠至今仍得到廣泛的應(yīng)用。

與熱電偶測溫不同，非接觸式的紅外測溫儀是通過液態(tài)爐料表面的紅外輻射強(qiáng)度與溫度的關(guān)系來檢測溫度的。紅外測溫不與液態(tài)爐料接觸，沒有接觸式測溫受耐高溫材料制約的問題，不受測溫上限的限制，測溫范圍廣。測溫時(shí)也不會(huì)破壞被測物體的溫度場，反應(yīng)速度快，靈敏度高，測溫精度可達(dá)到0.1℃的溫度分辨力。

紅外線是介于可見光與微波之間的電磁波，任何物體只要其溫度高于絕對零度（-273℃），就存在分子或原子無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)而不斷地向空間輻射電磁波，其中就包括波段位于0.76～1000μm的紅外線。通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準(zhǔn)確地測量它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的理論基礎(chǔ)。紅外測溫儀一般由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯聚的其視場內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量聚集在光電探測器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號，該信號經(jīng)過放大器和信號處理電路，并按儀器內(nèi)的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)的溫度值。紅外測溫儀分為單色測溫儀和雙色測溫儀：單色測溫儀與單個(gè)波段內(nèi)的輻射量成比例；雙色測溫儀與兩個(gè)波段的輻射量之比成比例[22，23]。

近年來，已經(jīng)有越來越多的鑄造廠熔煉現(xiàn)場用紅外測溫儀測量液態(tài)爐料溫度。由于紅外測溫是項(xiàng)新技術(shù)，目前現(xiàn)場使用紅外測溫儀測量液態(tài)爐料溫度主要存在以下兩個(gè)方面的問題。

（1）紅外測溫儀的操作

1）合理選擇測溫儀測溫范圍：根據(jù)液態(tài)爐料溫度確定測溫儀的測溫范圍，并非測溫范圍越寬越好。測溫范圍越窄，監(jiān)控溫度的輸出信號分辨力就越高，精確度就越高，測溫值也就越準(zhǔn)確。

2）選擇具有峰值（最高溫度值）保持功能的測溫儀：使用時(shí)在菜單里選中“峰值保持”項(xiàng)。這是因?yàn)樗鶞y溫度為目標(biāo)溫度最大值時(shí)，就更接近目標(biāo)溫度實(shí)際值。

3）發(fā)射率的校準(zhǔn)問題：發(fā)射率表征液態(tài)爐料輻射紅外線的能力，它是同種液態(tài)爐料、同波長被測物體與黑體的單色輻射度之比，也稱比輻射率。鑄鐵、鐵、鋼的液態(tài)發(fā)射率見表9。

表9中提供的鑄鐵、鐵、鋼的發(fā)射率是僅供參考的近似值。不同牌號的鑄鐵、鐵、鋼，即使采用同一測溫儀進(jìn)行測量，不同的測量距離和角度（入射角）、現(xiàn)場環(huán)境（氣溶膠態(tài)、氣態(tài)污染物、電磁干擾等）中任意一個(gè)因素都會(huì)影響液態(tài)爐料的發(fā)射率值。因此，紅外測溫儀發(fā)射率值的確定，以現(xiàn)場同標(biāo)準(zhǔn)熱電偶進(jìn)行比對后的修正值為準(zhǔn)。

由于單色測溫儀的發(fā)射率和雙色測溫儀的坡度系數(shù)的定義有別，表9中的發(fā)射率值不適用于校準(zhǔn)雙色測溫儀坡度系數(shù)。

根據(jù)維恩位移定律，被測溫度較高時(shí)應(yīng)盡可能采用短波波段。以鑄鐵（液態(tài)）發(fā)射率為例，選擇1μm的短波波長，發(fā)射率在0.35左右。在用戶現(xiàn)場對紅外測溫儀發(fā)射率進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，通常采用兩種方法：一種是在檢定時(shí)，將黑體輻射源作為檢定紅外測溫儀專用輻射熱源，用高精度紅外測溫儀作為溫度標(biāo)準(zhǔn)，在同一距離、同一入射角通過比較的方法校準(zhǔn)；另一種是使用熱電偶校準(zhǔn)。由于S型熱電偶（鉑銠10-鉑熱電偶）測溫范圍寬（-40～1600℃）、測量精度高、物理化學(xué)穩(wěn)定性好，以及耐熱性、耐氧化、耐蝕性良好，具有較優(yōu)越的精確度（二等允許偏差：0～600℃為±1.5℃，600～1700℃為±0.0025|t|℃），再現(xiàn)性好，因此可作為校準(zhǔn)測溫儀的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。用二等允許偏差的鉑銠10-鉑S型熱電偶測液態(tài)爐料某一點(diǎn)，再用紅外測溫儀同時(shí)測相同點(diǎn)，然后調(diào)整發(fā)射率，使紅外測溫儀的溫度與熱電偶所測的溫度一致，此時(shí)的發(fā)射率即為被測液態(tài)爐料的發(fā)射率，這種方法屬于“在線校準(zhǔn)”。液態(tài)爐料溫度超過1600℃的某些鑄鐵、鋼熔煉現(xiàn)場使用B型（鉑銠30-鉑銠6）熱電偶，或采用鎢錸系列如W-Re5/26（鎢錸5-鎢錸26）、W-Re3/25（鎢錸3-鎢錸25）熱電偶等，但只要用戶信任，也可用其他類型的熱電偶作為標(biāo)準(zhǔn)來校準(zhǔn)紅外測溫儀的讀數(shù)。

國內(nèi)某些紅外測溫儀生產(chǎn)廠家開發(fā)出方便在線校準(zhǔn)發(fā)射率的儀器，用測溫儀對準(zhǔn)被測液態(tài)爐料，按設(shè)置鍵進(jìn)入菜單選擇界面，將剛實(shí)測的溫度值暫存，選擇菜單到“輻射系數(shù)”界面，此界面第一行顯示為實(shí)測溫度，第二行顯示為發(fā)射率，此時(shí)只需按界面上的“+”、“-”鍵，使第一行顯示的實(shí)測值與用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶所測值達(dá)到一致，則校準(zhǔn)結(jié)束，最后按退出鍵即可。

4）距離系數(shù)：紅外測溫儀的距離系數(shù)就是光學(xué)分辨力，它是紅外測溫儀探頭到爐料液面之間距離與被測目標(biāo)直徑之比。如果紅外測溫儀在遠(yuǎn)離被測目標(biāo)使用，而被測目標(biāo)直徑又小，就應(yīng)選擇高光學(xué)分辨力的紅外測溫儀來保證測溫的準(zhǔn)確性。液態(tài)爐料測溫時(shí)，紅外測溫儀探頭正對爐口，由于被測目標(biāo)面積很大，只要距離系數(shù)大于30∶1，紅外測溫儀都適合使用。

5）測溫探頭與爐料液面的入射角：無論是鑄鐵、鐵還是鋼，液態(tài)時(shí)的發(fā)射率都比較小，一般都在0.35附近（波段為1μm）。原則上當(dāng)發(fā)射率低于0.9時(shí)，測溫探頭一定要垂直被測物體表面。但為避免爐口正上方的高溫烘烤，紅外測溫儀現(xiàn)場安裝時(shí)只能傾斜一個(gè)角度。當(dāng)測溫探頭與液面入射角固定后，再通過調(diào)低發(fā)射率進(jìn)行在線校準(zhǔn)。但在任何情況下，測溫探頭與液面入射角都不得大于30°（入射角是指紅外測溫儀探頭入射光線與入射液面法線的夾角）。

（2）環(huán)境因素的影響

1）氣溶膠態(tài)污染物和氣態(tài)污染物對紅外測溫的影響：液態(tài)爐料表面的紅外輻射能量是經(jīng)過空間傳輸?shù)綘t口上方的測溫探頭的。感應(yīng)熔煉過程中會(huì)產(chǎn)生大量氣溶膠態(tài)和氣態(tài)污染物。氣溶膠是指沉降速度可以忽略的固體或液體顆粒的懸浮體（煙塵、粉塵）；氣態(tài)污染物是指含硫、氮、碳氧等化合物。爐子上方的氣溶膠態(tài)及氣態(tài)污染物會(huì)干擾、影響測溫精度。由于氣溶膠態(tài)污染物與氣態(tài)污染物的分子半徑與紅外波長相差不多，對紅外輻射具有強(qiáng)烈的散射作用，因此要盡可能營造一個(gè)清晰度較高的環(huán)境進(jìn)行測溫，才能將污染物對測溫精度的影響降到最低。

近年來，隨著鑄造廠環(huán)保力度加大，熔煉作業(yè)現(xiàn)場采用排煙、除塵裝置后，氣溶膠態(tài)、氣態(tài)污染物的濃度降到國標(biāo)規(guī)定的限值以下，某些鑄造廠甚至達(dá)到20mg/m3以下，這就為使用紅外測溫儀測溫提供了滿足要求的環(huán)境條件。

2）爐渣對紅外測溫的影響：爐料熔化后，爐子表層會(huì)覆蓋一層爐渣，因此要用紅外測溫儀測溫，就必須將爐渣扒開，使液態(tài)爐料暴露在測溫探頭的視線之下。紅外測溫儀測得的是液態(tài)爐料的表層溫度，但由于爐料的電磁攪拌作用，則表層溫度可視為是爐料的真實(shí)溫度。

3）現(xiàn)場環(huán)境光線強(qiáng)度的變化對紅外測溫的影響：鑄造廠多數(shù)都是兩班制作業(yè)，白班、夜班現(xiàn)場環(huán)境光線強(qiáng)度的變化有時(shí)會(huì)對紅外測溫儀的讀數(shù)產(chǎn)生差異。紅外測溫儀安裝應(yīng)考慮避開直射光線，必要時(shí)可用遮擋的辦法制造人工陰影，以減少不同光線強(qiáng)度對測溫精度的影響。

作為一個(gè)電子儀器，感應(yīng)熔煉現(xiàn)場的使用環(huán)境無疑是比較惡劣的，除了上述一些因素外，環(huán)境溫度、電磁干擾等對紅外測溫的測溫精度也會(huì)產(chǎn)生不利的影響。鑒于這種環(huán)境條件，還是選用雙色測溫儀比較好。

由于熱電偶和紅外測溫儀測量液態(tài)爐料溫度分別有各自突出的長處和短處，因此在一個(gè)相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)還不存在誰取代誰的問題。但可以肯定的是，隨著鑄造廠向智能化、自動(dòng)化發(fā)展，紅外測溫儀類非接觸測溫將是最佳選擇[24，25]。

8 感應(yīng)熔煉電爐的使用環(huán)境條件

所謂環(huán)境是指在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間都存在的或遇到的自然條件及誘發(fā)條件，或二者的總和。使用環(huán)境條件是指在一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)品所經(jīng)受的外界物理、化學(xué)和生物的條件。感應(yīng)熔煉電爐的使用環(huán)境條件包括自然氣候條件和工業(yè)環(huán)境兩個(gè)方面（GB/T 11804—2005《電工電子產(chǎn)品環(huán)境條件 術(shù)語》)。與感應(yīng)熔煉電爐設(shè)計(jì)、制造、儲(chǔ)運(yùn)、使用產(chǎn)生影響的環(huán)境因素并不多。屬于自然氣候環(huán)境條件的有海拔、環(huán)境溫度和環(huán)境濕度；屬于工業(yè)環(huán)境的有塵埃、氣體條件，以及振動(dòng)、顛簸等力學(xué)環(huán)境條件。GB/T 10067.1—2019《電熱和電磁處理裝置基本技術(shù)條件 第1部分：通用部分》作如下規(guī)定：

1）對感應(yīng)熔煉電爐產(chǎn)品要求按規(guī)定的使用環(huán)境條件設(shè)計(jì)。

2）用戶對使用環(huán)境條件提出與標(biāo)準(zhǔn)不同的要求時(shí)，生產(chǎn)廠家應(yīng)盡可能予以滿足。

3）其中一部分使用環(huán)境條件可列在企業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，其他部分使用環(huán)境條件在訂貨時(shí)由供需雙方商定。

4）熱帶和高原地區(qū)使用的感應(yīng)熔煉電爐裝置還應(yīng)分別符合以下標(biāo)準(zhǔn)的要求：GB/T 20626—2017《特殊環(huán)境條件 高原電工電子產(chǎn)品 第1部分：通用技術(shù)要求》；JB/T 4159—2013《熱帶電工產(chǎn)品 通用技術(shù)條件》。

8.1 海拔

海拔是指由平均海平面起算的地面點(diǎn)的高度。我國計(jì)算海拔高度都是以青島的黃海海面作為零點(diǎn)起算。隨著全球氣候變暖，近幾十年來海平面以平均每年2.6mm的速率上升，因此地面上每一個(gè)地方的海拔高度都在變動(dòng)，某地的海拔高度其實(shí)是平均海拔高度。地理上，將海拔高度超過1000m的地區(qū)稱之為高原地區(qū)，我國主要的高原地區(qū)有青藏高原、云貴高原、蒙新高原、黃土高原等。我國海拔1000m以上的高原土地面積占全國陸地總面積的60%左右，海拔2000m以上的高原土地面積約占35%，海拔3000m以上的高原土地面積占15%[26，27]。

雖然海拔1000m以上國土面積幾乎占了2/3，但我國絕大多數(shù)工廠（設(shè)備生產(chǎn)廠和設(shè)備使用廠）都在海拔1000m以下，將海拔不超過1000m定為設(shè)備使用環(huán)境條件是合乎國情的。國標(biāo)將感應(yīng)熔煉電爐的海拔定為不超過1000m，與爐子配套的整流變壓器（GB/T 18494.1—2014）、變頻電源（JB/T 8669—1997，2010年復(fù)審，現(xiàn)行有效）、電熱電容器（GB/T 3984.1—2004/IEC 60110-1：1998，IDT）以及其他與爐子相關(guān)的電工電子產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)都定為海拔不超過1000m。在海拔1000m以下為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，在海拔1000m以上的地區(qū)應(yīng)降格使用。

我國位于海拔1000～5000m的工廠，其中位于海拔1000～2500m的工廠占了絕大多數(shù)，“三線”建設(shè)的工廠基本都在這個(gè)海拔范圍內(nèi)，位于我國西部的工廠也基本上處在海拔1000～2500m。按標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的設(shè)備，如果海拔1000m以上地區(qū)在定制感應(yīng)熔煉電爐時(shí)，應(yīng)在合同和技術(shù)協(xié)議中標(biāo)明使用地區(qū)的海拔高度。電爐生產(chǎn)廠家提供的爐子應(yīng)按非標(biāo)的技術(shù)條件設(shè)計(jì)、制作。

在海拔1000～5000m的高原地區(qū)，對感應(yīng)熔煉電爐裝置產(chǎn)生影響的環(huán)境因素主要有氣壓降低、空氣密度降低、日溫差大，以及太陽輻射、雷擊、靜電等。諸多環(huán)境因素中氣壓和空氣密度低這兩個(gè)因素對爐子運(yùn)行帶來的負(fù)面影響最大。

氣壓與海拔關(guān)系密切，海拔越高，氣壓越低，在同一高度上的氣壓又隨緯度增加而降低。在海拔0～5000m區(qū)間，海拔每升高1000m，氣壓值平均遞減7.7～10.5kPa。空氣密度也隨著海拔升高而降低，海拔每升高100m，空氣密度降低0.48%～1.04%。這給感應(yīng)熔煉電爐的使用帶來以下幾個(gè)問題。

（1）對變頻電源裝置開關(guān)器件的影響 空氣密度低，空氣分子間距加大，離子的自由行程加大，造成變頻電源裝置開關(guān)器件的電暈電壓降低。一般情況下，海拔每增高1000m，電暈電壓降低8%～13%；空氣密度低，散熱對流作用減弱，有熱脫扣元件的斷路器和熱繼電器的脫扣動(dòng)作時(shí)間會(huì)縮短；以自由空氣為滅弧介質(zhì)的空氣開關(guān)滅弧時(shí)間延長，飛弧距離增加，觸頭燒損嚴(yán)重，接通和分?jǐn)嗄芰ο陆?；因?yàn)楣ぷ鳒囟壬吆蜏缁∮绊懷娱L，所以開關(guān)的電壽命也受到影響。

（2）對電氣間隙擊穿電壓的影響 低氣壓會(huì)造成電氣間隙擊穿電壓降低。當(dāng)年修青藏鐵路時(shí)，有關(guān)科研部門曾進(jìn)行過不同氣壓條件下的比對試驗(yàn)，當(dāng)空氣間隙同樣為1mm時(shí)，北京地區(qū)氣壓在101kPa，擊穿電壓為4.6kV；拉薩地區(qū)氣壓在65kPa，擊穿電壓為2.8kV；甘巴拉地區(qū)氣壓在55kPa，擊穿電壓就只有2.5kV[28，29]。變頻電壓的大電流矩形母線、中頻回路矩形母線最小間距凈值（見第三講表3）計(jì)算感應(yīng)器線圈匝間距時(shí)的填充系數(shù)等都是按海拔1000m條件設(shè)置的。高海拔電氣間隙值，可按JB/T 7573—1994《高原環(huán)境條件下電工產(chǎn)品的通用技術(shù)條件》提供的系數(shù)加以修正。

（3）對絕緣介質(zhì)強(qiáng)度的影響 海拔增高后，外絕緣放電電壓降低，會(huì)造成絕緣介質(zhì)強(qiáng)度降低。海拔每升高1000m，外絕緣溫度降低8%～13%。海拔升高、空氣密度降低對于高海拔地區(qū)使用的感應(yīng)熔煉電爐爐襯的絕緣層及感應(yīng)器線圈銅管涂覆的絕緣漆，應(yīng)選用更高絕緣強(qiáng)度、耐受高擊穿電壓的材料。

（4）溫升的影響 低氣壓、低空氣密度條件下空氣分子數(shù)減少，使以自然對流、強(qiáng)迫通風(fēng)或空氣散熱器為主要散熱方式的器件使用時(shí)溫升增加。一般海拔每升高1000m，溫升增加3%～10%。變頻電源內(nèi)的繼電器、接觸器、自動(dòng)空氣開關(guān)、主令控制器、熔斷器等根據(jù)人工模擬海拔高度的試驗(yàn)結(jié)果，溫升隨海拔升高的增加率為0.15～0.46K/hm。

整流變壓器的溫升隨海拔的增加與其冷卻方式有關(guān)。其增加率每100m為：油浸自冷為額定溫升的0.4%；干式自冷為額定溫升的0.5%。因此，在訂購與爐子配套的整流變壓器時(shí)，必須向生產(chǎn)廠家提供使用所在地緯度及海拔高度。

由于海拔增高、氣溫下降，海拔每升高100m，氣溫下降約0.6℃，這樣卻反而可以部分補(bǔ)償海拔升高對上述器件溫升的影響。

（5）對電容器類密封電工產(chǎn)品的影響 氣壓降低使密封容器內(nèi)外壓差增大，易引起氣體或液體泄漏。變頻電源控制系統(tǒng)中的電解電容器以及諧振回路的電熱電容器都存在此類危險(xiǎn)。

8.2 環(huán)境溫度

按照氣候環(huán)境條件的分類，溫度高于40℃時(shí)稱為高溫，溫度低于0℃時(shí)稱為低溫。我國境內(nèi)測得的極端高低溫度分別為49.6℃（吐魯番民航機(jī)場，1975年7月13日）、-52.3℃（漠河，1969年2月13日）。我國高溫地區(qū)分布比較廣，除了青藏高原外，全國都出現(xiàn)過35℃以上高溫。曾出現(xiàn)過-25℃以下低溫地區(qū)占國土面積的50%。

對于感應(yīng)熔煉電爐環(huán)境溫度在5～40℃，變頻電源的環(huán)境溫度不超過40℃，并且在24h內(nèi)的平均溫度不超過35℃，最低環(huán)境溫度不得低于5℃。

GB/T 10067.31—2013規(guī)定了感應(yīng)熔煉電爐各受熱構(gòu)件表面溫升極限值，見表10。

對于感應(yīng)熔煉電爐的配套裝置，如電熱電容器柜、液壓站的外殼，以及正常使用中連續(xù)握持的操作手柄等，表面溫升不得超過30℃。當(dāng)環(huán)境溫度超過40℃時(shí)，這個(gè)表面溫升極限值還要降低。

變頻電源在額定輸出功率下運(yùn)行至溫升穩(wěn)定后，各部分溫升極限值規(guī)定見表11。

表10 受熱構(gòu)件表面溫升極限值

表11 變頻電源各受熱部件溫升極限值

表10、表11中的極限溫升值是在現(xiàn)場環(huán)境溫度上限40℃條件下提出的。如果爐子現(xiàn)場環(huán)境溫度超過40℃，設(shè)計(jì)爐子和變頻電源受熱構(gòu)件時(shí)，應(yīng)在設(shè)計(jì)和制作時(shí)采取必要的措施，將各受熱部件限制在要求的極限溫度內(nèi)。

過低的環(huán)境溫度對變頻電源、爐子控制系統(tǒng)的電氣元件會(huì)有影響，使傾爐機(jī)構(gòu)液壓站的液壓油黏度增大，影響傾爐以及冷卻水的冷凝和結(jié)冰，也會(huì)使電子設(shè)備材料產(chǎn)生硬化或脆化。

8.3 相對濕度

GB/T 10067.1—2019規(guī)定，感應(yīng)熔煉電爐使用地區(qū)最濕月每日最大相對濕度的月平均值≤90%，同時(shí)該月每日最低溫度的月平均值≤25℃。變頻電源則要求相對濕度在最高溫度為40℃時(shí)≤50%。在較低溫度時(shí)，允許有較高的相對濕度（如20℃以下時(shí)為90%），應(yīng)注意消除由于溫度變化而可能偶爾發(fā)生的凝露，相對濕度對設(shè)備受潮程度會(huì)有直接影響，而高溫又加劇了設(shè)備潮濕的程度。在我國南方地區(qū)，高溫、高濕往往同時(shí)出現(xiàn)，在這樣的環(huán)境下，潮濕空氣會(huì)改變材料的介電特性。在高溫作用下，絕緣材料吸濕加快，導(dǎo)致絕緣性能下降；加速金屬腐蝕，對導(dǎo)電體，尤其是沒有經(jīng)過電鍍等表面處理的大電流母線，會(huì)使接觸電阻加大，引起局部發(fā)熱；另外，還會(huì)影響微電子電路的電接觸，對印刷電路板的腐蝕加劇。

對于在濕熱環(huán)境下工作的感應(yīng)熔煉電爐裝置，其結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)、材料與電工元器件選用、工藝防護(hù)等應(yīng)參照J(rèn)B/T 4159—2013《熱帶電工產(chǎn)品通用技術(shù)要求》的規(guī)定，并特別注意加強(qiáng)變頻電源及控制系統(tǒng)外殼結(jié)構(gòu)的密封及表面防護(hù)，選用耐氣候影響的低壓電器，盡量采用無觸點(diǎn)開關(guān)元器件，絕緣材料的選用也應(yīng)保證其耐氣候性[30]。

8.4 工業(yè)環(huán)境

GB/T 10067.1—2019規(guī)定了感應(yīng)熔煉電爐裝置周圍不能有導(dǎo)電塵埃、爆炸性氣體以及能嚴(yán)重?fù)p壞金屬和絕緣的腐蝕性氣體。塵埃中含有導(dǎo)電的分子如鐵分子、不純凈的水分子等就會(huì)導(dǎo)電。導(dǎo)電塵埃會(huì)引起匯流母線及感應(yīng)器線圈匝間等處放電。電爐工作中熔液的高溫，在變頻電源裝置開關(guān)時(shí)可能產(chǎn)生拉弧或電火花，因此在爐子周圍不能有爆炸性氣體、腐蝕性氣體，否則會(huì)損害設(shè)備的金屬和絕緣，尤其在高溫、高濕氣候條件下會(huì)加劇這種損害。

為應(yīng)對惡劣的工業(yè)環(huán)境，主要采取兩種措施：合理選用優(yōu)質(zhì)材料；采用相應(yīng)的外殼防護(hù)。IEC推薦的電氣設(shè)備外殼防護(hù)分級：防固體物分為6級；防液體分為8級。英國BS標(biāo)準(zhǔn)，將電氣設(shè)備防護(hù)類型分為20種，如開啟型、全封閉型、氣候防護(hù)型等。美國NEMA標(biāo)準(zhǔn)基本上是按開啟型和封閉型兩大類來劃分外殼防護(hù)等級，對兩種類型具體規(guī)定了結(jié)構(gòu)形式。

對感應(yīng)熔煉電爐裝置的變頻電源、控制系統(tǒng)的柜殼進(jìn)行整體全密封（包括進(jìn)線、出線、水路及二次管線等）是完全必要的。這種殼體的整體全密封設(shè)計(jì)，避免了導(dǎo)電塵埃、爆炸性氣體、腐蝕性氣體對柜內(nèi)器件及導(dǎo)電母線的損害。在第四講中，介紹了兩組銅排最小間距凈值參考數(shù)值，兩組數(shù)值設(shè)定條件分別為干燥無塵和干燥多塵，但干燥多塵特別注明是非導(dǎo)電塵，在導(dǎo)電塵埃環(huán)境下，銅排最小間距凈值的數(shù)值比干燥多塵數(shù)據(jù)還要放大[31]。

8.5 力學(xué)環(huán)境

GB/T 10067.1—2019規(guī)定，感應(yīng)熔煉電爐裝置的力學(xué)環(huán)境應(yīng)“沒有明顯的振動(dòng)和顛簸。爐子成套設(shè)備在運(yùn)輸中，應(yīng)注意出廠前給感應(yīng)器線圈涂覆的耐火膠泥不能在運(yùn)輸過程中因振動(dòng)、顛簸而脫落，排除水冷系統(tǒng)的積水，拆除電熱電容器瓷頭外連接的硬母線。爐子和變頻電源都屬于大型件，設(shè)計(jì)應(yīng)滿足GB/T 5959.1—2019/IEC 60519-1：2015 IDT關(guān)于吊裝和裝配的要求：能安全吊運(yùn)和裝配；不能用手移動(dòng)的任何部分應(yīng)配置安全、可靠的起吊附件；所有電爐裝置應(yīng)能容易地使用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備或升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行組裝。