工频有芯感应熔铜炉感应体优化改造.pdf

第32 卷第5 期2023年1 0 月doi:10.3969/j.issn.1005-7854.2023.05.017矿治MINING AND METALLURGY工频有芯感应熔铜炉感应体优化改造Vol.32,No.5October2023符志祥1李亚琼?李丰辰3张立峰4夏莫递5（1.宁波长振铜业有限公司，浙江宁波31 5 47 3；2.北京科技大学冶金与生态工程学院，北京1 0 0 0 8 3；3.燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛0 6 6 0 0 4；4北方工业大学机械与材料工程学院，北京1 0 0 1 445.株洲火炬工业炉有限责任公司，湖南株洲41 2 0 0 5）摘要：针对工频有芯感应炉在再生黄铜熔铸中存在合金化能力差、感应体散热大和熔沟易被堵塞等问题，进行感应体熔沟间距扩大、感应体保温性能增强和熔沟宽厚比调整等优化改造。结果表明：熔沟间距增加90 mm，熔体进出口温差增加9.1，熔体出口速度增加0.0 42 m/s，元素弥散性能提升，元素质点变小，感应炉合金化能力得到提高；熔沟截面宽厚比由1.31调整到1.0 4，解决了熔沟被高熔点大尺寸金属堵塞故障；感应体保温结构外加1 0 mm纳米微孔板和32 mm莫来石质隔热砖，钢外壳温度下降1 7 9，电耗减少5 2 kWh/t。有助于推进再生黄铜熔铸行业30.6 0 双碳目标进程。关键词：有芯感应炉；熔沟间距；保温；合金化；热损耗中图分类号：TF806.2Optimizing transformation of inductor in industrial frequency channelFU Zhixiang LI YaqiongLI FengchenZHANG Lifeng XIA Monis(1.Ningbo Changzhen Copper Co.Ltd.,Ningbo 315473,Zhejiang,China;2.School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;3.School of Mechanical Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,Hebei,China;4.School of Mechanical and Materials Engineering,North China University of Technology,Beijing 100144,China;5.Zhuzhou Torch Industrial Furnace Co.Ltd.,Zhuzhou 412005,Hunan,China)Abstract:For the problems such as poor alloying ability,large heat dissipation of induction body and easyblockage of the molten groove in the line-frequency channeled induction melting-copper furnace,theoptimizing retrofit such as expanding the spacing between the molten groove,enhancing the thermalinsulation of the induction body and adjusting to the aspect ratio of the trench cross-section has beencompleted.The application indicates that after the trench spacing increases by 90 mm,the temperaturedifference between the melt inlet and outlet will increase by 9.1 C,the melt outlet speed increases by0.042 m/s,the element-dispersion performance improves,the element particles become smaller,and theimprovement on the melt-alloying ability of the induction furnace is proved.After the aspect ratio of thetrench cross-section is adjusted from 1.31 to 1.04,the blockage failure of the molten trench by the metalwith the high melting point and the big size is eliminated.After the nano-micropore plate with thethickness 10 mm and the murlite insulating brick with the thickness 32 mm is added to the insulationstructure of the induction body,the temperature of the steel shell drops by 179 C and the electricityconsumption is reduced by 52 kW.h/t.It will help to move the process of 30.60 double carbon target inthe recycled brass melting and casting industry forward.Key words:channeled induction furnace;molten trench spacing;heat insulation;alloying;heat loss收稿日期：2 0 2 3-0 3-0 8第一作者：符志祥，学士，高级工程师，研究方向为机械设计制造及自动化。E-mail：y y s m f z x 1 6 3.c o m通信作者：张立峰，博士，教授；E-mail：z h a n g l i f e n g n c u t.e d u.c n文献标志码：Atype induction copper melting furnace文章编号：1 0 0 5-7 8 5 4（2 0 2 3)0 5-0 1 1 5-0 7能驱动、热效率高、结构简单、操作方便、投人成本低等优点，其推广应用可以降低电能消耗占比，工频有芯感应炉在再生黄铜熔铸应用中具有电116：进而推进有色铜合金加工领域双碳目标进程。自1890年瑞典人Kjellin发明了有芯感应电炉以来1.2 1，特别是近2 0 年，有芯感应电炉技术有了突飞猛进的发展，熔沟形状从“V”型到“U”型再到“W”型，熔沟截面从“等截面”到“不等截面”，熔沟内熔体流动方式从“交替双向”到“定向”，感应线圈管截面从“等壁厚”到“不等壁厚”，从“正方形”到“矩形”3-7，感应体电源从单相到两相再到三相，单个感应体输出功率已高达3000kWE8.9，但应用有芯感应电炉再生黄铜熔铸仍存在熔沟内熔体流动速度低、合金化能力弱、熔矿沟易被堵塞、钢壳温度高等问题。针对上述问题，本研究进行有芯感应炉感应体熔沟间距和保温结构优化改造，为提高有芯感应炉熔铸效率，拓宽其功能和提高节能性能提供有益参考。1原有芯感应炉结构特点与存在问题原有芯感应熔铜炉结构如图1 所示，技术参数汇总见表1。图2 为熔沟结构与布局。感应体绝热结构如图3所示。2.2841300A一A1935黏土质耐火砖730石英耐火打捣料铝质隔热砖放流砖AA上炉体OSO3感应线圈冷却水套熔沟干振打捣烧结料下炉体铁芯700AFig.1Structural diagram of channel type induction furnace表1 改造前有芯感应炉技术参数Table1Parameters of channel-type induction furnace before optimizing性能指标总容量/kg有效容量/kg装机功率/kW接线方式线圈个数/个熔沟片数/片原始cos9补偿后cos9电耗/(kW.h.t-1)225图1 有芯感应炉结构示意图参数5.50040005002相220.450.50.91273性能指标熔化率/(t h-1)工作电压/V熔沟宽厚比熔沟有效截面/mm熔沟间距/mm线圈匝数/匝感应体表温/参数23801.3175X5722536352符志祥等：工频有芯感应熔铜炉感应体优化改造117114610007001801050一O0SAA一A57135(a)图2 熔沟结构与布局：（a)熔沟结构；(b)熔沟布局Fig.2 Structure and layout of channel:(a)channel structure;(b)channel layout1680A(b)AA680熔沟体225A不定型炉料钢质壳体图3感应体绝热结构Fig.3Thermal insulation structure of the induction body原有芯感应炉在再生黄铜熔铸生产中存在以下问题：1)熔沟中心间距小，合金产品结构、质点弥散和粒径均难以达到要求。熔沟感应电流小、热功率低，熔沟高温区域窄，通过熔沟熔体吸热量少，熔体温度低，熔沟进出口温差小；熔沟熔体流动速度慢，熔沟中心熔体回流速度小，熔沟内对流传质传热弱，熔体元素质点熔化扩散作用小、合金化能力低。此外，熔沟为W型不等截面，宽7 5 mm，有效厚度5 7 mm，宽厚比1.31。人炉料为5 7 mm57mm以上块状时，高熔点块状金属不能随熔体流动通过熔沟，易发生熔沟堵塞故障。2)感应体绝热结构为外壳内壁十石棉板十炉料，熔体温度超过10 0 0 后，感应体保温层薄，保温性能欠佳，感应体外壳表面温高达35 2，电石棉板能浪费明显。2原有芯感应炉结构优化与效果分析2.1优化措施2.1.1熔沟间距和宽厚比考虑到合理熔沟间距和宽厚比是熔沟高产热、高功率密度和强合金化生产能力等前提条件，原感应炉熔沟间距小，需对熔沟间距进行调整。已有研究 10 1表明，通过建立ANSYS有限元模拟仿真模型可获得熔沟间距对熔沟焦耳热和功率密度影响规律由熔沟间距对熔沟焦耳热和功率密度的影响（图4)。由图4可知，随着熔沟间距增加，熔沟高热值区域从熔沟外侧逐渐向熔沟内侧转118：420410400390370360350150图4熔沟间距对熔沟焦耳热和功率密度的影响 10 1Fig.4Effects of trench interval on joule heat andpower densityl1o)化，同时高热值区域面积呈现先增加后降低的趋势。熔沟热值在熔沟间距30 5 37 5 mm存在拐点，熔沟间距为315 mm时，熔沟热值最大（412.40 4kJ），矿冶功率密度最高（0.0 18 1W/mm）。随着熔沟间距0.0190焦耳热O-功率密度0.01850.01800.01750.01700.01650.01600.01550.0150200250熔沟间距/mm的增加，熔沟功率密度先增加后降低，最佳熔沟间距为 315 mm。将2 个独立感应线圈分别接入12 0 相位差的380V电源，感应线圈有效长度7 2 0 mm，线圈长度方向中心和2 片熔沟间的中心面重合。在电磁力和热驱动力作用下，熔体作轴向和径向运动，从熔沟中间螺旋向下流人熔沟，从熔沟两侧流向炉膛。由于感应体内感应线圈长度是相对固定的，两熔沟对称分布在线圈中心截面两侧，因此熔沟间距会影300350400450500响内部感应电流强弱，最终影响到熔沟热功率。将熔沟间距从原来的2 2 5 mm扩充至315 mm。此外，为改善熔沟内部熔体流动、传热和生热分布，在感应体外壳内壁四周和底部铺设纳米微孔板和莫来石质隔热砖等。本研究通过ANSYS有限元模拟仿真所得熔炉整体温度分布，结果如图5 所示，熔沟进出口温度数据见表2。Temperature(K)1369.51368.31367.11365.91364.61363.41362.21361.01359.81358.6.1357.41356.11354.91353.71352.5(a)图5 熔沟间距对熔炉温度分布的影响：（a)175mm；（b)2 2 5 mm；（c)315 mmFig.5 Effects of channel intervals on the temperature distribution:(a)175 mm;(b)225 mm;(c)315 mm表2 不同熔沟间距条件下熔沟进出口温度Table 2 Inlet and outlet temperatures of the trench under different trench intervals熔炉前熔沟温度分布/K熔沟间距/mm左出口1751367.22251369.83151374.6从图5 可以看出，随着熔沟间距的增加，熔体温度明显升高，即熔沟热效率提高。表2 数据显示，熔沟间距从2 2 5 mm增至315 mm时，熔沟进出口温差从5.7 8 升高至14.8 8。熔沟间距降至17 5 mm，熔沟进出口铜液温差升高，原因在于熔沟间距减小使出口速度减小，导致热量在熔沟出口积累，使熔沟出口铜液温度升高；熔沟间距为225mm时，熔沟中心沟道回流速度较快，熔沟两侧高温射流有一部分未能充分参与热交换便在流股(b)右出口入口1.368.81360.81.368.91362.71.375.71360.3(c)熔炉后熔沟温度分布/K左出口右出口1.367.81369.41367.81366.81373.61376.8碰撞后返回熔沟内部，提高了熔沟进口铜液温度，使得进出口铜液温差降低。熔沟作为感应炉唯一加热区域，内部铜液运动剧烈程度影响与上部炉膛换热效果和熔铸效率。熔沟对铜液搅拌取决于熔沟顶面位置铜液方向速度。前后熔沟顶面速度分布如图6 所示。当熔沟间距增加到315 mm后，熔沟端流体速度明显增加，熔沟间距为17 5、2 2 5、315 mm处对应的熔沟出口平均速度分别为0.17 3、0.18 3、0.2 2 5 m/s。伴随进出口平均人口温差/K1360.07.911362.55.751360.314.87符志祥等：工频有芯感应熔铜炉感应体优化改造0.4-o熔沟间距17 5 mm熔沟间距2 2 5 mm0.3-o-熔沟间距315 mm(s.)/0.20.10-0.1-0.2-0.60.40.30.20.10-0.1-0.2-0.6图6 熔沟改造前后熔沟顶面方向速度分布Fig.6Velocity distribution in y direction on the topsurface of the front and rear melting channels着中心沟道对应的熔沟顶面流体回流速度下降，熔沟中心沟道进口速度分别为一0.15 3、一0.19 8、一0.0 7 6 m/s。由此可见，射流速度提高会使得熔沟中心沟道内铜液回流速率降低。从图6 可以看出，当熔沟间距扩大至315 mm时，熔沟熔体流动速度和温升幅度为最高。流动速度和升温幅度的提高，有利于原材料熔化及熔体元素的熔化扩散，可提升熔体合金化能力。改造前熔沟有效截面7 5 mmX57mmXR10 mm，公司虽然对回收的再生原材料经过机械破碎，控制原料形状小于6 5 mmX65mm，但在回收的再生黄铜中难免有高熔点金属存在，大于5 7 mmX57mm高熔点块状金属随熔体进人熔沟内，造成堵塞。分析在不改变截面积的前提下，调整熔沟截面宽厚比从1.31调整到1.0 4，截面为7 1mmX68mmXR25mm，使经破碎原料中的高熔点块状金属能随熔体流动通过熔沟，解决熔沟堵塞问题。1192.1.2感应体绝热结构为降低壳体外表温度，对图3所示的感应体外壳内壁四周和底部由内而外铺设32 mm厚的莫来石轻质砖和10 mm厚的纳米微孔板，外壳长度由原来的16 8 0 mm增加至17 5 0 mm，宽度由原来的680mm增加至910 mm，中心高度由原来的530mm增加至6 2 0 mm。莫来石轻质砖和纳米微孔板的物理性能参数见表3。优化后感应体外壳结构及绝热结构如图7 所示。0.4-0.2x轴坐标/m(a)改造前-熔沟间距17 5 mm熔沟间距2 2 5 mm-o-熔沟间距315 mm-0.4-0.2x轴坐标/m(b)改造后000.20.20.40.40.60.6表3耐火材料物理性能Table 3 Physical properties of refractory material性能指标熔点/使用温度/800 比热/(kJ kg-1.K-1)950线性收缩率/%热导率/(Wm-1.K-1)400600800250莫来石质隔热砖纳米微孔板图7 优化后感应体外壳结构及绝热结构Fig.7Thermal insulation structure of the induction bodyafter optimizing纳米微孔板莫来石质隔热砖12001.30011001.20043051021.50.0250.300.0300.320.0350.34A1750A一A910315190熔铜炉炉衬材料120设定环境温30，熔体温度10 5 0，通过稳定态热损失计算 3 所得得钢壳表面温度为17 3。2.2优化效果1)合金化能力。分析优化改造前后铜锭局部元素分布如图8、图9所示，计算元素质点粒径结果矿治见表3。对比图8 和图9可以看出，改造后，金属元素弥散性能明显提升。由表3可知，改造后，Cu、Pb、Sn、A l、Fe 当量直径分别减小0.32、0.49、0.5 3、0.5、0.2 m，说明感应体经过优化后，其合金化能力得到了提高。00Lm100umCu Lal,2100:umPb MalSn Lal100 mAlKal图8 优化前的铜锭局部元素分布面扫描Fig.8 Partial surface scanning maps of element distribution in copper ingot before optimizationFeKal100 m100 mCu Lal,2100umPbMalSn Lal100 mFig.9 Partial surface scanning maps of element distribution in copper ingot after optimization100umAlKal图9优化后的铜锭局部元素分布面扫描图FeKal符志祥等：工频有芯感应熔铜炉感应体优化改造表3元素质点当量直径分析结果Table 3 Analysis results on the equivalent diameter of the element particle取样组别Cu平均当量直径优化改造前0.86优化改造后0.54差值0.322）节能性能。感应体外壳温度由优化前的352降到优化后的17 3，下降幅度达17 9，理论降低热耗34.3kW，电耗从优化前的273kWh/t降到优化后的2 2 1kWh/t。3)稳定性。感应体熔沟截面宽厚比从1.31调整到1.0 4，感应炉运行2 年，未出现金属堵塞熔沟故障。3结论1)对感应体进行优化改造，将熔沟间距从原225mm增至315 mm、有效宽厚比从原1.31调整到1.0 4，在感应体外壳内壁四周和底部铺设纳米微孔板和莫来石质隔热砖等可有效提高熔体的合金化能力，降低电耗并避免块状高熔点金属堵塞故障问题。2)感应体经优化改造后，熔沟进出口温差可从原来的5.7 8 升高至14.8 8，熔沟出口速度可从原来的0.18 3m/s增至0.2 2 5 m/s；钢壳温度由原来的35 2 降到17 3，减小热损耗功率34.3kW，电耗从原来的2 7 3kWh/t降至221kWh/t；消除了熔沟被6 5 mmX65mm块状高熔点金属堵塞故障。参考文献1朱会文，沈庆通感应热处理的历史、现状与发展一感应热处理技术路线图J。金属加工（热加工），2014(1):8-18.ZHU H W,SHEN Q T.History，,s t a t u s a n ddevelopment of induction heat treatment-technologyroadmap of induction heat treatment J.MetalWorking(Metal Forming),2014(1):8-18.2MUHLBAUER A.History of induction heating andmeltingM.Vulkan-Verlag GmbH,2008.121/umPb平均当量直径Sn平均当量直径1.120.880.630.350.490.533GANDHEWAR V R,BANSOD S V.BORADE A B.Induction furnace-A reviewJ.International Journalof Engineering and Technology,2011,3(4):277-284.4YUDKIN S.Refining of aluminum alloys in channel-type induction furnacesJJ.WAA Translation From-Tsvet.Metally，19 7 3,4(8):3-5.5MUHLBAUER A，FR I C K E R，W I C K ER H,et al.Channel geometry and fluid flow behaviour inchannel induction furnacesJ.Materials Science andTechnology，19 8 8,4(11):10 0 1-10 0 5.6BULIGINS L,EGGERS A,MUHLBAUER A.Magnetohydrodynamic thermally driven flows in achannel-induction furnace J.Magnetohydrodynamics,1994，30(3)：2 48-2 6 3.7 SEMIATIN S L.Elements of induction heating:design,control,and applicationsM.Asm International,1988.8肖恩奎、李耀群铜及铜合金熔炼与铸造技术 M.北京：冶金工业出版社，2 0 0 7.XIAO E K,LI Y Q.Technology on copper andcopper alloy melting and casting M.Beijing:Metallurgical Industry Press,2007.9JIN S,HARMUTH H,GRUBER D.Thermal andthermomechanical evaluations of channel inductionfurnace applying strong insulation containing lightweightaggregates JJ.Ironmaking&Steelmaking，2 0 18,45(6):514-518.10刘力刚，蔡新雨，赵震，等有芯感应炉熔沟焦耳热与流场数值模拟J矿冶，2 0 2 2，31（3）：119-125.LIU L G,CAI X Y,ZHAO Z,et al.Numericalsimulation on joule heating and flow field in meltingchannel of channel type induction furnaceJJ.Miningand Metallurgy,2022,31(3):119-125.(编辑：王爱平）A1平均当量直径0.750.290.46Fe平均当量直径0.790.590.20