劉威

奧托容克冶金設(shè)備（上海）有限公司 上海 200090

1 序言

中頻感應(yīng)電爐以其功率密度大、熔化速度快、起熔方便、操作使用靈活，以及投資費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，在鑄造和冶金行業(yè)廣泛應(yīng)用[1]。中頻感應(yīng)電爐的感應(yīng)線圈通入三相交流電，其產(chǎn)生的交變磁通穿過(guò)金屬爐料，在金屬爐料內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流而使其發(fā)熱熔化。

若提高金屬爐料的熔化效率，則必須加大輸入功率。輸入功率越高，電磁攪拌力越大，磁軛立柱產(chǎn)生的振動(dòng)也越大[2]。另外，隨著輸入功率的提高，熔化金屬產(chǎn)生的熱量加劇，磁軛立柱被加熱的程度越大。本文所研究的40t中頻感應(yīng)電爐，輸入功率為20000kW，如此大的功率，給磁軛立柱設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。

本文通過(guò)對(duì)磁軛立柱受載進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)磁軛立柱母材的可靠性；通過(guò)增加水冷系統(tǒng)，減輕了磁軛立柱因交變磁場(chǎng)而引起的局部發(fā)熱、發(fā)紅現(xiàn)象，確保磁軛立柱受載穩(wěn)定；通過(guò)對(duì)頂緊磁軛螺栓組件的持續(xù)改進(jìn)，設(shè)計(jì)出了符合實(shí)際工況的磁軛立柱。

2 中頻感應(yīng)電爐及磁軛立柱結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)參數(shù)

中頻感應(yīng)電爐結(jié)構(gòu)如圖1所示，磁軛立柱結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 中頻感應(yīng)電爐主要技術(shù)參數(shù)

由圖1、圖2可看出，磁軛立柱上的磁軛螺栓頂緊磁軛，磁軛在螺栓壓力的作用下壓緊感應(yīng)線圈。三相交流電通過(guò)線圈電纜接頭輸入感應(yīng)線圈，其產(chǎn)生交變的縱向磁通穿過(guò)金屬爐料時(shí)，生成感應(yīng)電流熔化金屬。金屬爐料加熱熔化、出爐倒鐵液等，都需要磁軛立柱為其提供支撐力。

圖1 中頻感應(yīng)電爐結(jié)構(gòu)示意

圖2 磁軛立柱結(jié)構(gòu)

3 磁軛立柱受載強(qiáng)度分析

感應(yīng)電爐在熔化金屬爐料和傾爐過(guò)程中，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出磁軛立柱所受最大轉(zhuǎn)矩為1795kN·m，爐體共有9根均布的磁軛立柱，故每根磁軛立柱承受力矩最大值約為199.5kN·m。

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的磁軛立柱是否符合實(shí)際要求，應(yīng)用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析，得到了磁軛立柱的等效應(yīng)力和變形位移分布，如圖3、圖4所示。

圖3 磁軛立柱等效應(yīng)力分布

圖4 磁軛立柱變形位移分布

由圖3可看出，磁軛立柱在傾爐時(shí)的等效應(yīng)力最大值為152.2MPa，且主要位于上部區(qū)域，其等效應(yīng)力最大值低于材料的屈服極限。由圖4可看出，磁軛立柱在傾爐時(shí)的變形最大值為14.81mm，僅分布在下部邊緣處，而超過(guò)95%區(qū)域變形量在10mm以下，因此可判定磁軛立柱變形位移在允許范圍內(nèi)。

4 磁軛立柱增加水冷系統(tǒng)

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，輸入功率16000kW、額定容量為30t的中頻感應(yīng)電爐，其磁軛立柱四周被交變磁場(chǎng)加熱發(fā)紅，溫度高達(dá)150℃以上。而本文所研究的40t中頻感應(yīng)電爐，其輸入功率為20000kW，增大了輸入功率，熔化金屬產(chǎn)生的熱量加劇，磁軛立柱四周加熱變形程度也會(huì)增大。經(jīng)有限元分析，得到其局部溫升最大值為500℃。而Q235鋼材溫度超過(guò)200℃時(shí)，其材料屈服強(qiáng)度會(huì)下降，變形量加劇，材料穩(wěn)定性變差[3]。如果立柱選用奧氏體不銹鋼材質(zhì)，則可在很大程度上減少發(fā)熱，但爐子成本增加較多。

為解決上述難題，在磁軛立柱四周焊接4根水冷管，并通過(guò)水管接頭兩兩相連串成水冷系統(tǒng)，如圖5所示。中頻感應(yīng)電爐在工作狀態(tài)下，水冷管中通入一定壓力的循環(huán)冷卻水，就可有效降低磁軛立柱因交變磁場(chǎng)而引起的局部發(fā)熱、發(fā)紅現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，在水冷管通入冷卻水后，其溫度在80℃左右，對(duì)Q235鋼的綜合力學(xué)性能幾乎沒(méi)有影響。

圖5 磁軛立柱加入水冷系統(tǒng)示意

5 頂緊磁軛的螺栓組件設(shè)計(jì)

感應(yīng)線圈中通入三相交流電后，產(chǎn)生三相交變磁場(chǎng)。輸入功率越大，其產(chǎn)生的交變磁通越大，對(duì)金屬爐料的攪拌力也越大。而磁軛立柱上的頂緊螺栓將磁軛壓緊在線圈上，因此交變磁場(chǎng)產(chǎn)生的攪拌沖擊力全都由頂緊螺栓組件承受。本文所研究的中頻感應(yīng)電爐，輸入功率高達(dá)20000kW，其產(chǎn)生的巨大攪拌沖擊力直接作用在頂緊螺栓組件上，因此對(duì)頂緊螺栓組件的合理設(shè)計(jì)，是整個(gè)爐子設(shè)計(jì)質(zhì)量的關(guān)鍵。

5.1 螺栓組件設(shè)計(jì)

圖6所示為螺栓組件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，頂緊螺栓選用M30改制螺栓，螺栓尾部進(jìn)行磨平處理。定位矩形塊與磁軛立柱的H型鋼呈一定角度斜向焊接，保證了頂緊螺栓的中心軸線指向爐體中心，這樣頂緊螺栓承受的主要是向心力。在設(shè)備調(diào)試安裝時(shí)，對(duì)頂緊螺栓施加一定的預(yù)緊力使其壓緊在磁軛上。隨著預(yù)緊力的增大，螺紋塊與頂緊螺栓之間產(chǎn)生相對(duì)位移，螺紋塊向左運(yùn)動(dòng)，將蝶形彈簧組壓緊，但仍需留出一定的彈性余量。頂緊螺栓調(diào)整到預(yù)定位置后，用鎖緊角鐵將頂緊螺栓卡牢，防止其松脫。

圖6 螺栓組件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

中頻感應(yīng)電爐在熔化金屬爐料的過(guò)程中，由于熔化溫度高，因此感應(yīng)線圈等部件會(huì)發(fā)熱變形，若其發(fā)熱變形體積增大，則會(huì)直接作用在頂緊螺栓上。因?yàn)轫斁o螺栓組件的蝶形彈簧仍有一定的彈性余量，所以可平衡感應(yīng)線圈發(fā)熱變形帶來(lái)的影響。

上述所設(shè)計(jì)的頂緊螺栓組件，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，頂緊螺栓組件安裝調(diào)節(jié)方便，可有效地壓緊磁軛。但在運(yùn)行1個(gè)月后，出現(xiàn)1/3的頂緊螺栓彎曲變形，需要及時(shí)更換才能繼續(xù)生產(chǎn)運(yùn)行。

5.2 螺栓組件改進(jìn)

經(jīng)分析，所設(shè)計(jì)的螺栓組件，其螺桿懸臂長(zhǎng)度達(dá)到230mm。經(jīng)驗(yàn)證，其壓桿穩(wěn)定性較差。另外，爐體所產(chǎn)生的巨大振動(dòng)，也是壓桿彎曲變形的重要原因。

基于上述考慮，改進(jìn)后的螺栓組件如圖7所示。在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將蝶形彈簧和螺紋塊移到定位矩形塊的右邊，在其外部焊接加強(qiáng)矩形管。改進(jìn)后，螺桿懸臂長(zhǎng)度減小為160mm，滿足對(duì)壓桿穩(wěn)定性的要求。

圖7 螺栓組件改進(jìn)結(jié)構(gòu)

改進(jìn)的頂緊螺栓組件，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，頂緊螺栓的壓桿穩(wěn)定性加強(qiáng)，工作狀態(tài)較前期穩(wěn)定。但使用一段時(shí)間后，仍出現(xiàn)少部分的頂緊螺栓彎曲變形。

經(jīng)過(guò)在設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)的認(rèn)真觀察，發(fā)現(xiàn)該中頻感應(yīng)電爐在熔煉金屬時(shí)，由于振動(dòng)較大，部分磁軛出現(xiàn)了位置偏差，即磁軛中心軸線和頂緊螺栓中心軸線不在同一條直線上，出現(xiàn)了頂偏現(xiàn)象。在這種情況下，頂緊螺栓不僅承受軸向力，而且承受側(cè)向力。在這樣的受力情況下長(zhǎng)期運(yùn)行，頂緊螺栓勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生彎曲變形。

5.3 滿足生產(chǎn)實(shí)際的螺栓組件

圖8所示為螺栓組件的最終設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。加強(qiáng)矩形管與螺紋塊焊接在一起，發(fā)揮定位螺母的作用。螺桿的懸臂長(zhǎng)度進(jìn)一步縮小，只有75mm，大大增強(qiáng)了頂緊螺栓的壓桿穩(wěn)定性。在頂緊螺栓的尾部加上了套筒，其前段加工有凸臺(tái)。球面墊圈、錐面墊圈和蝶形彈簧裝配后，緊壓在套筒凸臺(tái)上。壓緊套左右兩端均開(kāi)孔，左端孔內(nèi)裝入套筒，右端孔裝入絕緣墊塊，最后通過(guò)絕緣墊塊壓緊磁軛。

圖8 螺栓組件最終設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

頂緊螺栓組件壓緊磁軛后，并緊左端的鎖緊螺母，這樣左端的并緊螺母和右端的焊接螺紋塊將頂緊螺栓緊固在磁軛立柱上，形成了一個(gè)剛性穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。球面墊圈和錐面墊圈裝配安裝后，即使在磁軛中心軸線和頂緊螺栓中心軸線不重合的情況下，通過(guò)錐面墊圈和球面墊圈的自動(dòng)調(diào)心功能，頂緊螺栓仍能有效地壓緊磁軛。

最終設(shè)計(jì)的頂緊螺栓組件，在實(shí)際應(yīng)用中，未出現(xiàn)頂緊螺栓彎曲變形的情況。實(shí)踐證明，經(jīng)過(guò)最終改進(jìn)設(shè)計(jì)的頂緊螺栓組件，通過(guò)錐面墊圈和球面墊圈的自動(dòng)調(diào)心，蝶形彈簧彈性變形的有效補(bǔ)償和壓桿穩(wěn)定的合理設(shè)計(jì)，成功地將各個(gè)磁軛頂緊在線圈上。

6 結(jié)束語(yǔ)

1）運(yùn)用有限元對(duì)磁軛立柱進(jìn)行受載分析，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)磁軛立柱基體的可靠性；為解決磁軛立柱因交變磁場(chǎng)而引起的局部發(fā)熱、發(fā)紅現(xiàn)象，在磁軛立柱上增加了水冷系統(tǒng)，確保其綜合機(jī)械強(qiáng)度的穩(wěn)定性；通過(guò)對(duì)頂緊磁軛螺栓組件的持續(xù)改進(jìn)，最終設(shè)計(jì)出了能用在大功率中頻感應(yīng)電爐上的頂緊螺栓組件。

2）在設(shè)計(jì)大功率、大容量中頻感應(yīng)電爐時(shí)，要著重考慮三相交變磁場(chǎng)對(duì)爐體各部件產(chǎn)生的巨大沖擊力；立柱的局部發(fā)熱與漏磁有關(guān)，可采取適當(dāng)加大磁軛的截面積、提高硅鋼片的材料級(jí)別等措施，來(lái)減少立柱發(fā)熱；嚴(yán)格控制感應(yīng)線圈等通過(guò)電流較大部件的絕緣問(wèn)題。