中频无芯感应炉高效炼钢技术指南

中频无芯感应炉炼钢概述

中频无芯感应炉一般用于小产能钢铁熔炼车间炼钢。感应炉配备变频器将电网 50 Hz 频率转换为所需中频。整流器产生直流电压，经平波电抗器送入逆变器，借助补偿电容和炉线圈电感产生中频电压。变频器调节由内置控制电子装置完成。炉子控制通过操作柜装置，必要时借助处理器实现。

变压器供电。炉用变压器接入电网，将供电电压转换为炉子运行所需电压，中频感应炉一般为 770 V。变压器通常配备内置监测装置：温度计、油位监测、瓦斯继电器、空气除湿器。

熔炼在耐火坩埚进行，通常用酸性（硅基）或中性（铝基）整体耐火材料制成。坩埚由环绕其周围的感应线圈加热。

感应炉冶炼一炉钢包含特定循环活动，称“冶炼周期”或“生产周期”。一炉周期有两部分：(1) 熔化期，(2) 非生产期。熔化期指连续向炉子施加最大功率并加料的时期。非生产期指无功率或功率降低时期：如加初始料、除渣、取温度/分析样、等待分析结果、出钢空炉等。炉子利用率 = 熔化期 / 冶炼周期 × 100%。若熔化期 80 分钟，非生产期 40 分钟，冶炼周期 120 分钟。80/120×100 = 66.67% 利用率。若感应炉工艺要求每炉出钢 10 吨，但利用率仅 66.67%，则需功率供应能力每炉熔化 15 吨。

炉体结构与加热原理

熔炼海绵铁的感应炉需大横截面积/体积比，以便传热高、保持渣热流动。

感应炉利用变压器感应原理：导体置于变化磁场中，导体中感应出电压。坩埚炉中此电压产生强涡流，因材料电阻发热最终熔化。水用于线圈冷却。冷却水管路监测流量和温度。

能耗与损耗分析

炼钢需大量电能。除炼钢理论需能量外，还需补偿生产中发生的损耗。能量损耗增加单位能耗、降低炉子效率。炼钢损耗包括：(1) 热损失，(2) 炉线圈损耗，(3) 电容器组损耗，(4) 变频器损耗，(5) 主侧变压器损耗。热损失为主要损耗，贡献最大能量损失。感应炉主要热损失（图 1）：(1) 炉顶辐射损失，(2) 耐火衬里传导损失，(3) 线圈冷却水带走热量，(4) 除渣带走热量，(5) 炉顶排放气体带走热量。此外，冶炼周期中炉子持续向冷却水散热并从炉壳和炉顶裸露金属表面辐射散热。需消耗电能补偿这些热损失。故冶炼时间越长，能耗越大，炉子效率越低。

影响炉子电能消耗因素（图 2）包括：(1) 废钢带入污垢，(2) 充锈原料，(3) 废钢松装密度低，(4) 钢水近成品时增碳，(5) 未用全功率熔化，(6) 过多生渣，(7) 过多烟尘排放，(8) 溢溅金属损耗过多，(9) 冶炼周期长因辐射传导热损失大，(10) 成品钢水在炉内保温。金属充料材料损耗取决于物理尺寸和质量，通常 <5%，相当部分因脱渣和浇注时溢溅损失。对能耗影响最大因素是炉子利用率水平。利用率越高，生产周期越节能。

充料材料

充料材料对控制感应炉炼钢质量至关重要。材料确保浇铸后液态钢具备目标力学性能和化学成分且无缺陷。除钢质量外，充料材料还影响：(1) 产渣量，(2) 耐火衬寿命，(3) 厂房和作业人员安全。此外，充料材料配合充料实践对单位电能消耗和炉子生产率有显著影响。

感应炉主充料为冶金料：废钢和海绵铁。钢废钢和铁废钢均用。铁废钢给炉内带入碳。生铁有时用于部分炉子向炉内引入碳。这些材料配比取决于厂址相对可得性和经济成本。高海绵铁/废钢比感应炉，也添加增碳剂（如无烟煤或石油焦）控制钢水碳含量。冶金料机械或人工装入炉内。

炉内熔化操作控制和液态钢化学成分控制取决于冶金料混合优化程度。冶金料质量须知晓以配制合适充料混合实现炉子高效运行。

为提高产出钢质量，输入废钢质量须控制。废钢充料需控制重要参数：(1) 尺寸，(2) 松装密度，(3) 化学成分，(4) 清洁度——无锈、氧化皮、砂、尘、油/脂污染，(5) 无非金属涂层如锌、锡、铬等。

最麻烦残留元素（铜、钴、锡、砷、锑、镍、钼等）最终从废钢富集入钢。其在钢中致使抗变形性恶化、热脆、力学缺陷。

废钢段过长伸出炉顶虽最终熔化但耗时，影响炉子利用率。废钢尺寸重要，确保充料不搭桥。平均每件尺寸不超炉径 33%，无尺寸超 50% 炉径。进料系统进料率须能在实际熔化期 65%–70% 内送入全量充料。

初始材料须尽快充入炉内并具足够密度以允许最大功率。为最佳性能，充料材料密度需高，不低于 1.3 t/m³。初始炉充料量应占炉额定容量显著百分比。

钢废钢熔化时，大部分废钢悬浮在炉内空气中。感应场升高废钢温度，必须一路升至钢熔点，因无碳降低熔点。故初期熔化需更多能量和时间。此外，钢达 ~700°C 后氧化剧增，从 700°C 升至 ~1540°C 过程中废钢表面以越来越高速率持续氧化。熔融后钢液滴落下充料过程中继续氧化，直至到达炉底汇入熔融浴（希望碳含量较高）。浴中碳停止铁氧化。最薄废钢室温至樱红仅需 1-2 分钟，加剧氧化。铁氧化物增加生渣量。所有氧化产生高反应性 FeO 渣。

废钢清洁度极重要，脏/污染废钢倾向在炉衬上沉积渣层。发生在液面或略下方，限制炉子吸收功率。炉内有效内径减小也可能发生，使充料更困难延长。这又影响炉子能效。此外，带锈废钢熔化更慢，单位充料金属量少。脏冶金料导致更高渣量，意味着更高单位功耗。1500°C 每 1% 生渣能耗损失 10 kWh/t。

海绵铁充料特征：(1) 高孔隙率，(2) 低密度，(3) 低热导率，(4) 高比表面积，(5) 高氧含量，(6) 中等碳含量。海绵铁化学物理特性均一。杂质金属元素低（~0.02%）、低硫但通常高磷。高碳海绵铁首选，因减少炉内增碳剂需求。

海绵铁熔化过程深受其物理、化学、热特性影响。部分特性：形状、尺寸、密度、化学分析、冶金化度。其他参数：充料方法、炉型、浴温度、炉内液态金属化学成分、炉内颗粒周围流体流动也相当重要。

海绵铁脉石含量和未还原氧化铁含量应尽可能低。低氧化铁含量对安全和能耗都重要。大量未还原氧化铁导入高碳高温浴中，会发生剧烈碳沸腾，极度危险。

感应炉用海绵铁优势：(1) 无需额外脱硫即可达低硫钢，(2) 成品残留金属（铬、铜、钼、锡等）含量低，(3) 充料时间减少降低总热损失，(4) 提高产品质量一致性。

感应炉炼钢中增碳剂作用：去除海绵铁中以 FeO 形式存在的氧，并提供液态钢碳吸收至所需水平。无烟煤和石油焦是炼钢中常用两种增碳剂。碳回收率取决于增碳剂粒度质量、加入方式、加入时间，预期 85%–95%。增碳剂高灰分降低入浴碳、增多生渣。生铁或铸铁废钢输入碳更理想，碳回收更好。避免用极细颗粒增碳剂因过量损失。其他增碳剂：冶金焦、碳化铁、冶金碳化硅（63% Si、31% C）。碳化硅通常随废钢充入，优势：(1) 吸收更快，(2) 兼作脱氧剂，(3) 改善衬寿命。

除冶金料和增碳剂，炼钢还用脱氧剂。脱氧剂为铁合金（硅锰、锰铁、硅铁）和铝。铁合金收得率取决于其规格（粒度、等级、成分）。

基于材料分析准确计算充料配比必要。精确称重和计量充料材料及添加剂（增碳剂、脱氧剂）是最小化熔化时间和功率需求、确保液态钢成分正确的基本前提。使用清洁干燥充料材料对获得好结果必要。

无论炉子手工或机械充料，充料材料须称重且适配炉子。可用行车秤称量充料。

充料与熔化操作

中频无芯感应炉炼钢无底料（跟渣）操作。材料充入空炉至炉线圈上缘。

上炉出钢后立即检查衬里状况，然后开始废钢充料。废钢充料开始即冶炼周期起算。充料材料质量、充料顺序对冶炼周期有实质影响。

首批废钢充入炉内即合闸送电，电流以高速率、相对低电压流经炉感应线圈，在线圈中央空间（坩埚所在）产生感应磁场。感应磁通穿过坩埚内可用充料产生。磁通通过废钢闭合回路，在废钢中感应产生涡流。涡流流经高电阻废钢浴产生巨大热量开始熔化。显然熔化速率主要取决于：(1) 磁通密度，(2) 充料紧实度。充料越致密、占据炉内空间越多，熔化时间越短、能耗越低。

充料中有足够材料允许施加功率时立即开始加热。目标是尽快尽高效将能量输入充料。能在整个冶炼周期持续提供最大功率的电源总能实现最佳熔化速率。充料经熔化过程，施加线圈电压允许增加。此增加给两优势：(1) 确保持续最大千瓦施加线圈，(2) 高线圈电压意味感应入充料电压更高，故充料接触加热更高效。典型比功率随充料熔化过程下降的电源提高 10% 熔化速率。

中频炉热量主要在充料外缘产生，但快速通过传导传至中心。很快炉底形成液态金属池，充料下沉。熔化材料沉降聚合，炉子可补料。中频炉不向液态浴充料，而是充到仍固态材料上。

此时需逐步追加充料。充料中产生涡流有其他用途：赋予液态钢熔动效果，使其搅拌混合更均匀加热。搅拌效应与炉频率成反比。熔化持续至炉体积约一半充满液态钢。此时取样分析，倾斜炉子将渣倒入渣锅脱渣。中频无芯炉产生渣通常不流动、较重粘稠、常干燥呈浮渣状。脱渣时电源须断开确保所有渣浮上表面可清除。断电时间越长对总体炉子利用率影响越大。

根据分析结果确定进一步废钢、海绵铁、增碳剂充料需求，继续充料。若浴面呈凸面，暂时降低功率输入使凸面变平、降低循环率。

海绵铁可直接加入液态金属，搅拌作用加速传热促进熔化。需注意有足够熔融池后再加海绵铁。

海绵铁充料时需连续除渣以平滑熔化操作。因渣在液面凝固阻碍海绵铁进一步熔化。连续除渣用勺舀出炉外。除渣通常用配长钢棒脱渣勺辅助，专门制作。勺除渣可行因此时渣厚、粘度高。人工除渣辛苦难受。

人工除渣可用渣凝固剂增强。渣凝固剂剥离将渣块结合以便铲起。若用渣凝固剂辅助除渣，其使用须严格控制防化学侵蚀炉衬材料。

选用清洁合适充料材料和高全铁海绵铁可减少渣量。提高熔化速率也减少生渣。

高比例海绵铁充料时，需向浴加碳（无烟煤/石油焦）除氧。海绵铁中氧以 FeO 形式存在，与液态浴中碳剧烈反应改善传热、渣金属接触和浴均匀性。液态浴碳含量须维持适当水平以在熔化期维持适当碳沸腾。所需碳量（C，kg）还原海绵铁 FeO 含量公式：C = 1.67 [100 − %M − {(%渣/100) × %Fe}]。M 为冶金化度，Fe 为渣中铁量。

成品处理、出钢与空炉

液位达到线圈上缘（即冶炼近完成），用浸入式探针取浴分析样和测温度。此活动功率保持待机。温度测量和分析样取完立即恢复保持功率。为准确快速，通常做光谱分析。

根据分析结果在浴中做修整添加调整浴成分。修整材料熔化，浴温升至出钢温度下 80–100°C。修整用增碳剂需细粒以增大表面积确保快速溶解。

出钢包准备好时，炉子除渣升至出钢温度。中频炉此活动需 2–5 分钟。出钢温度决定须考虑铁合金加入冷却效应。出钢前少量铁合金充入炉内避免出钢时沸腾。

浇注包底放入所需铁合金和增碳剂（如需），出钢。出钢过程中炉子排空越快越好。排空时间影响炉子利用率。

安全注意事项

冶炼过程始终伴随熔融材料危险，无法总是精确预估。常说已知危险非危险，或至少可预料对抗的危险。感应炉炼钢重要安全相关问题源于：熔融金属以飞溅、大小液滴形式喷射、熔融浴热辐射、水蒸气爆炸。这些发生机理说明如下。

极小金属部件接触熔融浴被喷出产生相对低体积金属飞溅。若这些部件也湿/潮湿，导致大小液滴喷射。操作地板操作员暴露于大量热量。若操作员未用合适个人防护装备（PPE），可导致皮肤烧伤和眼部损伤。

水蒸气爆炸总发生在液体进入浴表面下时。极端情况下，1 cm³ 水深入表面下可瞬间膨胀至原体积 1600 倍。水在熔化过程中可从充料材料或潮湿工具进入熔融浴。

操作感应炉时，捣打料可能受损，熔融物前移至线圈。若此状况导致线圈绕组堵塞和水释放，水也可渗入熔融物下方，导致熔融物猛烈向上喷射。可引起强大水蒸气爆炸将熔融物抛至炉台。

重要预防措施和安全事项如下。

• 工作场所整洁：炉台始终保持整洁，必要工具就绪放置妥当位置。其他材料/物品随意放置须立即清除。
• 工作场所充足照明：确保炉台异常或问题及时识别整改。
• 设备、操作开关、电气液压线路损坏须记录日志并报修维护。指示灯为安全装置，需计划间隔测试。
• 每次空炉或出钢后目视检查坩埚状况。坩埚壁可能裂纹由暗痕指示，可进一步仔细检查。
• 准备充料材料时检查。管子、管材或空心部件须手工分拣，检查确无积水，因可导致水蒸气爆炸。
• 访客或其他区域人员须知晓危险，被告知保持安全距离。
• 炉子操作地板人员最低 PPE：安全帽、安全鞋、长裤、棉质衣物、带侧护护目镜。
• 紧急出渣槽必须始终保持干燥清洁。
• 炉体每周检查一次，每月清理灰尘、废钢小颗粒等杂质。
• 漏油须清理并用沙覆盖漏点，定位漏点并修复。
• 炉台须有两条紧急逃生路线，事故时可用。路线始终保持畅通，甚至短时间不得阻塞。
• 熔融浴中使用金属工具且炉子合闸时，工具须接地，或操作员至少穿干燥皮手套。此类工作仅在炉子断电时进行。工具浸入前须在浴上方预热去除潮湿/湿气。
• 避免搭桥形成防止熔融物意外突破外部。若形成搭桥，炉子断电倾斜，用细手钎接触熔融物。某些情况下可低功率倾斜位熔化搭桥，然后基本位置通过此开口补料再完全熔化。
• 炉内满熔融物时发生停电，不知修复需时长，须确定后续程序。两选项：让熔融物凝固，或排空坩埚。
• 带电部件对地电气绝缘用接地继电器测量。若地电位熔融物接近线圈，电阻下降，系统须跳闸。
• 倾斜位作业时，炉子须防倾倒固定。推出坩埚时也须固定炉子。

坩埚状况需目视检查，用测量装置确定剩余壁厚。可从频率显示评估平均剩余壁厚。