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1、基础理论中频感应熔炼炉与保温炉的电源频率选择及功率计算51996 中国铸造装备与技术中频感应熔炼炉与保温炉的电源频率选择及功率计算张健林(山东济南市: 250031山东省机械设计研究院)摘 要: 选用中频感应熔炼设备, 对不同的金属进行熔炼和金属熔液保温。通过计算来确定中频炉用于金属熔炼或熔液保温的功率、电源功率及频率、变压器容量等参数, 以求得到合理的配置,从而达到减少投资、节约电能、提高效率和设备生产率的目的。Zhan g J ian l in.Frequen cy Se lec t ion of M ed ium Frequen cy M e lt in g an d Ho ld in
2、g Furnace an dPower Ca lcula t ion.In se lec t io n o f m ed ium f requency m e lt ing and ho ld ing fu rnace p a ram e te r s a sra t ing pow e r, pow e r and f requency,t ran sfo rm e r cap ac ito r h ave been c lacu la ted fo r a rea so nab lea rangem en t and reduc t io n o f inve st,sav ing o f
3、 e lec tv ic ene rgy,inc rea se o f effec t iv ity and p ro duc2t iv ity.主题词: 中频感应熔炼设备电磁搅拌 搅拌率 电效应 熔解热 双供电电源随着电力工业及电子技术的发展, 感应加热用晶闸管中频电源装置的制造技术日趋成熟。其效率和可靠性日益提高, 价格和维修费用降低, 促使中频炉得到很快发展, 在冶金和铸造行业得到广泛应用。目前国外中频感应炉已基本取代了工频感应炉。近年来, 我国选用国产或进口中频感应炉用于金属熔炼或保温的用户与日俱增。但大多数用户在选用时, 仅以铸件产量和生产率来确定炉容量, 而忽略对中频电源功率、效率
4、、频率及炉功率等重要参数的选择, 造成配置不合理、投资高、效率低。现以国产及国外有代表性几家公司生产的中频感应炉有关参数为依据, 对其频率选择及参数的计算介绍如下。1 无芯感应炉电磁搅拌与功率及频率的关系在无芯感应炉工作时, 感应线圈的磁场和流经熔化金属的电流两者共同作用下, 形成了作用于熔体顶感应炉中液态金属的驼峰高度与电磁搅拌能力成线性关系。由式(1) 可见, 驼峰高度 h 与加在感应圈上的功率 P 成正比, 与其频率 f 的平方根成反比。所以, 欲提高感应炉的电磁搅拌能力, 不能只靠提高功率密度来达到; 而在一定功率下选择恰当的频率, 亦可得到相同的电磁搅拌效果。驼峰高度h 与金属熔液直
5、径 d 之比称之为搅拌率, 故可用 h d 之值判断感应炉的熔炼质量。当熔化铁、钢、铜及铝时,其数值依次是 01125 01250、01070 01125、01050 01150 及 01100 01500 时, 熔炼效果最佳。图 2 为 2t 中频熔炼炉的搅拌率与功率在不同频率下的线性关系曲线。在熔炼铁时, 频率 200H z、功率 1250kW 所产生的搅拌效果, 与频率 600H z、功率 2000kW 时搅拌效果相同; 但当同样采用功率1250kW , 频率600H z 时的搅拌效果要远比用200H z时小。熔炼铁、钢及不锈钢时, 所用最佳感应线圈频率分别是 200H z、600H z
6、 及 1000H z。部表面的力。因张力与重力方向相反, 故在其顶部形成如图 1 所示的“驼峰”。驼峰高度 h 用式(1) 计算。h =7050P(1)图 1电磁搅拌形成的驼峰状态d H GQf式中P 电磁感应圈上的功率d 金属熔液的直径H 感应炉内金属熔液的高度图 2 不同频率下搅拌率与功率关系目前, 国内所生产的中频感应熔炼设备, 其电源频率均为1000H z, 对于熔炼铁和钢来说, 搅拌能力较差。当炉料为冷料时, 下部炉料先熔化成铁液, 造成局部电阻减小, 而功率往这部分集中致使铁液过G 炉内金属的总重量Q炉内金属电阻率f 感应线圈频率收稿日期: 19960410热; 如采用提高功率的方
7、法加大搅拌能力时, 过热现象会更为严重。在订购国外设备时, 切勿忽视频率参数的选择, 以防商家通过减少电容器容量和感应圈圈数的方法提高频率, 以降低设备制造成本。51基础理论中频感应熔炼炉与保温炉的电源频率选择及功率计算51996 中国铸造装备与技术2 感应加热熔化炉单元参数感应加热熔化炉各单元的电效率及系统总效率值如表 1 所列。表 1系统及单元电效率表%单元名称进口元件及系统国产元件及系统GG9793电源 1电容器组 29996铜排等G95923G感应圈G85804炉体辐射热损失 5194189系统总效率GU7050系统功率因数 co s0 95092熔化 1 t 金属所需电能: 铁为 5
8、10kW h t; 钢为5 70kW h t; 铜为350kW h t; 铝为750kW h t。3 金属液保温炉功率计算单位重量铁液升温所需电能Q 按下式计算:Q = 22. 89310- 5 (H2-H1) (kW h kg)(2)式中 H2 升温后铁液温度, H1 升温前铁液温度, 22189310- 5 每 1k g 铁液升温 1所需电能, kW h (k g)例 1: 欲将 10t 铁液在 1h 内从 1300升温至1500, 计算需要的炉功率P 1、中频电源功率P 2、变压器容量S 。解: 根据式(2) 计算出Q 值:Q = 22189310- 5 (1500- 1300)= 01
9、045786 (kW h kg)已知铁液重G = 1000k g, 加热时间 t= 1h , 则炉功率 P 1 = GQ t= 10000010457861 458 (kW )进口中频感应熔炼装置: 电源功率 P 2 = P 1 G= 4580. 7= 654 (kW ) ; 变压器之容量S = P 2 (G1 co sU) = 654(0. 970195) = 710 (kV A )。国产中频感应熔炼装置: 电源功率 P 2 = 458015= 916 (kW ) ; 变压器容量S = 916(0. 930192) = 1070 (kV A )。保温炉中频电源功率 P 2 的速算方法:以每吨
10、铁液在 1h 内升温 100所需功率为23kW 为计算基数, 则所需中频电源的功率为: 进口单元 P 2 = 230. 7= 33 (kW ) ; 国产单元 P 2 = 230. 5= 46 (kW )。例 2: 将 4t 铁液在 1h 内升温 100, 所需电源的功率是多少? 若当选用1250kW 电源时, 其升温的时间是多少?解: 采用进口电源单元的功率P 2 及升温时间 t,分别由下式计算而得:P 2 = 4133= 132 (kW )t= 132601250= 6. 336 (m in)4 熔化炉功率计算单位重量铁熔炼升温所需电能Q 的计算:Q = 22. 89310- 5 (H2-
11、1093133)+ 012822 (kW h kg)(3)式中H2 熔炼后铁液温度, 1093133铁的熔点温度值, 012822铁的熔解能, kW h kg例 3: 将 1t 铁在 1h 之内从 20并熔炼升温至1300, 求选用进口中频熔炼炉的炉功率 P 1、中频电源的功率 P 2 及变压器容量S 。解: 已知 H2 = 1300, 则熔化升温所需电能Q按式(3) 计算而得:Q = 22189310- 5 (1300- 1093133) + 012822= 0. 3295 (kW h kg)P 1 = 10000132951= 329. 5 330 (kW )P 2 = P 1 G= 33
12、0017= 471 (kW )S = P 2 (G1 co sU) = 471(0. 970195) = 512 (kV A )5 用双供电源实现保温与熔炼同时工作功率计算双供电电源又称之为双功率电源, 是一种具有双输出的单一电源, 其电路示意图如图 3 所示。双供电电源可以同期、连续并且其功率可以完全控制地给两台感应炉供电。操作者可以在一台炉子上进行熔炼供电的同时, 给另一台正在浇注的炉子以维持金属液温度的保温功率或正在图 3双供电中频电源升温的炉子以升温电路示意图功率。这样, 无需中断熔炼炉的工作即可满足另一台炉子的升温或保温操作要求。只要调整功率旋钮, 就能选择任意功率乃至全功率值分配给
13、任意一台炉子。如, 一台炉子满功率, 另一台炉子则无功率; 或者两台炉子都同时工作在保温状态或升温状态。例 4: 用双供电电源同时给两台感应炉供电, 使保温炉在 1h 之内将 10t 铁液的温度从 1300升温52基础理论压铸型铸件顶出机构的可靠性分析51996 中国铸造装备与技术至 1500, 熔炼炉在 1h 内将 1t 废钢从 20熔炼升温至 1300。求所需炉功率P 1、中频电源功率P 2 及变压器容量S ; 若选用 2500kW 中频电源时, 其升温熔炼时间 t 是多少?解: 依据例 1 及例 3 的计算结果得: P 1 = 458+ 330= 788 (kW )P 2 = P 1 G
14、= 7880. 7= 1125 (kW )S = P 2 (G1 co sU) = 1125(0. 970195)= 1221 (kV A )t= 1125602500= 27 (m in)6 炉容量及电源功率的选用中频保温炉及中频熔炼炉的容量与配用电源的功率技术规格推荐值如表 2 所列。表 2炉容量及电源功率值推荐表炉 容 量中频电源功率 kWt保 温 炉熔 炼 炉15007502100012503300 600150017504400 600200025005600 100025003000840001010005000126000151500当炉容量已经确定, 其电源功率应尽可能在给出值
15、范围内选得高一些。如, 一台 5 t 保温炉在电源功率为 600kW 时, 其系统效率只有 63% 65% ; 而当将电源功率提高到 1000kW 时, 其系统效率可达到 72% 左右。7 结束语铸造车间选用中频感应炉实现对金属熔炼或金属液保温时, 在满足生产需要的前提下, 先按铸件日产量和单位时间金属液需要量选择好炉容量, 再按本文介绍的方法选择或确定中频电源的功率、额定工作频率及应配备变压器的最小容量等参数。从而获得最合理的配置, 以少的投资取得高的效率和生产率, 最大限度地节约电能。8 参考文献1Jo hn M o r t im e r. B a tch Induct io n M e
16、lt ing, 1994.2 P illa r Indu st r ie s. Induct io n Sy stem s fo r M e lt ing, 1994.3 上海燕兴机电技术研究所 1 晶闸管中频高功率熔炼炉, 199314 T ang H siang E lect r ic Co , L ta. So lid S ta te Induct io n F u rnace s1铸 蓬摘 要: 根据机械可靠性设计2压中的应力强度干涉理论, 由能量观点分析了压铸机压铸型铸件顶出机铸构工作时的稳定可靠性问题。型 罗主题词: 压铸机 压铸型设计铸件顶出机构 力学性能分析件 1 问题的提出与
17、理论模型的建立贵顶州压铸机压铸型铸件顶出机构结贵构及其力学模型如图 1 所示。图中出阳市所示顶杆是一不等直径的细长压靠机5杆, 失稳是其失效的主要形式。构5考虑到顶杆的实际约束状况,000由能量守恒的观点导出了临界压力3的 贵P C 的表达式:可州P C = P ECR(1)工学P EC 为将顶杆简化成为一等直院径压杆后, 用 E u le r 公式计算出的性 临界力。该简化压杆直径为 d、约束分间跨距为 l、长度系数为 1, 其表达析式为:P EC = 4P2 E J l2(2)式中E 杨氏弹性模量J 简化压杆惯性矩, J = Pd 4 64R 是顶杆的结构常数, 其值与载荷的大小无关,其计算表达式为(图 1 左) :图 1 顶出机构结构(左) 及其力学模型图(右)11 顶杆压板 21 顶杆座板 31 顶杆41 动型垫板 51 动型镶块(A(PB(BR =1-4 )4(1-) )+1-)0. 08sinAAA+4(3)式中顶杆直径比,= Dd 1BBl顶杆长度比,=1l 1可见, 顶杆的临界压力可由式(1) 综合表示, 从而为顶出机构稳定性的确立提供判据。在机构及其零部件的传统设计中, 都是将设计定稿日期: 1996040853