1．中频感应电炉在现代化铸造车间中得到日趋广泛的应用
随着固态中频电源技术的快速发展，其变换效率已逐步提高到目前的96~97%，它的操作安全性已完全能满足生产的需要，而它的投资成本却逐年下降到已低于工频电源，再考虑到它在使用上的众多优点，使得它自上世纪的80年代后期起在欧、美等发达国家得到广泛应用，基本上替代了传统的工频感应电炉。自90年代中期起，随着我国电子技术的飞速发展，大功率的国产固态中频电源也已得到成功的开发、生产和应用。因此，传统的工频感应电炉在我国已逐渐从销售市场上消失，铸造车间内现有的工频感应电炉也在技术改造中逐步被中频感应电炉替代。
由于中频电源的成本低、控制方便、占地小、可以与计算机控制管理系统连接等优势（见下表1），甚至连使用工业频率（50Hz）的有心感应电炉的传统的工频电源自90年代中期起在国外也开始被固态中频电源替代（输出50~200Hz）。国内第一台配置固态中频电源的有心感应电炉（50Hz）也已经于去年问世，该电炉还配置有计算机熔化过程自动控制管理系统，对炉况、炉衬烧结、功率输入及熔化温度可实行全自动控制和检测。
表1 中频与工频无心感应电炉的性能比较（以铸铁为例）
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序号 |
比较指标 |
中频感应电炉 |
工频感应电炉 |
评 论 |
|
1 |
功率密度 |
600 ~ 1400 kW/t |
300 kW/t |
每吨炉容的配置功率密度允许值随频率变化，见表2 |
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2 |
熔化作业方法 |
批料熔化法 |
残液熔化法 |
见注1 |
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3 |
对加入料块要求 |
要求小 |
要求高 |
|
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4 |
熔化单耗 |
500～550 kWh/t |
540～580 kWh/t |
由于中频炉的功率密度大，热损失小，熔化时间短，其总效率较高 |
|
5 |
功率调节范围 |
0～100%无级调节 |
有级调节 |
工频炉的功率调节还涉及三相平衡的调节，较复杂 |
|
6 |
功率自动调节 |
可以 |
困难 |
|
|
7 |
熔液的搅拌效应 |
可调 |
大且固定 |
中频炉的搅拌效应大小随频率变化而逆向变化 |
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8 |
电源占用空间比率 |
30～40% |
100% |
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9 |
电源维修量 |
较小 |
较大 |
|
|
10 |
故障诊断及保护功能 |
完全，强 |
部分有 |
|
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11 |
与计算机连网可能性 |
可以 |
困难 |
中频炉可与计算机熔化过程自动控制管理系统连接 |
|
12 |
总投资比率 |
～90% |
100% |
表2 不同频率下电炉的功率密度允许值 (铸铁和钢)
|
频率 (Hz) |
1000 |
500 |
250 |
125 |
50 |
|
电炉容量 (t) |
0.2～1.5 |
0.6～6 |
1.1～18 |
2.5～60 |
8～100 |
|
功率密度 (kW/t) |
1345 |
945 |
670 |
475 |
300 |
由表2可见，电炉的工作频率愈高，其允许功率密度值愈高。目前，国外制造的中频感应熔化炉的功率密度通常配置到600～800 kW/t,，小容量熔化炉的功率密度配置可高达1000 kW/t 。国内制造的中频感应熔化炉的功率密度通常配置到600 kW/t左右。这主要考虑到炉衬的使用寿命和生产管理二个因素，因为高功率密度情况下工作的炉衬受到强烈的熔液搅拌效应的冲刷。
从上面的分析可以看出，与工频感应电炉相比，无论从技术性能和作业性能还是从投资方面来说中频感应电炉在现代化铸造车间内用作熔化设备具有无可争议的地位。
注1．以批料熔化法作业的中频炉可以每次将熔液倒空，冷炉启炉时不需要起熔块，对加料块尺寸和状态限制小，炉料过热时间短。这些都是以残液熔化法作业的工频炉所缺乏的优势。
2.电炉容量和功率的确定
电炉容量的确定要考虑许多工艺因素，但是基本上应满足二个条件，一是满足最大铸件的浇注重量需要，二是与工艺对铁水的需求量相符合。由于中频电炉的功率密度配置较大，当其配置功率密度大于600 kW/t时，其熔化能力基本上可以做到每炉次的熔化时间在一小时以内。
电炉功率大小基本上依据生产率确定。一旦电炉容量和生产率确定后，电炉的功率就可以根据下面公式（1）计算得到。
3.电源类型的选择
中频电源的类型主要有二类：具有并联逆变电路的固体电源及具有串联逆变电路的固体电源。
在我国的铸造行业中，习惯对配置可控硅(SCR)全桥并联逆变固体电源的中频感应电炉通常俗称为中频炉。而对配置(IGBT)或(SCR)半桥串联逆变固体电源的中频感应电炉通常俗称为变频炉（这个称呼并不确切，只是为了与前者相区别）。由于这二种感应电炉的逆变供电电源不同，所以它们的工作性能也有很大的区别。
西安机电研究所既生产配置SCR全桥并联逆变固体电源的中频炉（PS系列电源），也生产配置IGBT半桥串联逆变固体电源的变频炉（CS或CA系列电源）。下文将对它们的优缺点和适用范围作一简单比较(见表3)，以使用户能够根据各自的工艺要求正确选择这二种不同类型的电炉。
表3二种固体电源的主要性能比较
|
比较项目 |
SCR全桥并联逆变固体电源 （PS系列电源） |
IGBT半桥串联逆变固体电源 （CS或CA系列电源） |
|
产品规格范围 |
160 ～ 4000 kW |
50 ～ 2500 kW |
|
电网侧功率因数 |
额定功率时接近于1 功率减小时功率因数降低 |
始终接近于1 |
|
谐波干扰 |
相同 |
相同 |
|
变换效率 |
中功率时相同, 大功率时略低 |
中功率时相同, 大功率时略高 |
|
负载适应范围 |
一般 |
宽广 |
|
恒功率输出能力 |
冷料启动阶段输出功率较低；改进逆变控制后可接近恒功率运行，但控制技术复杂 |
整个熔化过程中始终可以保持恒功率运行，控制简单 |
|
工作频率范围 |
高至2500 Hz 主要用于感应熔化和保温 |
最高可达100 kHz 适用于感应熔化和保温，也适用于透热和淬火 |
|
工作稳定性 |
高。中频电流自成回路，触发可控硅必须有一定的电流，抗干扰能力强 |
较高。中频电流必须通过IGBT构成回路，IGBT是电压控制器件，外界干扰电压可能误触发IGBT |
|
器件过流容量和过流保护 |
过流容量大，保护电路简单 |
过流容量小，保护电路复杂，技术要求高 |
|
配置电源变压器的余量要求 |
较大。变压器配置容量约为固体电源最大输出功率的1.25倍 |
小。变压器配置容量约为固体电源最大输出功率的1.1倍 |
|
电源功率共享 可能性 |
不能 |
可以 |
|
设备价格 |
较低 |
CS系列的价格通常比PS系列高30%左右。 最近西安机电研究所研制开发的CA系列电源具有较高的性能价格比，电源容量在1100kW以下，其价格比PS系列略高出20%左右。 |
|
备件价格 |
低 |
较高 |
根据上表3，二种固体电源的适用范围如下表4所示,供用户选型参考。
表4二种固体电源适用范围
|
电炉类型 |
固体电源类型 |
优点 |
|
中、小功率熔化炉 |
IGBT半桥串联逆变固体电源 |
高性能 |
|
SCR 全桥并联逆变固体电源 |
低价格 | |
|
大功率熔化炉 |
SCR 全桥并联逆变固体电源 |
高可靠性 |
|
DX型双向供电电炉 |
IGBT半桥串联逆变固体电源 |
唯一选择 |
|
保温电炉 |
IGBT半桥串联逆变固体电源 |
高功率因数 |
|
透热炉 |
IGBT半桥串联逆变固体电源 |
温度稳定 |
|
表面淬火炉 |
IGBT半桥串联逆变固体电源 |
唯一选择 |
4.中频电源与电炉的配置
如表1所述，采用中频无心感应电炉实现批料熔化法可以使电源的输出功率从炉料被加热起至浇注前保持在最大的负载水平。但是在其后的浇注作业周期及其它非生产性作业周期（例如撇渣、取样、等待化验结果等），系统中没有功率输出或者仅需少量功率输出，以保持一定的浇注温度。为了适应各种不同的铸造工艺需要，同时也为了充分提高电源的功率利用系数（将在下节详细讨论），出现了许多形式的中频电源与电炉的配置方案，现列于表5介绍如下。
表5 中频电源与电炉的配置方案示例
|
序号 |
配置方案 |
评 论 |
|
1 |
单台电源配单炉 |
简单可靠，适用于电炉内金属液熔化后迅速倒空，再重新加料熔化的作业条件，或作业不频繁的场合。 仅对小容量及较低功率的电炉适合。 该配置方案的作业功率利用系数（K2值，见下述）低。 |
|
2 |
单台电源配二炉（通过开关切换） |
常见的经济性配置方案。 一台电炉熔化作业，另一台炉浇注作业或维修、筑炉。 在作小容量多次浇注作业时，可将向熔化作业电炉供电的电源短时间内切换到浇注作业的电炉作快速升温，以补偿浇注温度的下降。二台电炉的交替作业（熔化和浇注、加料作业）保证了向浇注作业线持续供应高温合格金属液。 该配置方案的作业功率利用系数（K2值）较高。 |
|
3 |
二台电源 （熔化电源和保温电源）配二炉（通过开关切换） |
该配置方案采用SCR 全桥并联逆变固体电源，通过切换开关实现二台电炉交替与熔化电源和保温电源相连。该方案目前被用户广泛接受并采用，它可以达到与配置方案5相同效果，但是投资却大大降低。 电源切换是借助于电动切换开关完成，操作方便、工作可靠性较高。 该方案的不足之处是，保温电源为了能与同一感应线圈匹配工作，它需要以稍高于熔化电源的频率工作。由此导致合金化处理时的搅拌作用可能较小，有时需短时间将熔化电源切换过来以增强合金化过程。 该配置方案的作业功率利用系数（K2值）较高。 |
|
4 |
单台双供电源配二炉 |
该配置方案又可以称为功率共享电源系统。它是目前国内外被用户广泛采用的一种先进的配置方案。西安机电研究所自1998年开发出这种系统以来，至今已向国内用户提供了30余套，足见它受欢迎的程度。 该方案的优点是： 1. 每台电炉可以根据各自的工况选择合适的功率； 2. 无机械切换开关，工作可靠性高； 3. 作业功率利用系数（K2值）高，理论上可达1.00，从而大幅度地提高了电炉的生产率； 4. 由于采用IGBT半桥串联逆变固体电源，如表2所述，在整个熔化过程中始终能以恒功率运行，所以其电源功率利用系数（K1值，见下述）也高； 5. 单台电源仅需一台变压器和冷却装置，与方案3相比较，主变压器的总安装容量小，占用空间也小。 |
5.电炉熔化率与生产率的关系
需要指出，一般电炉制造商在样本或技术规格上提供的电炉熔化能力数据是熔化率。电炉的熔化率是电炉本身的特性，它与电炉的功率大小及电源类型有关，与而生产作业制度无关。而电炉的生产率则除了与电炉本身的熔化率性能有关外，还与熔化作业制度有关。通常，熔化作业周期内存在一定的空载辅助时间，如：加料、撇渣、取样化验和等待化验结果（与化验手段有关）、等待浇注等。这些空载辅助时间的存在减少了电源的功率输入，即减低了电炉的熔化能力。
为叙述清晰起见，我们引入电炉功率利用系数K1和作业功率利用系数K2的概念。
电炉功率利用系数K1是指在整个熔化周期内电源输出功率与其额定功率之比，它与电源类型有关。配置可控硅(SCR)全桥并联逆变固体电源的中频感应电炉的K1数值通常在0.8左右，西安机电研究所对该类型电源增加了逆变控制后（通常的该类型电源仅有整流控制），该数值可接近于0.9左右。配置(IGBT)或(SCR)半桥串联逆变的功率共享固体电源的中频感应电炉的K1数值理论上可达到1.0。
作业功率利用系数K2的大小与熔化车间的工艺设计和管理水平、电炉电源的配置方案等因素有关。其数值等于整个作业周期内电源实际输出功率与额定输出功率之比。通常，功率利用系数K2的大小在0.7 ~ 0.85 之间选择，电炉的空载辅助作业时间（例如：加料、取样、等待化验、等待浇注等）愈短，K2值愈大。采用表4方案4（双供电源配二炉系统）的K2值理论上可达1.0, 实际上在电炉空载辅助作业时间很低的情况下可达0.9以上。
由此，电炉的生产率N可以由下式计算而得：
N = P·K1·K2 / p (t/h)…………………………………………………………………(1)
式中：
P –- 电炉额定功率 (kW)
K1 –- 电炉功率利用系数，通常在0.8 ~0.95范围内
K2 –- 作业功率利用系数,0.7 ~0.85
p ––- 电炉熔化单耗 (kWh/t)
以一台机电研究所生产的配置2500kW可控硅(SCR)全桥并联逆变固体电源的10t中频感应电炉为例，技术规格表示的熔化单耗p为520 kWh/t，电炉功率利用系数K1数值可达0.9，作业功率利用系数K2数值取为0.85。由此可得电炉的生产率为：
N = P·K1·K2 / p = 2500·0.9·0.85 / 520 = 3.68 (t/h)
需要指出，有些用户混淆了熔化率与生产率的含义，将它们视为意义同一，没有考虑电炉功率利用系数K1和作业功率利用系数K2，这样的计算结果会是N = 2500 / 520 = 4.8 (t/h)。如此选择的电炉就不可能达到设计生产率。
6.电炉选型时对系统的各项功能的评估
作为铸造车间的重要熔化设备，感应电炉的投资在铸造车间的总投资中占有不小的比例。因此，电炉系统的选型除了上面需要考虑的各类因素外，尚应结合铸造车间本身的投资规模、技术先进性、管理水平等背景对所选的电炉系统的安全性、先进性、经济性、对环保的适应性等系统的各项功能作一个全面的分析和评估。以下对上述几个方面略作讨论：
l系统的安全性 – 系统的机械方面的完整的保护功能应该具备：闭式冷却水循环系统的采用，冷却水温度及流量的监控和报警，应急冷却水柜和管路的设置、液压系统的安全措施（软管破裂保护措施、双液压泵的配置、阻燃油的采用），炉体的钢架结构坚固性。系统的电气方面完整的保护功能有：功能完备和可靠的全数字化控制板和故障自诊断功能、炉衬检测（或漏炉检测）功能、电源（包括电容器等）的可靠冷却措施等。
l系统的先进性 – 它应与整个铸造车间的设备先进程度及管理水平背景相匹配。采用全数字化控制系统的中频电源将大大提高电炉系统的作业（包括炉衬寿命和熔化作业）稳定性和可靠性。此外，近年来在铸造业逐渐被广泛接受和采用的功率共享电源系统（俗称一拖二电炉系统）、电源的远程控制系统、电炉的计算机熔化过程自动控制管理系统、旧炉衬快速推出机构、炉衬捣筑质量稳定的锤击式气动筑炉机、铁水自动称量系统、炉衬自动烘炉控制系统等先进装置也大大提高了电炉系统的作业稳定性和可靠性，体现了铸造车间的技术和管理水平的先进性，也为铸造生产的质量管理体系提供了有效的手段。
l系统的经济性 – 应该全面、合理地评估选用先进电炉系统所支付的较高的一次性投资额与该系统的较低的日常运行、维护费用及生产率提高之间的关系。可从以下几个方面来评估这种关系：
a) 根据因先进的熔化单耗指标计算得到电炉每年运行费用的节约数值来评估投资额差价的回收周期；
b) 根据先进的电炉系统性能，如电源功率共享系统所具有较高的功率/作业利用系数所引起的相同功率配置情况下电炉生产率的提高来评估整体经济效益的大小；
c) 从先进的和安全性好的电炉系统在日常维护方面减少的费用以及设备使用寿命提高二方面进行投资的综合评估；
d) 从采用具有先进功能的装置，如炉衬自动烘炉控制系统和锤击式气动筑炉机，提高了炉衬寿命，降低的作业方面的各项成本来评估其经济性。
l环境的改善 – 现代化的铸造车间大都具有较大的生产能力，因此电炉的功率也较大，这可能对电网带来高次谐波的污染。中频固态电源对于电网的谐波干扰程度主要取决于它向电网的公共连接点注入的谐波是否超过国家颁布的标准（见GB/T14549-93, 电能质量·公用电网谐波）。减少抑制电源向电网公共连接点注入谐波电流的措施有：
a)增加电源的整流相数。该措施可以消除5、7、17、19次谐波；
b)装设谐振滤波器，将主要谐波电流滤除，如装设5、7、11次滤波器;
c)改变供电点，将中频电源接到短路容量较大的公用电网上。
此外，某些工艺条件下的有色金属和铸铁熔化所产生的烟雾和粉尘也对环境产生污染。此时，排烟罩的设置对于环境的改善是必要的。
, : 100%; BORDER-TOP-STYLE: none; BORDER-RIGHT-COLOR: windowtext; BORDER-LEFT-STYLE: none; BORDER-LEFT-COLOR: rgb(221,221,221); WORD-BREAK: break-all; PADDING-TOP: 0px; PADDING-R: 7px" vAlign=center width=89>部分有
11
与计算机连网可能性
可以
困难
中频炉可与计算机熔化过程自动控制管理系统连接
12
总投资比率
～90%
100%
表2 不同频率下电炉的功率密度允许值 (铸铁和钢)
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频率 (Hz) |
1000 |
500 |
250 |
125 |
50 |
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电炉容量 (t) |
0.2～1.5 |
0.6～6 |
1.1～18 |
2.5～60 |
8～100 |
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功率密度 (kW/t) |
1345 |
945 |
670 |
475 |
300 |
由表2可见，电炉的工作频率愈高，其允许功率密度值愈高。目前，国外制造的中频感应熔化炉的功率密度通常配置到600～800 kW/t,，小容量熔化炉的功率密度配置可高达1000 kW/t 。国内制造的中频感应熔化炉的功率密度通常配置到600 kW/t左右。这主要考虑到炉衬的使用寿命和生产管理二个因素，因为高功率密度情况下工作的炉衬受到强烈的熔液搅拌效应的冲刷。
从上面的分析可以看出，与工频感应电炉相比，无论从技术性能和作业性能还是从投资方面来说中频感应电炉在现代化铸造车间内用作熔化设备具有无可争议的地位。
注1．以批料熔化法作业的中频炉可以每次将熔液倒空，冷炉启炉时不需要起熔块，对加料块尺寸和状态限制小，炉料过热时间短。这些都是以残液熔化法作业的工频炉所缺乏的优势。
2.电炉容量和功率的确定
电炉容量的确定要考虑许多工艺因素，但是基本上应满足二个条件，一是满足最大铸件的浇注重量需要，二是与工艺对铁水的需求量相符合。由于中频电炉的功率密度配置较大，当其配置功率密度大于600 kW/t时，其熔化能力基本上可以做到每炉次的熔化时间在一小时以内。
电炉功率大小基本上依据生产率确定。一旦电炉容量和生产率确定后，电炉的功率就可以根据下面公式（1）计算得到。
3.电源类型的选择
中频电源的类型主要有二类：具有并联逆变电路的固体电源及具有串联逆变电路的固体电源。
在我国的铸造行业中，习惯对配置可控硅(SCR)全桥并联逆变固体电源的中频感应电炉通常俗称为中频炉。而对配置(IGBT)或(SCR)半桥串联逆变固体电源的中频感应电炉通常俗称为变频炉（这个称呼并不确切，只是为了与前者相区别）。由于这二种感应电炉的逆变供电电源不同，所以它们的工作性能也有很大的区别。
西安机电研究所既生产配置SCR全桥并联逆变固体电源的中频炉（PS系列电源），也生产配置IGBT半桥串联逆变固体电源的变频炉（CS或CA系列电源）。下文将对它们的优缺点和适用范围作一简单比较(见表3)，以使用户能够根据各自的工艺要求正确选择这二种不同类型的电炉。
表3二种固体电源的主要性能比较
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比较项目 |
SCR全桥并联逆变固体电源 （PS系列电源） |
IGBT半桥串联逆变固体电源 （CS或CA系列电源） |
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产品规格范围 |
160 ～ 4000 kW |
50 ～ 2500 kW |
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电网侧功率因数 |
额定功率时接近于1 功率减小时功率因数降低 |
始终接近于1 |
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谐波干扰 |
相同 |
相同 |
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变换效率 |
中功率时相同, 大功率时略低 |
中功率时相同, 大功率时略高 |
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负载适应范围 |
一般 |
宽广 |
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恒功率输出能力 |
冷料启动阶段输出功率较低；改进逆变控制后可接近恒功率运行，但控制技术复杂 |
整个熔化过程中始终可以保持恒功率运行，控制简单 |
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工作频率范围 |
高至2500 Hz 主要用于感应熔化和保温 |
最高可达100 kHz 适用于感应熔化和保温，也适用于透热和淬火 |
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工作稳定性 |
高。中频电流自成回路，触发可控硅必须有一定的电流，抗干扰能力强 |
较高。中频电流必须通过IGBT构成回路，IGBT是电压控制器件，外界干扰电压可能误触发IGBT |
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器件过流容量和过流保护 |
过流容量大，保护电路简单 |
过流容量小，保护电路复杂，技术要求高 |
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配置电源变压器的余量要求 |
较大。变压器配置容量约为固体电源最大输出功率的1.25倍 |
小。变压器配置容量约为固体电源最大输出功率的1.1倍 |
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电源功率共享 可能性 |
不能 |
可以 |
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设备价格 |
较低 |
CS系列的价格通常比PS系列高30%左右。 最近西安机电研究所研制开发的CA系列电源具有较高的性能价格比，电源容量在1100kW以下，其价格比PS系列略高出20%左右。 |
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备件价格 |
低 |
较高 |
根据上表3，二种固体电源的适用范围如下表4所示,供用户选型参考。
表4二种固体电源适用范围
|
电炉类型 |
固体电源类型 |
优点 |
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中、小功率熔化炉 |
IGBT半桥串联逆变固体电源 |
高性能 |
|
SCR 全桥并联逆变固体电源 |
低价格 | |
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大功率熔化炉 |
SCR 全桥并联逆变固体电源 |
高可靠性 |
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DX型双向供电电炉 |
IGBT半桥串联逆变固体电源 |
唯一选择 |
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保温电炉 |
IGBT半桥串联逆变固体电源 |
高功率因数 |
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透热炉 |
IGBT半桥串联逆变固体电源 |
温度稳定 |
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表面淬火炉 |
IGBT半桥串联逆变固体电源 |
唯一选择 |
4.中频电源与电炉的配置
如表1所述，采用中频无心感应电炉实现批料熔化法可以使电源的输出功率从炉料被加热起至浇注前保持在最大的负载水平。但是在其后的浇注作业周期及其它非生产性作业周期（例如撇渣、取样、等待化验结果等），系统中没有功率输出或者仅需少量功率输出，以保持一定的浇注温度。为了适应各种不同的铸造工艺需要，同时也为了充分提高电源的功率利用系数（将在下节详细讨论），出现了许多形式的中频电源与电炉的配置方案，现列于表5介绍如下。
表5 中频电源与电炉的配置方案示例
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序号 |
配置方案 |
评 论 |
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1 |
单台电源配单炉 |
简单可靠，适用于电炉内金属液熔化后迅速倒空，再重新加料熔化的作业条件，或作业不频繁的场合。 仅对小容量及较低功率的电炉适合。 该配置方案的作业功率利用系数（K2值，见下述）低。 |
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2 |
单台电源配二炉（通过开关切换） |
常见的经济性配置方案。 一台电炉熔化作业，另一台炉浇注作业或维修、筑炉。 在作小容量多次浇注作业时，可将向熔化作业电炉供电的电源短时间内切换到浇注作业的电炉作快速升温，以补偿浇注温度的下降。二台电炉的交替作业（熔化和浇注、加料作业）保证了向浇注作业线持续供应高温合格金属液。 该配置方案的作业功率利用系数（K2值）较高。 |
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3 |
二台电源 （熔化电源和保温电源）配二炉（通过开关切换） |
该配置方案采用SCR 全桥并联逆变固体电源，通过切换开关实现二台电炉交替与熔化电源和保温电源相连。该方案目前被用户广泛接受并采用，它可以达到与配置方案5相同效果，但是投资却大大降低。 电源切换是借助于电动切换开关完成，操作方便、工作可靠性较高。 该方案的不足之处是，保温电源为了能与同一感应线圈匹配工作，它需要以稍高于熔化电源的频率工作。由此导致合金化处理时的搅拌作用可能较小，有时需短时间将熔化电源切换过来以增强合金化过程。 该配置方案的作业功率利用系数（K2值）较高。 |
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4 |
单台双供电源配二炉 |
该配置方案又可以称为功率共享电源系统。它是目前国内外被用户广泛采用的一种先进的配置方案。西安机电研究所自1998年开发出这种系统以来，至今已向国内用户提供了30余套，足见它受欢迎的程度。 该方案的优点是： 1. 每台电炉可以根据各自的工况选择合适的功率； 2. 无机械切换开关，工作可靠性高； 3. 作业功率利用系数（K2值）高，理论上可达1.00，从而大幅度地提高了电炉的生产率； 4. 由于采用IGBT半桥串联逆变固体电源，如表2所述，在整个熔化过程中始终能以恒功率运行，所以其电源功率利用系数（K1值，见下述）也高； 5. 单台电源仅需一台变压器和冷却装置，与方案3相比较，主变压器的总安装容量小，占用空间也小。 |
5.电炉熔化率与生产率的关系
需要指出，一般电炉制造商在样本或技术规格上提供的电炉熔化能力数据是熔化率。电炉的熔化率是电炉本身的特性，它与电炉的功率大小及电源类型有关，与而生产作业制度无关。而电炉的生产率则除了与电炉本身的熔化率性能有关外，还与熔化作业制度有关。通常，熔化作业周期内存在一定的空载辅助时间，如：加料、撇渣、取样化验和等待化验结果（与化验手段有关）、等待浇注等。这些空载辅助时间的存在减少了电源的功率输入，即减低了电炉的熔化能力。
为叙述清晰起见，我们引入电炉功率利用系数K1和作业功率利用系数K2的概念。
电炉功率利用系数K1是指在整个熔化周期内电源输出功率与其额定功率之比，它与电源类型有关。配置可控硅(SCR)全桥并联逆变固体电源的中频感应电炉的K1数值通常在0.8左右，西安机电研究所对该类型电源增加了逆变控制后（通常的该类型电源仅有整流控制），该数值可接近于0.9左右。配置(IGBT)或(SCR)半桥串联逆变的功率共享固体电源的中频感应电炉的K1数值理论上可达到1.0。
作业功率利用系数K2的大小与熔化车间的工艺设计和管理水平、电炉电源的配置方案等因素有关。其数值等于整个作业周期内电源实际输出功率与额定输出功率之比。通常，功率利用系数K2的大小在0.7 ~ 0.85 之间选择，电炉的空载辅助作业时间（例如：加料、取样、等待化验、等待浇注等）愈短，K2值愈大。采用表4方案4（双供电源配二炉系统）的K2值理论上可达1.0, 实际上在电炉空载辅助作业时间很低的情况下可达0.9以上。
由此，电炉的生产率N可以由下式计算而得：
N = P·K1·K2 / p (t/h)…………………………………………………………………(1)
式中：
P –- 电炉额定功率 (kW)
K1 –- 电炉功率利用系数，通常在0.8 ~0.95范围内
K2 –- 作业功率利用系数,0.7 ~0.85
p ––- 电炉熔化单耗 (kWh/t)
以一台机电研究所生产的配置2500kW可控硅(SCR)全桥并联逆变固体电源的10t中频感应电炉为例，技术规格表示的熔化单耗p为520 kWh/t，电炉功率利用系数K1数值可达0.9，作业功率利用系数K2数值取为0.85。由此可得电炉的生产率为：
N = P·K1·K2 / p = 2500·0.9·0.85 / 520 = 3.68 (t/h)
需要指出，有些用户混淆了熔化率与生产率的含义，将它们视为意义同一，没有考虑电炉功率利用系数K1和作业功率利用系数K2，这样的计算结果会是N = 2500 / 520 = 4.8 (t/h)。如此选择的电炉就不可能达到设计生产率。
6.电炉选型时对系统的各项功能的评估
作为铸造车间的重要熔化设备，感应电炉的投资在铸造车间的总投资中占有不小的比例。因此，电炉系统的选型除了上面需要考虑的各类因素外，尚应结合铸造车间本身的投资规模、技术先进性、管理水平等背景对所选的电炉系统的安全性、先进性、经济性、对环保的适应性等系统的各项功能作一个全面的分析和评估。以下对上述几个方面略作讨论：
l系统的安全性 – 系统的机械方面的完整的保护功能应该具备：闭式冷却水循环系统的采用，冷却水温度及流量的监控和报警，应急冷却水柜和管路的设置、液压系统的安全措施（软管破裂保护措施、双液压泵的配置、阻燃油的采用），炉体的钢架结构坚固性。系统的电气方面完整的保护功能有：功能完备和可靠的全数字化控制板和故障自诊断功能、炉衬检测（或漏炉检测）功能、电源（包括电容器等）的可靠冷却措施等。
l系统的先进性 – 它应与整个铸造车间的设备先进程度及管理水平背景相匹配。采用全数字化控制系统的中频电源将大大提高电炉系统的作业（包括炉衬寿命和熔化作业）稳定性和可靠性。此外，近年来在铸造业逐渐被广泛接受和采用的功率共享电源系统（俗称一拖二电炉系统）、电源的远程控制系统、电炉的计算机熔化过程自动控制管理系统、旧炉衬快速推出机构、炉衬捣筑质量稳定的锤击式气动筑炉机、铁水自动称量系统、炉衬自动烘炉控制系统等先进装置也大大提高了电炉系统的作业稳定性和可靠性，体现了铸造车间的技术和管理水平的先进性，也为铸造生产的质量管理体系提供了有效的手段。
l系统的经济性 – 应该全面、合理地评估选用先进电炉系统所支付的较高的一次性投资额与该系统的较低的日常运行、维护费用及生产率提高之间的关系。可从以下几个方面来评估这种关系：
a) 根据因先进的熔化单耗指标计算得到电炉每年运行费用的节约数值来评估投资额差价的回收周期；
b) 根据先进的电炉系统性能，如电源功率共享系统所具有较高的功率/作业利用系数所引起的相同功率配置情况下电炉生产率的提高来评估整体经济效益的大小；
c) 从先进的和安全性好的电炉系统在日常维护方面减少的费用以及设备使用寿命提高二方面进行投资的综合评估；
d) 从采用具有先进功能的装置，如炉衬自动烘炉控制系统和锤击式气动筑炉机，提高了炉衬寿命，降低的作业方面的各项成本来评估其经济性。
l环境的改善 – 现代化的铸造车间大都具有较大的生产能力，因此电炉的功率也较大，这可能对电网带来高次谐波的污染。中频固态电源对于电网的谐波干扰程度主要取决于它向电网的公共连接点注入的谐波是否超过国家颁布的标准（见GB/T14549-93, 电能质量·公用电网谐波）。减少抑制电源向电网公共连接点注入谐波电流的措施有：
a)增加电源的整流相数。该措施可以消除5、7、17、19次谐波；
b)装设谐振滤波器，将主要谐波电流滤除，如装设5、7、11次滤波器;
c)改变供电点，将中频电源接到短路容量较大的公用电网上。
此外，某些工艺条件下的有色金属和铸铁熔化所产生的烟雾和粉尘也对环境产生污染。此时，排烟罩的设置对于环境的改善是必要的。
, : 100%; BORDER-TOP-STYLE: none; BORDER-RIGHT-COLOR: windowtext; BORDER-LEFT-STYLE: none; BORDER-LEFT-COLOR: rgb(221,221,221); WORD-BREAK: break-all; PADDING-TOP: 0px; PADDING-R: 7px" vAlign=center width=89>部分有
11
与计算机连网可能性
可以
困难
中频炉可与计算机熔化过程自动控制管理系统连接
12
总投资比率
～90%
100%
表2 不同频率下电炉的功率密度允许值 (铸铁和钢)
|
频率 (Hz) |
1000 |
500 |
250 |
125 |
50 |
|
电炉容量 (t) |
0.2～1.5 |
0.6～6 |
1.1～18 |
2.5～60 |
8～100 |
|
功率密度 (kW/t) |
1345 |
945 |
670 |
475 |
300 |
由表2可见，电炉的工作频率愈高，其允许功率密度值愈高。目前，国外制造的中频感应熔化炉的功率密度通常配置到600～800 kW/t,，小容量熔化炉的功率密度配置可高达1000 kW/t 。国内制造的中频感应熔化炉的功率密度通常配置到600 kW/t左右。这主要考虑到炉衬的使用寿命和生产管理二个因素，因为高功率密度情况下工作的炉衬受到强烈的熔液搅拌效应的冲刷。
从上面的分析可以看出，与工频感应电炉相比，无论从技术性能和作业性能还是从投资方面来说中频感应电炉在现代化铸造车间内用作熔化设备具有无可争议的地位。
注1．以批料熔化法作业的中频炉可以每次将熔液倒空，冷炉启炉时不需要起熔块，对加料块尺寸和状态限制小，炉料过热时间短。这些都是以残液熔化法作业的工频炉所缺乏的优势。
2.电炉容量和功率的确定
电炉容量的确定要考虑许多工艺因素，但是基本上应满足二个条件，一是满足最大铸件的浇注重量需要，二是与工艺对铁水的需求量相符合。由于中频电炉的功率密度配置较大，当其配置功率密度大于600 kW/t时，其熔化能力基本上可以做到每炉次的熔化时间在一小时以内。
电炉功率大小基本上依据生产率确定。一旦电炉容量和生产率确定后，电炉的功率就可以根据下面公式（1）计算得到。
3.电源类型的选择
中频电源的类型主要有二类：具有并联逆变电路的固体电源及具有串联逆变电路的固体电源。
在我国的铸造行业中，习惯对配置可控硅(SCR)全桥并联逆变固体电源的中频感应电炉通常俗称为中频炉。而对配置(IGBT)或(SCR)半桥串联逆变固体电源的中频感应电炉通常俗称为变频炉（这个称呼并不确切，只是为了与前者相区别）。由于这二种感应电炉的逆变供电电源不同，所以它们的工作性能也有很大的区别。
西安机电研究所既生产配置SCR全桥并联逆变固体电源的中频炉（PS系列电源），也生产配置IGBT半桥串联逆变固体电源的变频炉（CS或CA系列电源）。下文将对它们的优缺点和适用范围作一简单比较(见表3)，以使用户能够根据各自的工艺要求正确选择这二种不同类型的电炉。
表3二种固体电源的主要性能比较
|
比较项目 |
SCR全桥并联逆变固体电源 （PS系列电源） |
IGBT半桥串联逆变固体电源 （CS或CA系列电源） |
|
产品规格范围 |
160 ～ 4000 kW |
50 ～ 2500 kW |
|
电网侧功率因数 |
额定功率时接近于1 功率减小时功率因数降低 |
始终接近于1 |
|
谐波干扰 |
相同 |
相同 |
|
变换效率 |
中功率时相同, 大功率时略低 |
中功率时相同, 大功率时略高 |
|
负载适应范围 |
一般 |
宽广 |
|
恒功率输出能力 |
冷料启动阶段输出功率较低；改进逆变控制后可接近恒功率运行，但控制技术复杂 |
整个熔化过程中始终可以保持恒功率运行，控制简单 |
|
工作频率范围 |
高至2500 Hz 主要用于感应熔化和保温 |
最高可达100 kHz 适用于感应熔化和保温，也适用于透热和淬火 |
|
工作稳定性 |
高。中频电流自成回路，触发可控硅必须有一定的电流，抗干扰能力强 |
较高。中频电流必须通过IGBT构成回路，IGBT是电压控制器件，外界干扰电压可能误触发IGBT |
|
器件过流容量和过流保护 |
过流容量大，保护电路简单 |
过流容量小，保护电路复杂，技术要求高 |
|
配置电源变压器的余量要求 |
较大。变压器配置容量约为固体电源最大输出功率的1.25倍 |
小。变压器配置容量约为固体电源最大输出功率的1.1倍 |
|
电源功率共享 可能性 |
不能 |
可以 |
|
设备价格 |
较低 |
CS系列的价格通常比PS系列高30%左右。 最近西安机电研究所研制开发的CA系列电源具有较高的性能价格比，电源容量在1100kW以下，其价格比PS系列略高出20%左右。 |
|
备件价格 |
低 |
较高 |
根据上表3，二种固体电源的适用范围如下表4所示,供用户选型参考。
表4二种固体电源适用范围
|
电炉类型 |
固体电源类型 |
优点 |
|
中、小功率熔化炉 |
IGBT半桥串联逆变固体电源 |
高性能 |
|
SCR 全桥并联逆变固体电源 |
低价格 | |
|
大功率熔化炉 |
SCR 全桥并联逆变固体电源 |
高可靠性 |
|
DX型双向供电电炉 |
IGBT半桥串联逆变固体电源 |
唯一选择 |
|
保温电炉 |
IGBT半桥串联逆变固体电源 |
高功率因数 |
|
透热炉 |
IGBT半桥串联逆变固体电源 |
温度稳定 |
|
表面淬火炉 |
IGBT半桥串联逆变固体电源 |
唯一选择 |
4.中频电源与电炉的配置
如表1所述，采用中频无心感应电炉实现批料熔化法可以使电源的输出功率从炉料被加热起至浇注前保持在最大的负载水平。但是在其后的浇注作业周期及其它非生产性作业周期（例如撇渣、取样、等待化验结果等），系统中没有功率输出或者仅需少量功率输出，以保持一定的浇注温度。为了适应各种不同的铸造工艺需要，同时也为了充分提高电源的功率利用系数（将在下节详细讨论），出现了许多形式的中频电源与电炉的配置方案，现列于表5介绍如下。
表5 中频电源与电炉的配置方案示例
|
序号 |
配置方案 |
评 论 |
|
1 |
单台电源配单炉 |
简单可靠，适用于电炉内金属液熔化后迅速倒空，再重新加料熔化的作业条件，或作业不频繁的场合。 仅对小容量及较低功率的电炉适合。 该配置方案的作业功率利用系数（K2值，见下述）低。 |
|
2 |
单台电源配二炉（通过开关切换） |
常见的经济性配置方案。 一台电炉熔化作业，另一台炉浇注作业或维修、筑炉。 在作小容量多次浇注作业时，可将向熔化作业电炉供电的电源短时间内切换到浇注作业的电炉作快速升温，以补偿浇注温度的下降。二台电炉的交替作业（熔化和浇注、加料作业）保证了向浇注作业线持续供应高温合格金属液。 该配置方案的作业功率利用系数（K2值）较高。 |
|
3 |
二台电源 （熔化电源和保温电源）配二炉（通过开关切换） |
该配置方案采用SCR 全桥并联逆变固体电源，通过切换开关实现二台电炉交替与熔化电源和保温电源相连。该方案目前被用户广泛接受并采用，它可以达到与配置方案5相同效果，但是投资却大大降低。 电源切换是借助于电动切换开关完成，操作方便、工作可靠性较高。 该方案的不足之处是，保温电源为了能与同一感应线圈匹配工作，它需要以稍高于熔化电源的频率工作。由此导致合金化处理时的搅拌作用可能较小，有时需短时间将熔化电源切换过来以增强合金化过程。 该配置方案的作业功率利用系数（K2值）较高。 |
|
4 |
单台双供电源配二炉 |
该配置方案又可以称为功率共享电源系统。它是目前国内外被用户广泛采用的一种先进的配置方案。西安机电研究所自1998年开发出这种系统以来，至今已向国内用户提供了30余套，足见它受欢迎的程度。 该方案的优点是： 1. 每台电炉可以根据各自的工况选择合适的功率； 2. 无机械切换开关，工作可靠性高； 3. 作业功率利用系数（K2值）高，理论上可达1.00，从而大幅度地提高了电炉的生产率； 4. 由于采用IGBT半桥串联逆变固体电源，如表2所述，在整个熔化过程中始终能以恒功率运行，所以其电源功率利用系数（K1值，见下述）也高； 5. 单台电源仅需一台变压器和冷却装置，与方案3相比较，主变压器的总安装容量小，占用空间也小。 |
5.电炉熔化率与生产率的关系
需要指出，一般电炉制造商在样本或技术规格上提供的电炉熔化能力数据是熔化率。电炉的熔化率是电炉本身的特性，它与电炉的功率大小及电源类型有关，与而生产作业制度无关。而电炉的生产率则除了与电炉本身的熔化率性能有关外，还与熔化作业制度有关。通常，熔化作业周期内存在一定的空载辅助时间，如：加料、撇渣、取样化验和等待化验结果（与化验手段有关）、等待浇注等。这些空载辅助时间的存在减少了电源的功率输入，即减低了电炉的熔化能力。
为叙述清晰起见，我们引入电炉功率利用系数K1和作业功率利用系数K2的概念。
电炉功率利用系数K1是指在整个熔化周期内电源输出功率与其额定功率之比，它与电源类型有关。配置可控硅(SCR)全桥并联逆变固体电源的中频感应电炉的K1数值通常在0.8左右，西安机电研究所对该类型电源增加了逆变控制后（通常的该类型电源仅有整流控制），该数值可接近于0.9左右。配置(IGBT)或(SCR)半桥串联逆变的功率共享固体电源的中频感应电炉的K1数值理论上可达到1.0。
作业功率利用系数K2的大小与熔化车间的工艺设计和管理水平、电炉电源的配置方案等因素有关。其数值等于整个作业周期内电源实际输出功率与额定输出功率之比。通常，功率利用系数K2的大小在0.7 ~ 0.85 之间选择，电炉的空载辅助作业时间（例如：加料、取样、等待化验、等待浇注等）愈短，K2值愈大。采用表4方案4（双供电源配二炉系统）的K2值理论上可达1.0, 实际上在电炉空载辅助作业时间很低的情况下可达0.9以上。
由此，电炉的生产率N可以由下式计算而得：
N = P·K1·K2 / p (t/h)…………………………………………………………………(1)
式中：
P –- 电炉额定功率 (kW)
K1 –- 电炉功率利用系数，通常在0.8 ~0.95范围内
K2 –- 作业功率利用系数,0.7 ~0.85
p ––- 电炉熔化单耗 (kWh/t)
以一台机电研究所生产的配置2500kW可控硅(SCR)全桥并联逆变固体电源的10t中频感应电炉为例，技术规格表示的熔化单耗p为520 kWh/t，电炉功率利用系数K1数值可达0.9，作业功率利用系数K2数值取为0.85。由此可得电炉的生产率为：
N = P·K1·K2 / p = 2500·0.9·0.85 / 520 = 3.68 (t/h)
需要指出，有些用户混淆了熔化率与生产率的含义，将它们视为意义同一，没有考虑电炉功率利用系数K1和作业功率利用系数K2，这样的计算结果会是N = 2500 / 520 = 4.8 (t/h)。如此选择的电炉就不可能达到设计生产率。
6.电炉选型时对系统的各项功能的评估
作为铸造车间的重要熔化设备，感应电炉的投资在铸造车间的总投资中占有不小的比例。因此，电炉系统的选型除了上面需要考虑的各类因素外，尚应结合铸造车间本身的投资规模、技术先进性、管理水平等背景对所选的电炉系统的安全性、先进性、经济性、对环保的适应性等系统的各项功能作一个全面的分析和评估。以下对上述几个方面略作讨论：
l系统的安全性 – 系统的机械方面的完整的保护功能应该具备：闭式冷却水循环系统的采用，冷却水温度及流量的监控和报警，应急冷却水柜和管路的设置、液压系统的安全措施（软管破裂保护措施、双液压泵的配置、阻燃油的采用），炉体的钢架结构坚固性。系统的电气方面完整的保护功能有：功能完备和可靠的全数字化控制板和故障自诊断功能、炉衬检测（或漏炉检测）功能、电源（包括电容器等）的可靠冷却措施等。
l系统的先进性 – 它应与整个铸造车间的设备先进程度及管理水平背景相匹配。采用全数字化控制系统的中频电源将大大提高电炉系统的作业（包括炉衬寿命和熔化作业）稳定性和可靠性。此外，近年来在铸造业逐渐被广泛接受和采用的功率共享电源系统（俗称一拖二电炉系统）、电源的远程控制系统、电炉的计算机熔化过程自动控制管理系统、旧炉衬快速推出机构、炉衬捣筑质量稳定的锤击式气动筑炉机、铁水自动称量系统、炉衬自动烘炉控制系统等先进装置也大大提高了电炉系统的作业稳定性和可靠性，体现了铸造车间的技术和管理水平的先进性，也为铸造生产的质量管理体系提供了有效的手段。
l系统的经济性 – 应该全面、合理地评估选用先进电炉系统所支付的较高的一次性投资额与该系统的较低的日常运行、维护费用及生产率提高之间的关系。可从以下几个方面来评估这种关系：
a) 根据因先进的熔化单耗指标计算得到电炉每年运行费用的节约数值来评估投资额差价的回收周期；
b) 根据先进的电炉系统性能，如电源功率共享系统所具有较高的功率/作业利用系数所引起的相同功率配置情况下电炉生产率的提高来评估整体经济效益的大小；
c) 从先进的和安全性好的电炉系统在日常维护方面减少的费用以及设备使用寿命提高二方面进行投资的综合评估；
d) 从采用具有先进功能的装置，如炉衬自动烘炉控制系统和锤击式气动筑炉机，提高了炉衬寿命，降低的作业方面的各项成本来评估其经济性。
l环境的改善 – 现代化的铸造车间大都具有较大的生产能力，因此电炉的功率也较大，这可能对电网带来高次谐波的污染。中频固态电源对于电网的谐波干扰程度主要取决于它向电网的公共连接点注入的谐波是否超过国家颁布的标准（见GB/T14549-93, 电能质量·公用电网谐波）。减少抑制电源向电网公共连接点注入谐波电流的措施有：
a)增加电源的整流相数。该措施可以消除5、7、17、19次谐波；
b)装设谐振滤波器，将主要谐波电流滤除，如装设5、7、11次滤波器;
c)改变供电点，将中频电源接到短路容量较大的公用电网上。
此外，某些工艺条件下的有色金属和铸铁熔化所产生的烟雾和粉尘也对环境产生污染。此时，排烟罩的设置对于环境的改善是必要的。
, : 100%; BORDER-TOP-STYLE: none; BORDER-RIGHT-COLOR: windowtext; BORDER-LEFT-STYLE: none; BORDER-LEFT-COLOR: rgb(221,221,221); WORD-BREAK: break-all; PADDING-TOP: 0px; PADDING-R: 7px" vAlign=center width=89>部分有
11
与计算机连网可能性
可以
困难
中频炉可与计算机熔化过程自动控制管理系统连接
12
总投资比率
～90%
100%
表2 不同频率下电炉的功率密度允许值 (铸铁和钢)
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频率 (Hz) |
1000 |
500 |
250 |
125 |
50 |
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电炉容量 (t) |
0.2～1.5 |
0.6～6 |
1.1～18 |
2.5～60 |
8～100 |
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功率密度 (kW/t) |
1345 |
945 |
670 |
475 |
300 |
由表2可见，电炉的工作频率愈高，其允许功率密度值愈高。目前，国外制造的中频感应熔化炉的功率密度通常配置到600～800 kW/t,，小容量熔化炉的功率密度配置可高达1000 kW/t 。国内制造的中频感应熔化炉的功率密度通常配置到600 kW/t左右。这主要考虑到炉衬的使用寿命和生产管理二个因素，因为高功率密度情况下工作的炉衬受到强烈的熔液搅拌效应的冲刷。
从上面的分析可以看出，与工频感应电炉相比，无论从技术性能和作业性能还是从投资方面来说中频感应电炉在现代化铸造车间内用作熔化设备具有无可争议的地位。
注1．以批料熔化法作业的中频炉可以每次将熔液倒空，冷炉启炉时不需要起熔块，对加料块尺寸和状态限制小，炉料过热时间短。这些都是以残液熔化法作业的工频炉所缺乏的优势。
2.电炉容量和功率的确定
电炉容量的确定要考虑许多工艺因素，但是基本上应满足二个条件，一是满足最大铸件的浇注重量需要，二是与工艺对铁水的需求量相符合。由于中频电炉的功率密度配置较大，当其配置功率密度大于600 kW/t时，其熔化能力基本上可以做到每炉次的熔化时间在一小时以内。
电炉功率大小基本上依据生产率确定。一旦电炉容量和生产率确定后，电炉的功率就可以根据下面公式（1）计算得到。
3.电源类型的选择
中频电源的类型主要有二类：具有并联逆变电路的固体电源及具有串联逆变电路的固体电源。
在我国的铸造行业中，习惯对配置可控硅(SCR)全桥并联逆变固体电源的中频感应电炉通常俗称为中频炉。而对配置(IGBT)或(SCR)半桥串联逆变固体电源的中频感应电炉通常俗称为变频炉（这个称呼并不确切，只是为了与前者相区别）。由于这二种感应电炉的逆变供电电源不同，所以它们的工作性能也有很大的区别。
西安机电研究所既生产配置SCR全桥并联逆变固体电源的中频炉（PS系列电源），也生产配置IGBT半桥串联逆变固体电源的变频炉（CS或CA系列电源）。下文将对它们的优缺点和适用范围作一简单比较(见表3)，以使用户能够根据各自的工艺要求正确选择这二种不同类型的电炉。
表3二种固体电源的主要性能比较
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比较项目 |
SCR全桥并联逆变固体电源 （PS系列电源） |
IGBT半桥串联逆变固体电源 （CS或CA系列电源） |
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产品规格范围 |
160 ～ 4000 kW |
50 ～ 2500 kW |
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电网侧功率因数 |
额定功率时接近于1 功率减小时功率因数降低 |
始终接近于1 |
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谐波干扰 |
相同 |
相同 |
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变换效率 |
中功率时相同, 大功率时略低 |
中功率时相同, 大功率时略高 |
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负载适应范围 |
一般 |
宽广 |
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恒功率输出能力 |
冷料启动阶段输出功率较低；改进逆变控制后可接近恒功率运行，但控制技术复杂 |
整个熔化过程中始终可以保持恒功率运行，控制简单 |
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工作频率范围 |
高至2500 Hz 主要用于感应熔化和保温 |
最高可达100 kHz 适用于感应熔化和保温，也适用于透热和淬火 |
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工作稳定性 |
高。中频电流自成回路，触发可控硅必须有一定的电流，抗干扰能力强 |
较高。中频电流必须通过IGBT构成回路，IGBT是电压控制器件，外界干扰电压可能误触发IGBT |
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器件过流容量和过流保护 |
过流容量大，保护电路简单 |
过流容量小，保护电路复杂，技术要求高 |
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配置电源变压器的余量要求 |
较大。变压器配置容量约为固体电源最大输出功率的1.25倍 |
小。变压器配置容量约为固体电源最大输出功率的1.1倍 |
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电源功率共享 可能性 |
不能 |
可以 |
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设备价格 |
较低 |
CS系列的价格通常比PS系列高30%左右。 最近西安机电研究所研制开发的CA系列电源具有较高的性能价格比，电源容量在1100kW以下，其价格比PS系列略高出20%左右。 |
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备件价格 |
低 |
较高 |
根据上表3，二种固体电源的适用范围如下表4所示,供用户选型参考。
表4二种固体电源适用范围
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电炉类型 |
固体电源类型 |
优点 |
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中、小功率熔化炉 |
IGBT半桥串联逆变固体电源 |
高性能 |
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SCR 全桥并联逆变固体电源 |
低价格 | |
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大功率熔化炉 |
SCR 全桥并联逆变固体电源 |
高可靠性 |
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DX型双向供电电炉 |
IGBT半桥串联逆变固体电源 |
唯一选择 |
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保温电炉 |
IGBT半桥串联逆变固体电源 |
高功率因数 |
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透热炉 |
IGBT半桥串联逆变固体电源 |
温度稳定 |
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表面淬火炉 |
IGBT半桥串联逆变固体电源 |
唯一选择 |
4.中频电源与电炉的配置
如表1所述，采用中频无心感应电炉实现批料熔化法可以使电源的输出功率从炉料被加热起至浇注前保持在最大的负载水平。但是在其后的浇注作业周期及其它非生产性作业周期（例如撇渣、取样、等待化验结果等），系统中没有功率输出或者仅需少量功率输出，以保持一定的浇注温度。为了适应各种不同的铸造工艺需要，同时也为了充分提高电源的功率利用系数（将在下节详细讨论），出现了许多形式的中频电源与电炉的配置方案，现列于表5介绍如下。
表5 中频电源与电炉的配置方案示例
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序号 |
配置方案 |
评 论 |
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1 |
单台电源配单炉 |
简单可靠，适用于电炉内金属液熔化后迅速倒空，再重新加料熔化的作业条件，或作业不频繁的场合。 仅对小容量及较低功率的电炉适合。 该配置方案的作业功率利用系数（K2值，见下述）低。 |
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2 |
单台电源配二炉（通过开关切换） |
常见的经济性配置方案。 一台电炉熔化作业，另一台炉浇注作业或维修、筑炉。 在作小容量多次浇注作业时，可将向熔化作业电炉供电的电源短时间内切换到浇注作业的电炉作快速升温，以补偿浇注温度的下降。二台电炉的交替作业（熔化和浇注、加料作业）保证了向浇注作业线持续供应高温合格金属液。 该配置方案的作业功率利用系数（K2值）较高。 |
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3 |
二台电源 （熔化电源和保温电源）配二炉（通过开关切换） |
该配置方案采用SCR 全桥并联逆变固体电源，通过切换开关实现二台电炉交替与熔化电源和保温电源相连。该方案目前被用户广泛接受并采用，它可以达到与配置方案5相同效果，但是投资却大大降低。 电源切换是借助于电动切换开关完成，操作方便、工作可靠性较高。 该方案的不足之处是，保温电源为了能与同一感应线圈匹配工作，它需要以稍高于熔化电源的频率工作。由此导致合金化处理时的搅拌作用可能较小，有时需短时间将熔化电源切换过来以增强合金化过程。 该配置方案的作业功率利用系数（K2值）较高。 |
|
4 |
单台双供电源配二炉 |
该配置方案又可以称为功率共享电源系统。它是目前国内外被用户广泛采用的一种先进的配置方案。西安机电研究所自1998年开发出这种系统以来，至今已向国内用户提供了30余套，足见它受欢迎的程度。 该方案的优点是： 1. 每台电炉可以根据各自的工况选择合适的功率； 2. 无机械切换开关，工作可靠性高； 3. 作业功率利用系数（K2值）高，理论上可达1.00，从而大幅度地提高了电炉的生产率； 4. 由于采用IGBT半桥串联逆变固体电源，如表2所述，在整个熔化过程中始终能以恒功率运行，所以其电源功率利用系数（K1值，见下述）也高； 5. 单台电源仅需一台变压器和冷却装置，与方案3相比较，主变压器的总安装容量小，占用空间也小。 |
5.电炉熔化率与生产率的关系
需要指出，一般电炉制造商在样本或技术规格上提供的电炉熔化能力数据是熔化率。电炉的熔化率是电炉本身的特性，它与电炉的功率大小及电源类型有关，与而生产作业制度无关。而电炉的生产率则除了与电炉本身的熔化率性能有关外，还与熔化作业制度有关。通常，熔化作业周期内存在一定的空载辅助时间，如：加料、撇渣、取样化验和等待化验结果（与化验手段有关）、等待浇注等。这些空载辅助时间的存在减少了电源的功率输入，即减低了电炉的熔化能力。
为叙述清晰起见，我们引入电炉功率利用系数K1和作业功率利用系数K2的概念。
电炉功率利用系数K1是指在整个熔化周期内电源输出功率与其额定功率之比，它与电源类型有关。配置可控硅(SCR)全桥并联逆变固体电源的中频感应电炉的K1数值通常在0.8左右，西安机电研究所对该类型电源增加了逆变控制后（通常的该类型电源仅有整流控制），该数值可接近于0.9左右。配置(IGBT)或(SCR)半桥串联逆变的功率共享固体电源的中频感应电炉的K1数值理论上可达到1.0。
作业功率利用系数K2的大小与熔化车间的工艺设计和管理水平、电炉电源的配置方案等因素有关。其数值等于整个作业周期内电源实际输出功率与额定输出功率之比。通常，功率利用系数K2的大小在0.7 ~ 0.85 之间选择，电炉的空载辅助作业时间（例如：加料、取样、等待化验、等待浇注等）愈短，K2值愈大。采用表4方案4（双供电源配二炉系统）的K2值理论上可达1.0, 实际上在电炉空载辅助作业时间很低的情况下可达0.9以上。
由此，电炉的生产率N可以由下式计算而得：
N = P·K1·K2 / p (t/h)…………………………………………………………………(1)
式中：
P –- 电炉额定功率 (kW)
K1 –- 电炉功率利用系数，通常在0.8 ~0.95范围内
K2 –- 作业功率利用系数,0.7 ~0.85
p ––- 电炉熔化单耗 (kWh/t)
以一台机电研究所生产的配置2500kW可控硅(SCR)全桥并联逆变固体电源的10t中频感应电炉为例，技术规格表示的熔化单耗p为520 kWh/t，电炉功率利用系数K1数值可达0.9，作业功率利用系数K2数值取为0.85。由此可得电炉的生产率为：
N = P·K1·K2 / p = 2500·0.9·0.85 / 520 = 3.68 (t/h)
需要指出，有些用户混淆了熔化率与生产率的含义，将它们视为意义同一，没有考虑电炉功率利用系数K1和作业功率利用系数K2，这样的计算结果会是N = 2500 / 520 = 4.8 (t/h)。如此选择的电炉就不可能达到设计生产率。
6.电炉选型时对系统的各项功能的评估
作为铸造车间的重要熔化设备，感应电炉的投资在铸造车间的总投资中占有不小的比例。因此，电炉系统的选型除了上面需要考虑的各类因素外，尚应结合铸造车间本身的投资规模、技术先进性、管理水平等背景对所选的电炉系统的安全性、先进性、经济性、对环保的适应性等系统的各项功能作一个全面的分析和评估。以下对上述几个方面略作讨论：
l系统的安全性 – 系统的机械方面的完整的保护功能应该具备：闭式冷却水循环系统的采用，冷却水温度及流量的监控和报警，应急冷却水柜和管路的设置、液压系统的安全措施（软管破裂保护措施、双液压泵的配置、阻燃油的采用），炉体的钢架结构坚固性。系统的电气方面完整的保护功能有：功能完备和可靠的全数字化控制板和故障自诊断功能、炉衬检测（或漏炉检测）功能、电源（包括电容器等）的可靠冷却措施等。
l系统的先进性 – 它应与整个铸造车间的设备先进程度及管理水平背景相匹配。采用全数字化控制系统的中频电源将大大提高电炉系统的作业（包括炉衬寿命和熔化作业）稳定性和可靠性。此外，近年来在铸造业逐渐被广泛接受和采用的功率共享电源系统（俗称一拖二电炉系统）、电源的远程控制系统、电炉的计算机熔化过程自动控制管理系统、旧炉衬快速推出机构、炉衬捣筑质量稳定的锤击式气动筑炉机、铁水自动称量系统、炉衬自动烘炉控制系统等先进装置也大大提高了电炉系统的作业稳定性和可靠性，体现了铸造车间的技术和管理水平的先进性，也为铸造生产的质量管理体系提供了有效的手段。
l系统的经济性 – 应该全面、合理地评估选用先进电炉系统所支付的较高的一次性投资额与该系统的较低的日常运行、维护费用及生产率提高之间的关系。可从以下几个方面来评估这种关系：
a) 根据因先进的熔化单耗指标计算得到电炉每年运行费用的节约数值来评估投资额差价的回收周期；
b) 根据先进的电炉系统性能，如电源功率共享系统所具有较高的功率/作业利用系数所引起的相同功率配置情况下电炉生产率的提高来评估整体经济效益的大小；
c) 从先进的和安全性好的电炉系统在日常维护方面减少的费用以及设备使用寿命提高二方面进行投资的综合评估；
d) 从采用具有先进功能的装置，如炉衬自动烘炉控制系统和锤击式气动筑炉机，提高了炉衬寿命，降低的作业方面的各项成本来评估其经济性。
l环境的改善 – 现代化的铸造车间大都具有较大的生产能力，因此电炉的功率也较大，这可能对电网带来高次谐波的污染。中频固态电源对于电网的谐波干扰程度主要取决于它向电网的公共连接点注入的谐波是否超过国家颁布的标准（见GB/T14549-93, 电能质量·公用电网谐波）。减少抑制电源向电网公共连接点注入谐波电流的措施有：
a)增加电源的整流相数。该措施可以消除5、7、17、19次谐波；
b)装设谐振滤波器，将主要谐波电流滤除，如装设5、7、11次滤波器;
c)改变供电点，将中频电源接到短路容量较大的公用电网上。
此外，某些工艺条件下的有色金属和铸铁熔化所产生的烟雾和粉尘也对环境产生污染。此时，排烟罩的设置对于环境的改善是必要的。
, : 100%; BORDER-TOP-STYLE: none; BORDER-RIGHT-COLOR: windowtext; BORDER-LEFT-STYLE: none; BORDER-LEFT-COLOR: rgb(221,221,221); WORD-BREAK: break-all; PADDING-TOP: 0px; PADDING-R: 7px" vAlign=center width=89>部分有
11
与计算机连网可能性
可以
困难
中频炉可与计算机熔化过程自动控制管理系统连接
12
总投资比率
～90%
100%
表2 不同频率下电炉的功率密度允许值 (铸铁和钢)
|
频率 (Hz) |
1000 |
500 |
250 |
125 |
50 |
|
电炉容量 (t) |
0.2～1.5 |
0.6～6 |
1.1～18 |
2.5～60 |
8～100 |
|
功率密度 (kW/t) |
1345 |
945 |
670 |
475 |
300 |
由表2可见，电炉的工作频率愈高，其允许功率密度值愈高。目前，国外制造的中频感应熔化炉的功率密度通常配置到600～800 kW/t,，小容量熔化炉的功率密度配置可高达1000 kW/t 。国内制造的中频感应熔化炉的功率密度通常配置到600 kW/t左右。这主要考虑到炉衬的使用寿命和生产管理二个因素，因为高功率密度情况下工作的炉衬受到强烈的熔液搅拌效应的冲刷。
从上面的分析可以看出，与工频感应电炉相比，无论从技术性能和作业性能还是从投资方面来说中频感应电炉在现代化铸造车间内用作熔化设备具有无可争议的地位。
注1．以批料熔化法作业的中频炉可以每次将熔液倒空，冷炉启炉时不需要起熔块，对加料块尺寸和状态限制小，炉料过热时间短。这些都是以残液熔化法作业的工频炉所缺乏的优势。
2.电炉容量和功率的确定
电炉容量的确定要考虑许多工艺因素，但是基本上应满足二个条件，一是满足最大铸件的浇注重量需要，二是与工艺对铁水的需求量相符合。由于中频电炉的功率密度配置较大，当其配置功率密度大于600 kW/t时，其熔化能力基本上可以做到每炉次的熔化时间在一小时以内。
电炉功率大小基本上依据生产率确定。一旦电炉容量和生产率确定后，电炉的功率就可以根据下面公式（1）计算得到。
3.电源类型的选择
中频电源的类型主要有二类：具有并联逆变电路的固体电源及具有串联逆变电路的固体电源。
在我国的铸造行业中，习惯对配置可控硅(SCR)全桥并联逆变固体电源的中频感应电炉通常俗称为中频炉。而对配置(IGBT)或(SCR)半桥串联逆变固体电源的中频感应电炉通常俗称为变频炉（这个称呼并不确切，只是为了与前者相区别）。由于这二种感应电炉的逆变供电电源不同，所以它们的工作性能也有很大的区别。
西安机电研究所既生产配置SCR全桥并联逆变固体电源的中频炉（PS系列电源），也生产配置IGBT半桥串联逆变固体电源的变频炉（CS或CA系列电源）。下文将对它们的优缺点和适用范围作一简单比较(见表3)，以使用户能够根据各自的工艺要求正确选择这二种不同类型的电炉。
表3二种固体电源的主要性能比较
|
比较项目 |
SCR全桥并联逆变固体电源 （PS系列电源） |
IGBT半桥串联逆变固体电源 （CS或CA系列电源） |
|
产品规格范围 |
160 ～ 4000 kW |
50 ～ 2500 kW |
|
电网侧功率因数 |
额定功率时接近于1 功率减小时功率因数降低 |
始终接近于1 |
|
谐波干扰 |
相同 |
相同 |
|
变换效率 |
中功率时相同, 大功率时略低 |
中功率时相同, 大功率时略高 |
|
负载适应范围 |
一般 |
宽广 |
|
恒功率输出能力 |
冷料启动阶段输出功率较低；改进逆变控制后可接近恒功率运行，但控制技术复杂 |
整个熔化过程中始终可以保持恒功率运行，控制简单 |
|
工作频率范围 |
高至2500 Hz 主要用于感应熔化和保温 |
最高可达100 kHz 适用于感应熔化和保温，也适用于透热和淬火 |
|
工作稳定性 |
高。中频电流自成回路，触发可控硅必须有一定的电流，抗干扰能力强 |
较高。中频电流必须通过IGBT构成回路，IGBT是电压控制器件，外界干扰电压可能误触发IGBT |
|
器件过流容量和过流保护 |
过流容量大，保护电路简单 |
过流容量小，保护电路复杂，技术要求高 |
|
配置电源变压器的余量要求 |
较大。变压器配置容量约为固体电源最大输出功率的1.25倍 |
小。变压器配置容量约为固体电源最大输出功率的1.1倍 |
|
电源功率共享 可能性 |
不能 |
可以 |
|
设备价格 |
较低 |
CS系列的价格通常比PS系列高30%左右。 最近西安机电研究所研制开发的CA系列电源具有较高的性能价格比，电源容量在1100kW以下，其价格比PS系列略高出20%左右。 |
|
备件价格 |
低 |
较高 |
根据上表3，二种固体电源的适用范围如下表4所示,供用户选型参考。
表4二种固体电源适用范围
|
电炉类型 |
固体电源类型 |
优点 |
|
中、小功率熔化炉 |
IGBT半桥串联逆变固体电源 |
高性能 |
|
SCR 全桥并联逆变固体电源 |
低价格 | |
|
大功率熔化炉 |
SCR 全桥并联逆变固体电源 |
高可靠性 |
|
DX型双向供电电炉 |
IGBT半桥串联逆变固体电源 |
唯一选择 |
|
保温电炉 |
IGBT半桥串联逆变固体电源 |
高功率因数 |
|
透热炉 |
IGBT半桥串联逆变固体电源 |
温度稳定 |
|
表面淬火炉 |
IGBT半桥串联逆变固体电源 |
唯一选择 |
4.中频电源与电炉的配置
如表1所述，采用中频无心感应电炉实现批料熔化法可以使电源的输出功率从炉料被加热起至浇注前保持在最大的负载水平。但是在其后的浇注作业周期及其它非生产性作业周期（例如撇渣、取样、等待化验结果等），系统中没有功率输出或者仅需少量功率输出，以保持一定的浇注温度。为了适应各种不同的铸造工艺需要，同时也为了充分提高电源的功率利用系数（将在下节详细讨论），出现了许多形式的中频电源与电炉的配置方案，现列于表5介绍如下。
表5 中频电源与电炉的配置方案示例
|
序号 |
配置方案 |
评 论 |
|
1 |
单台电源配单炉 |
简单可靠，适用于电炉内金属液熔化后迅速倒空，再重新加料熔化的作业条件，或作业不频繁的场合。 仅对小容量及较低功率的电炉适合。 该配置方案的作业功率利用系数（K2值，见下述）低。 |
|
2 |
单台电源配二炉（通过开关切换） |
常见的经济性配置方案。 一台电炉熔化作业，另一台炉浇注作业或维修、筑炉。 在作小容量多次浇注作业时，可将向熔化作业电炉供电的电源短时间内切换到浇注作业的电炉作快速升温，以补偿浇注温度的下降。二台电炉的交替作业（熔化和浇注、加料作业）保证了向浇注作业线持续供应高温合格金属液。 该配置方案的作业功率利用系数（K2值）较高。 |
|
3 |
二台电源 （熔化电源和保温电源）配二炉（通过开关切换） |
该配置方案采用SCR 全桥并联逆变固体电源，通过切换开关实现二台电炉交替与熔化电源和保温电源相连。该方案目前被用户广泛接受并采用，它可以达到与配置方案5相同效果，但是投资却大大降低。 电源切换是借助于电动切换开关完成，操作方便、工作可靠性较高。 该方案的不足之处是，保温电源为了能与同一感应线圈匹配工作，它需要以稍高于熔化电源的频率工作。由此导致合金化处理时的搅拌作用可能较小，有时需短时间将熔化电源切换过来以增强合金化过程。 该配置方案的作业功率利用系数（K2值）较高。 |
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4 |
单台双供电源配二炉 |
该配置方案又可以称为功率共享电源系统。它是目前国内外被用户广泛采用的一种先进的配置方案。西安机电研究所自1998年开发出这种系统以来，至今已向国内用户提供了30余套，足见它受欢迎的程度。 该方案的优点是： 1. 每台电炉可以根据各自的工况选择合适的功率； 2. 无机械切换开关，工作可靠性高； 3. 作业功率利用系数（K2值）高，理论上可达1.00，从而大幅度地提高了电炉的生产率； 4. 由于采用IGBT半桥串联逆变固体电源，如表2所述，在整个熔化过程中始终能以恒功率运行，所以其电源功率利用系数（K1值，见下述）也高； 5. 单台电源仅需一台变压器和冷却装置，与方案3相比较，主变压器的总安装容量小，占用空间也小。 |
5.电炉熔化率与生产率的关系
需要指出，一般电炉制造商在样本或技术规格上提供的电炉熔化能力数据是熔化率。电炉的熔化率是电炉本身的特性，它与电炉的功率大小及电源类型有关，与而生产作业制度无关。而电炉的生产率则除了与电炉本身的熔化率性能有关外，还与熔化作业制度有关。通常，熔化作业周期内存在一定的空载辅助时间，如：加料、撇渣、取样化验和等待化验结果（与化验手段有关）、等待浇注等。这些空载辅助时间的存在减少了电源的功率输入，即减低了电炉的熔化能力。
为叙述清晰起见，我们引入电炉功率利用系数K1和作业功率利用系数K2的概念。
电炉功率利用系数K1是指在整个熔化周期内电源输出功率与其额定功率之比，它与电源类型有关。配置可控硅(SCR)全桥并联逆变固体电源的中频感应电炉的K1数值通常在0.8左右，西安机电研究所对该类型电源增加了逆变控制后（通常的该类型电源仅有整流控制），该数值可接近于0.9左右。配置(IGBT)或(SCR)半桥串联逆变的功率共享固体电源的中频感应电炉的K1数值理论上可达到1.0。
作业功率利用系数K2的大小与熔化车间的工艺设计和管理水平、电炉电源的配置方案等因素有关。其数值等于整个作业周期内电源实际输出功率与额定输出功率之比。通常，功率利用系数K2的大小在0.7 ~ 0.85 之间选择，电炉的空载辅助作业时间（例如：加料、取样、等待化验、等待浇注等）愈短，K2值愈大。采用表4方案4（双供电源配二炉系统）的K2值理论上可达1.0, 实际上在电炉空载辅助作业时间很低的情况下可达0.9以上。
由此，电炉的生产率N可以由下式计算而得：
N = P·K1·K2 / p (t/h)…………………………………………………………………(1)
式中：
P –- 电炉额定功率 (kW)
K1 –- 电炉功率利用系数，通常在0.8 ~0.95范围内
K2 –- 作业功率利用系数,0.7 ~0.85
p ––- 电炉熔化单耗 (kWh/t)
以一台机电研究所生产的配置2500kW可控硅(SCR)全桥并联逆变固体电源的10t中频感应电炉为例，技术规格表示的熔化单耗p为520 kWh/t，电炉功率利用系数K1数值可达0.9，作业功率利用系数K2数值取为0.85。由此可得电炉的生产率为：
N = P·K1·K2 / p = 2500·0.9·0.85 / 520 = 3.68 (t/h)
需要指出，有些用户混淆了熔化率与生产率的含义，将它们视为意义同一，没有考虑电炉功率利用系数K1和作业功率利用系数K2，这样的计算结果会是N = 2500 / 520 = 4.8 (t/h)。如此选择的电炉就不可能达到设计生产率。
6.电炉选型时对系统的各项功能的评估
作为铸造车间的重要熔化设备，感应电炉的投资在铸造车间的总投资中占有不小的比例。因此，电炉系统的选型除了上面需要考虑的各类因素外，尚应结合铸造车间本身的投资规模、技术先进性、管理水平等背景对所选的电炉系统的安全性、先进性、经济性、对环保的适应性等系统的各项功能作一个全面的分析和评估。以下对上述几个方面略作讨论：
l系统的安全性 – 系统的机械方面的完整的保护功能应该具备：闭式冷却水循环系统的采用，冷却水温度及流量的监控和报警，应急冷却水柜和管路的设置、液压系统的安全措施（软管破裂保护措施、双液压泵的配置、阻燃油的采用），炉体的钢架结构坚固性。系统的电气方面完整的保护功能有：功能完备和可靠的全数字化控制板和故障自诊断功能、炉衬检测（或漏炉检测）功能、电源（包括电容器等）的可靠冷却措施等。
l系统的先进性 – 它应与整个铸造车间的设备先进程度及管理水平背景相匹配。采用全数字化控制系统的中频电源将大大提高电炉系统的作业（包括炉衬寿命和熔化作业）稳定性和可靠性。此外，近年来在铸造业逐渐被广泛接受和采用的功率共享电源系统（俗称一拖二电炉系统）、电源的远程控制系统、电炉的计算机熔化过程自动控制管理系统、旧炉衬快速推出机构、炉衬捣筑质量稳定的锤击式气动筑炉机、铁水自动称量系统、炉衬自动烘炉控制系统等先进装置也大大提高了电炉系统的作业稳定性和可靠性，体现了铸造车间的技术和管理水平的先进性，也为铸造生产的质量管理体系提供了有效的手段。
l系统的经济性 – 应该全面、合理地评估选用先进电炉系统所支付的较高的一次性投资额与该系统的较低的日常运行、维护费用及生产率提高之间的关系。可从以下几个方面来评估这种关系：
a) 根据因先进的熔化单耗指标计算得到电炉每年运行费用的节约数值来评估投资额差价的回收周期；
b) 根据先进的电炉系统性能，如电源功率共享系统所具有较高的功率/作业利用系数所引起的相同功率配置情况下电炉生产率的提高来评估整体经济效益的大小；
c) 从先进的和安全性好的电炉系统在日常维护方面减少的费用以及设备使用寿命提高二方面进行投资的综合评估；
d) 从采用具有先进功能的装置，如炉衬自动烘炉控制系统和锤击式气动筑炉机，提高了炉衬寿命，降低的作业方面的各项成本来评估其经济性。
l环境的改善 – 现代化的铸造车间大都具有较大的生产能力，因此电炉的功率也较大，这可能对电网带来高次谐波的污染。中频固态电源对于电网的谐波干扰程度主要取决于它向电网的公共连接点注入的谐波是否超过国家颁布的标准（见GB/T14549-93, 电能质量·公用电网谐波）。减少抑制电源向电网公共连接点注入谐波电流的措施有：
a)增加电源的整流相数。该措施可以消除5、7、17、19次谐波；
b)装设谐振滤波器，将主要谐波电流滤除，如装设5、7、11次滤波器;
c)改变供电点，将中频电源接到短路容量较大的公用电网上。
此外，某些工艺条件下的有色金属和铸铁熔化所产生的烟雾和粉尘也对环境产生污染。此时，排烟罩的设置对于环境的改善是必要的。
, : 100%; BORDER-TOP-STYLE: none; BORDER-RIGHT-COLOR: windowtext; BORDER-LEFT-STYLE: none; BORDER-LEFT-COLOR: rgb(221,221,221); WORD-BREAK: break-all; PADDING-TOP: 0px; PADDING-R: 7px" vAlign=center width=89>部分有
11
与计算机连网可能性
可以
困难
中频炉可与计算机熔化过程自动控制管理系统连接
12
总投资比率
～90%
100%
表2 不同频率下电炉的功率密度允许值 (铸铁和钢)
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频率 (Hz) |
1000 |
500 |
250 |
125 |
50 |
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电炉容量 (t) |
0.2～1.5 |
0.6～6 |
1.1～18 |
2.5～60 |
8～100 |
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功率密度 (kW/t) |
1345 |
945 |
670 |
475 |
300 |
由表2可见，电炉的工作频率愈高，其允许功率密度值愈高。目前，国外制造的中频感应熔化炉的功率密度通常配置到600～800 kW/t,，小容量熔化炉的功率密度配置可高达1000 kW/t 。国内制造的中频感应熔化炉的功率密度通常配置到600 kW/t左右。这主要考虑到炉衬的使用寿命和生产管理二个因素，因为高功率密度情况下工作的炉衬受到强烈的熔液搅拌效应的冲刷。
从上面的分析可以看出，与工频感应电炉相比，无论从技术性能和作业性能还是从投资方面来说中频感应电炉在现代化铸造车间内用作熔化设备具有无可争议的地位。
注1．以批料熔化法作业的中频炉可以每次将熔液倒空，冷炉启炉时不需要起熔块，对加料块尺寸和状态限制小，炉料过热时间短。这些都是以残液熔化法作业的工频炉所缺乏的优势。
2.电炉容量和功率的确定
电炉容量的确定要考虑许多工艺因素，但是基本上应满足二个条件，一是满足最大铸件的浇注重量需要，二是与工艺对铁水的需求量相符合。由于中频电炉的功率密度配置较大，当其配置功率密度大于600 kW/t时，其熔化能力基本上可以做到每炉次的熔化时间在一小时以内。
电炉功率大小基本上依据生产率确定。一旦电炉容量和生产率确定后，电炉的功率就可以根据下面公式（1）计算得到。
3.电源类型的选择
中频电源的类型主要有二类：具有并联逆变电路的固体电源及具有串联逆变电路的固体电源。
在我国的铸造行业中，习惯对配置可控硅(SCR)全桥并联逆变固体电源的中频感应电炉通常俗称为中频炉。而对配置(IGBT)或(SCR)半桥串联逆变固体电源的中频感应电炉通常俗称为变频炉（这个称呼并不确切，只是为了与前者相区别）。由于这二种感应电炉的逆变供电电源不同，所以它们的工作性能也有很大的区别。
西安机电研究所既生产配置SCR全桥并联逆变固体电源的中频炉（PS系列电源），也生产配置IGBT半桥串联逆变固体电源的变频炉（CS或CA系列电源）。下文将对它们的优缺点和适用范围作一简单比较(见表3)，以使用户能够根据各自的工艺要求正确选择这二种不同类型的电炉。
表3二种固体电源的主要性能比较
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比较项目 |
SCR全桥并联逆变固体电源 （PS系列电源） |
IGBT半桥串联逆变固体电源 （CS或CA系列电源） |
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产品规格范围 |
160 ～ 4000 kW |
50 ～ 2500 kW |
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电网侧功率因数 |
额定功率时接近于1 功率减小时功率因数降低 |
始终接近于1 |
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谐波干扰 |
相同 |
相同 |
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变换效率 |
中功率时相同, 大功率时略低 |
中功率时相同, 大功率时略高 |
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负载适应范围 |
一般 |
宽广 |
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恒功率输出能力 |
冷料启动阶段输出功率较低；改进逆变控制后可接近恒功率运行，但控制技术复杂 |
整个熔化过程中始终可以保持恒功率运行，控制简单 |
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工作频率范围 |
高至2500 Hz 主要用于感应熔化和保温 |
最高可达100 kHz 适用于感应熔化和保温，也适用于透热和淬火 |
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工作稳定性 |
高。中频电流自成回路，触发可控硅必须有一定的电流，抗干扰能力强 |
较高。中频电流必须通过IGBT构成回路，IGBT是电压控制器件，外界干扰电压可能误触发IGBT |
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器件过流容量和过流保护 |
过流容量大，保护电路简单 |
过流容量小，保护电路复杂，技术要求高 |
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配置电源变压器的余量要求 |
较大。变压器配置容量约为固体电源最大输出功率的1.25倍 |
小。变压器配置容量约为固体电源最大输出功率的1.1倍 |
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电源功率共享 可能性 |
不能 |
可以 |
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设备价格 |
较低 |
CS系列的价格通常比PS系列高30%左右。 最近西安机电研究所研制开发的CA系列电源具有较高的性能价格比，电源容量在1100kW以下，其价格比PS系列略高出20%左右。 |
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备件价格 |
低 |
较高 |
根据上表3，二种固体电源的适用范围如下表4所示,供用户选型参考。
表4二种固体电源适用范围
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电炉类型 |
固体电源类型 |
优点 |
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中、小功率熔化炉 |
IGBT半桥串联逆变固体电源 |
高性能 |
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SCR 全桥并联逆变固体电源 |
低价格 | |
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大功率熔化炉 |
SCR 全桥并联逆变固体电源 |
高可靠性 |
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DX型双向供电电炉 |
IGBT半桥串联逆变固体电源 |
唯一选择 |
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保温电炉 |
IGBT半桥串联逆变固体电源 |
高功率因数 |
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透热炉 |
IGBT半桥串联逆变固体电源 |
温度稳定 |
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表面淬火炉 |
IGBT半桥串联逆变固体电源 |
唯一选择 |
4.中频电源与电炉的配置
如表1所述，采用中频无心感应电炉实现批料熔化法可以使电源的输出功率从炉料被加热起至浇注前保持在最大的负载水平。但是在其后的浇注作业周期及其它非生产性作业周期（例如撇渣、取样、等待化验结果等），系统中没有功率输出或者仅需少量功率输出，以保持一定的浇注温度。为了适应各种不同的铸造工艺需要，同时也为了充分提高电源的功率利用系数（将在下节详细讨论），出现了许多形式的中频电源与电炉的配置方案，现列于表5介绍如下。
表5 中频电源与电炉的配置方案示例
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序号 |
配置方案 |
评 论 |
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1 |
单台电源配单炉 |
简单可靠，适用于电炉内金属液熔化后迅速倒空，再重新加料熔化的作业条件，或作业不频繁的场合。 仅对小容量及较低功率的电炉适合。 该配置方案的作业功率利用系数（K2值，见下述）低。 |
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2 |
单台电源配二炉（通过开关切换） |
常见的经济性配置方案。 一台电炉熔化作业，另一台炉浇注作业或维修、筑炉。 在作小容量多次浇注作业时，可将向熔化作业电炉供电的电源短时间内切换到浇注作业的电炉作快速升温，以补偿浇注温度的下降。二台电炉的交替作业（熔化和浇注、加料作业）保证了向浇注作业线持续供应高温合格金属液。 该配置方案的作业功率利用系数（K2值）较高。 |
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3 |
二台电源 （熔化电源和保温电源）配二炉（通过开关切换） |
该配置方案采用SCR 全桥并联逆变固体电源，通过切换开关实现二台电炉交替与熔化电源和保温电源相连。该方案目前被用户广泛接受并采用，它可以达到与配置方案5相同效果，但是投资却大大降低。 电源切换是借助于电动切换开关完成，操作方便、工作可靠性较高。 该方案的不足之处是，保温电源为了能与同一感应线圈匹配工作，它需要以稍高于熔化电源的频率工作。由此导致合金化处理时的搅拌作用可能较小，有时需短时间将熔化电源切换过来以增强合金化过程。 该配置方案的作业功率利用系数（K2值）较高。 |
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4 |
单台双供电源配二炉 |
该配置方案又可以称为功率共享电源系统。它是目前国内外被用户广泛采用的一种先进的配置方案。西安机电研究所自1998年开发出这种系统以来，至今已向国内用户提供了30余套，足见它受欢迎的程度。 该方案的优点是： 1. 每台电炉可以根据各自的工况选择合适的功率； 2. 无机械切换开关，工作可靠性高； 3. 作业功率利用系数（K2值）高，理论上可达1.00，从而大幅度地提高了电炉的生产率； 4. 由于采用IGBT半桥串联逆变固体电源，如表2所述，在整个熔化过程中始终能以恒功率运行，所以其电源功率利用系数（K1值，见下述）也高； 5. 单台电源仅需一台变压器和冷却装置，与方案3相比较，主变压器的总安装容量小，占用空间也小。 |
5.电炉熔化率与生产率的关系
需要指出，一般电炉制造商在样本或技术规格上提供的电炉熔化能力数据是熔化率。电炉的熔化率是电炉本身的特性，它与电炉的功率大小及电源类型有关，与而生产作业制度无关。而电炉的生产率则除了与电炉本身的熔化率性能有关外，还与熔化作业制度有关。通常，熔化作业周期内存在一定的空载辅助时间，如：加料、撇渣、取样化验和等待化验结果（与化验手段有关）、等待浇注等。这些空载辅助时间的存在减少了电源的功率输入，即减低了电炉的熔化能力。
为叙述清晰起见，我们引入电炉功率利用系数K1和作业功率利用系数K2的概念。
电炉功率利用系数K1是指在整个熔化周期内电源输出功率与其额定功率之比，它与电源类型有关。配置可控硅(SCR)全桥并联逆变固体电源的中频感应电炉的K1数值通常在0.8左右，西安机电研究所对该类型电源增加了逆变控制后（通常的该类型电源仅有整流控制），该数值可接近于0.9左右。配置(IGBT)或(SCR)半桥串联逆变的功率共享固体电源的中频感应电炉的K1数值理论上可达到1.0。
作业功率利用系数K2的大小与熔化车间的工艺设计和管理水平、电炉电源的配置方案等因素有关。其数值等于整个作业周期内电源实际输出功率与额定输出功率之比。通常，功率利用系数K2的大小在0.7 ~ 0.85 之间选择，电炉的空载辅助作业时间（例如：加料、取样、等待化验、等待浇注等）愈短，K2值愈大。采用表4方案4（双供电源配二炉系统）的K2值理论上可达1.0, 实际上在电炉空载辅助作业时间很低的情况下可达0.9以上。
由此，电炉的生产率N可以由下式计算而得：
N = P·K1·K2 / p (t/h)…………………………………………………………………(1)
式中：
P –- 电炉额定功率 (kW)
K1 –- 电炉功率利用系数，通常在0.8 ~0.95范围内
K2 –- 作业功率利用系数,0.7 ~0.85
p ––- 电炉熔化单耗 (kWh/t)
以一台机电研究所生产的配置2500kW可控硅(SCR)全桥并联逆变固体电源的10t中频感应电炉为例，技术规格表示的熔化单耗p为520 kWh/t，电炉功率利用系数K1数值可达0.9，作业功率利用系数K2数值取为0.85。由此可得电炉的生产率为：
N = P·K1·K2 / p = 2500·0.9·0.85 / 520 = 3.68 (t/h)
需要指出，有些用户混淆了熔化率与生产率的含义，将它们视为意义同一，没有考虑电炉功率利用系数K1和作业功率利用系数K2，这样的计算结果会是N = 2500 / 520 = 4.8 (t/h)。如此选择的电炉就不可能达到设计生产率。
6.电炉选型时对系统的各项功能的评估
作为铸造车间的重要熔化设备，感应电炉的投资在铸造车间的总投资中占有不小的比例。因此，电炉系统的选型除了上面需要考虑的各类因素外，尚应结合铸造车间本身的投资规模、技术先进性、管理水平等背景对所选的电炉系统的安全性、先进性、经济性、对环保的适应性等系统的各项功能作一个全面的分析和评估。以下对上述几个方面略作讨论：
l系统的安全性 – 系统的机械方面的完整的保护功能应该具备：闭式冷却水循环系统的采用，冷却水温度及流量的监控和报警，应急冷却水柜和管路的设置、液压系统的安全措施（软管破裂保护措施、双液压泵的配置、阻燃油的采用），炉体的钢架结构坚固性。系统的电气方面完整的保护功能有：功能完备和可靠的全数字化控制板和故障自诊断功能、炉衬检测（或漏炉检测）功能、电源（包括电容器等）的可靠冷却措施等。
l系统的先进性 – 它应与整个铸造车间的设备先进程度及管理水平背景相匹配。采用全数字化控制系统的中频电源将大大提高电炉系统的作业（包括炉衬寿命和熔化作业）稳定性和可靠性。此外，近年来在铸造业逐渐被广泛接受和采用的功率共享电源系统（俗称一拖二电炉系统）、电源的远程控制系统、电炉的计算机熔化过程自动控制管理系统、旧炉衬快速推出机构、炉衬捣筑质量稳定的锤击式气动筑炉机、铁水自动称量系统、炉衬自动烘炉控制系统等先进装置也大大提高了电炉系统的作业稳定性和可靠性，体现了铸造车间的技术和管理水平的先进性，也为铸造生产的质量管理体系提供了有效的手段。
l系统的经济性 – 应该全面、合理地评估选用先进电炉系统所支付的较高的一次性投资额与该系统的较低的日常运行、维护费用及生产率提高之间的关系。可从以下几个方面来评估这种关系：
a) 根据因先进的熔化单耗指标计算得到电炉每年运行费用的节约数值来评估投资额差价的回收周期；
b) 根据先进的电炉系统性能，如电源功率共享系统所具有较高的功率/作业利用系数所引起的相同功率配置情况下电炉生产率的提高来评估整体经济效益的大小；
c) 从先进的和安全性好的电炉系统在日常维护方面减少的费用以及设备使用寿命提高二方面进行投资的综合评估；
d) 从采用具有先进功能的装置，如炉衬自动烘炉控制系统和锤击式气动筑炉机，提高了炉衬寿命，降低的作业方面的各项成本来评估其经济性。
l环境的改善 – 现代化的铸造车间大都具有较大的生产能力，因此电炉的功率也较大，这可能对电网带来高次谐波的污染。中频固态电源对于电网的谐波干扰程度主要取决于它向电网的公共连接点注入的谐波是否超过国家颁布的标准（见GB/T14549-93, 电能质量·公用电网谐波）。减少抑制电源向电网公共连接点注入谐波电流的措施有：
a)增加电源的整流相数。该措施可以消除5、7、17、19次谐波；
b)装设谐振滤波器，将主要谐波电流滤除，如装设5、7、11次滤波器;
c)改变供电点，将中频电源接到短路容量较大的公用电网上。
此外，某些工艺条件下的有色金属和铸铁熔化所产生的烟雾和粉尘也对环境产生污染。此时，排烟罩的设置对于环境的改善是必要的。
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