中频炉

中频炉（又叫中频感应电炉）^[1]，一种将工频50Hz交流电转变为中频（150Hz以上至20kHz）的电源装置^[2]。工作时，中频炉把三相工频交流电，整流后变成直流电，再把直流电变为可调节的中频电流，供给由电容和感应线圈里流过的中频交变电流，在感应圈中产生高密度的磁力线，并切割感应圈里盛放的金属材料，在金属材料中产生很大的涡流。利用电磁感应原理，加热金属直至融化。^[3]

中频炉主要由电源、感应圈及坩埚（或称为炉衬）组成^[4][5]。坩埚位于感应圈和被加热融化的金属之间，一般由耐火层、隔热层、绝缘层组成。^[5]中频炉具有重量轻、体积小、热效率高、加热均匀、熔炼耗损少、熔炼选材广、更绿色环保、操作简单、控制精确、安全可靠和人工成本低等优点。^[6][7]中频炉多用于有色金属和黑色金属的熔炼和加热、机械零件局部热处理、航空航天、汽车制造、冶金、锻造以及机械加工上。^[2][7]中频炉分为有芯炉和无芯炉，常见类型有晶闸管并联型、晶闸管串联型、IGBT 并联型、ICBT 串联型。^[8]

1890年，瑞典研制出第一台感应炉——开槽式有芯炉。1961年，美国发明了闭槽有芯炉。^[9]1966年，瑞士BBC公司研制出第一台晶闸管中频电源。1969年，中国第一机械工业部开始组织研制中频电源。^[10]2003年以来，中国为实现工业可持续发展，确保完成节能减排约束性目标的绿色发展理念，生产“地条钢”的中频炉被列为淘汰的落后生产设备。^[11][12]

19世纪末期，工程技术人员开始将感应加热作为一种取代传统加热的方法。1890年，瑞典研制出第一台感应炉一开槽式有芯炉。10多年后，出现火花式中频电源。20世纪30年代，相继出现了性能上优于火花式中频电源的中频机组电源和固体式晶闸管变频电源。^[13]1961年，美国发明了闭槽有芯炉。^[9]1966年，瑞士BBC公司研制出第一台晶闸管中频电源，其他主要工业国家也相继推出晶闸管中频电源。1969年，中国第一机械工业部开始组织研制中频电源。1996年，中国中频电源设备研发仍处于仅有1000KW功率左右设备的控制水平低、炉子容量小的低技术水平。中国中频炉水平取得了重要突破，炉子容量、功率、可靠性、控制水平等均有提高。^[10]2009年，中国工信部发布《钢铁产业发展政策》，中频感应炉被列为加快淘汰的落后工艺技术装备。^[14]2010年，《部分工业行业淘汰落后生产工艺装备和产品指导目录（2010年本）》中，中频炉再次被列为需要淘汰的落后生产工艺装备和产品。^[15]2012年，《工业节能“十二五”规划》计划加快淘汰落后的无磁轭（≥0.25）铝壳无芯中频感应电炉、中频发电机感应加热电源等生产设备。^[11]2016年，《钢铁工业调整升级规划（2016-2020年）》要求全面关停、取缔生产“地条钢”的中频炉。^[16]

中频炉的主电路采用的都是交流-直流-交流的换流方式，先用整流器把工频市电整流成脉动直流电，再用滤波器把其变成平滑直流电，最后由逆变器逆变成单相中频交流电。感应圈在单相中频交流电通过时，利用变压器原理，将感应线圈电流和炉体的感生电流类比为变压器的原、次极电流，感应线圈产生与炉体轴线平行的交变磁场，金属炉料在交变磁场作用下产生感生电动势，在金属炉料内部形成涡流，钢料等铁磁材料在交变磁场作用下会被交变磁化，由于磁滞作用而产生磁滞损耗，炉料在涡流和磁滞作用下产生了热量，根据焦耳-楞次定律，输人线圈的电流越大，产生的热量越多，巨大的热量致使炉料升温、熔化。^[17][18]

中频炉加热过程中，交流电流通过被加热金属时，金属表层电流密度最大，而金属中心线上的电流密度最小甚至没有，沿金属截面上的电流密度分布是不均匀的，这种电流集聚在金属外皮的现象叫做集肤效应。^[19]

当两块被加热技术靠近时，在相互磁场作用下，两金属内的电流会挤聚在磁通最少的部位通过，这种现象叫做邻近效应。交流电通过圆形线圈时，最大电流密度出现在线圈导体的内侧，这种现象称为圆环效应。临近效应和圆环效应只是集肤效应的特殊表现形式，中频炉综合利用这三种效应来加热熔炼金属。^[19]

中频炉主要由电源、炉体（感应圈及感应圈内用耐火材料筑成的坩埚）、电容器组、冷却系统、控制和操作系统组成。^[20]

中频炉电源由可控硅或IGBT等电力电子元件组成，这些器件功率较大，须在风冷或水冷条件下工作。中频炉的补偿电容器采用电热电容器，也需要通水冷却。炉体的感应线圈工作电流很大，可达几千甚至上万安培，其自身电阻引起的发热量加上炉膛内高温金属液的热传导，决定了感应线圈必须通水冷却。由此可见中频炉水冷系统占有十分重要的地位。如果水冷系统出现故障，会直接引起设备故障，造成元器件损坏，甚至引起设备安全事故或造成人身伤害。^[21]

中频炉的冷却系统通常有水池+水泵的开放式冷却系统件、使用软化水或纯净水的闭路循环冷却系统、封闭冷却塔方式冷却系统、封闭式和敞开式双重冷却系统。^[22]

中频炉分为有芯炉和无芯炉，有铁芯穿过被融化金属的为有芯感应炉，只有熔化金属没有铁芯穿过的成为无芯感应炉。^[19]常见类型有晶闸管并联型、晶闸管串联型、IGBT 并联型、ICBT 串联型。

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中频炉具有熔炼耗损少、熔炼选材广、更绿色环保、操作简单、控制精确、安全可靠和人工成本低等优点。^[24]

中频炉是基于电磁感应原理加热金属的设备，感应加热的效率相比于传统加热提高30%-50%，能够有效节能减排，提高利用率。中频炉的加热速度快，有效的降低了被加热金属表面氧化层的损耗，通常会比传统加热方式节约2%的材料损耗。^[25]

中频炉设备体积小，重量轻，效率高，耗电少，熔化升温快，热加工质量优等优点，替代燃煤炉、燃气炉、燃油炉及普通电阻炉，是新一代的金属加热设备。^[24][26]

中频炉感应加热的方式芯表温差极小，在锻造时增加了锻模的寿命。^[27]中频炉是锻造及热处理车间的主要设备，与燃料炉、电阻炉、电弧炉等传统的加热炉相比，中频炉具有加热速度快、氧化脱炭少、节省材料与锻模成本、无污染、低耗能、加热均匀、芯表温差小等优点。^[27]感应炉烧损少、热损失较小、车间温度相对较低，在改善劳动条件、降低劳动强度、净化车间环境等方面效果显著。^[28]

中频炉中应用广泛的晶闸管电流型感应加热设备还存在调节范围小、功率因数低、启动能力低、控制电路不可靠等缺点。^[29][30]

中频炉的负载与电源通常被看做一个整体，负载会直接影响到电源整机的运行状态。在处理表面热处理一类的负载时通常采用变压器来连接负载与电源。对于超音频以及更高频率的电源时其匹配变压器的漏抗很小。如何选择匹配变压器来提高输入效率，绝大部分的感应加热电源都选择用品闸管作为主功率器件，采用双闭环控制方式。外环常为电压环，将系统负载反馈电压值与其给定值比较之后通过PI输出调节后的电压外环量。以电流环为内环，通过将负载反馈的电流值与给定值作比较之后通过PI调节器输出电流调节量，从而改变整流桥触发角，这样就能改变输出的直流电压从而改变了输出功率的大小。虽然能够调节输出功率，但是由于其是在直流侧调节，当负载改变时通常不能够很好的匹配电源，电源的输出功率往往达不到要求。^[31]

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中频电炉采用 200-2500Hz中频电源进行感应加热，熔炼保温，中频电炉主要用于熔炼碳钢，合金钢，特种钢，也可用于铜，铝等有色金属的熔炼和提温。^[33]

中频感应炉适合熔炼铸铁，特别适合熔炼合金和非合金铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁。中频炉停止向大容量发展，中频炉的熔化率远远超过了工频感应炉，小容量的中频感应炉代替大容量的工频感应炉，既减少了占地、降低了投资，又保证了铁液的连续供应，对于生产能力较大的铸铁生产尤为有利，例如，用于连续铸造或离心铸造球墨铸铁管生产，以中频感应炉取代冲天炉或以中频感应炉与高炉或冲天炉双联，并配以相应的保温炉，能充分发挥中频感应炉的生产能力。^[34]

在使用中频炉进行熔炼时，需要经过炉料准备、装炉、熔化、扒渣、继续升温、加难熔成分、全部熔化后加人冷却料、搅拌扒渣、出炉铸造等步骤。^[35][36]

中频电炉在开炉前必需要对电气设备、水冷却系统、感应器铜管等进行检查，只有在这几个设备完好的情况下才能开炉，确保热处理的安全性，否则禁止开炉；确定专门负责送电和开炉的人员，并且负责人员不得擅自离开岗位，工作期间必需对感应器和坩gān埚的外部情况进行监管，以防止有人在送电后触碰感应器和电缆，影响中频电炉的正常作业或发生安全意外。^[37]

中频电炉开炉后，炉内的钢模是不取出来的。烤炉时要采用加小料并填实的原则，避免局部打火而化掉内胆，使干料坍塌。在烤炉前尽量积攒一些小料。同时在升温过程中要严格观察钢模情况，出现打弧严重时应减小电流，避免电流过大引起钢模被电弧击穿而导致耐火材料的坍塌。连续开炉时，为减少因为反复骤热骤冷而导致炉衬的开裂，如果中频炉不能够连续使用，在一次使用完之后要在炉内加入金属炉料，并盖好炉盖，给金属炉料进行预热，防止因快速冷却造成炉衬的裂纹。铁液出炉时，炉内剩余的铁液在不影响材质及加料不飞溅的情况下可以适当多些，不但可以加快金属炉料的熔化速度，还可避免炉料直接撞击炉底，一包铁液出炉后，应将炉体摇回，以减少炉内铁液对中频炉后壁的烘烤。^[38]

中频炉要定期（2星期或半个月）停机进行系统全面的检查，通过调试各种性能，及时了解设备状况。检查通常包含一下方面：

1、设备运行初期，应更多注意其运行情况，因为这些设备有很多电子元件，往往要运行一段时间后才能稳定下来，及时发现问题，消除隐患。

2、检查逆变阻容保护是否完好，上面的线槽是否发生掉落，发现掉落必须立刻用扎带扎好。

3、定期检查连接导体有无氧化发热现象，螺是否松动，门开关是否可靠，继电器、接触器的引线是否松动，触头是否烧损。若出现松动或接触不良现象，则需要修理更换。

4、检查中频炉电源柜内的水路分配器的水嘴。水嘴出现严重老化堵塞，直接更换全套水分配器，将整个水分配器全部换下。水嘴单独拆除再水路分配器上进行焊接，耗时会非常长，造成高昂的时间成本。对于针对敞开式水路系统而言，水分配器的更换周期大概在3个月左右，如果全封闭系统，更换周期不要超过1年。

5、检查水冷系统，检查冷却水管有无老化、弯折、水流不畅或渗漏，中频电炉使用自来水、地下水作为冷却的，必须经常清理水垢。发现塑料水管等制品老化产生裂纹时，应第一时间更，。

6、定期调校保护电器元件的工作性能，高低压熔断器是否合乎要求，均压元件、浪涌吸收元件等有无脱落、松动现象。更换或清洗中频炉相关设备的关键部件。

7、定期险查各单元电压、脉冲波形以及整流器、逆变器中各环节的波形，检测中频炉的额定电压、电流，防止电路出现不灵的情况。

8、透热感应圈内不能有氧化皮积存，要做好清理工作；隔热炉衬出现裂纹要及时更换；熔炼炉在更换新炉衬后，必须加强后续观察；绝缘变频装置的负载易出现故障，而不容易被发现一旦发生问题，引发连锁反应的概率极大，往往还会波及变频电源。对负载的维护是重中之重，也是防止故障扩大重要举措。

9、经常检查接地系统的可靠性，每年在干燥季节中测量接地电阻，查明是否符合要求。

10、经常倾听装置中各部分的声音，如整流桥或逆变桥在个别桥臂上未参加工作，有关的电抗器有会发出异常声响。

11、注意环境卫生和设备清洁，对摆放中频炉的房间进行定期性的打扫与清理，清除积尘。

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炉龄又称炉衬寿命，是指中频感应炉炉衬从投入使用到更换新炉衬为止，一个炉衬在役期间所炼合金的总炉数。是衡量中频感应炉生产水平的一项综合性指标。代表了中频炉的技术装备、操作水平、生产管理的水平，也决定了生产能力和生产成本的高低。为了延长炉衬的使用寿命，需要正确的选择适合熔炼的优质炉衬材料，一般来说，熔炼普通钢采用经过技术处理的冶金镁砂也就是中频感应炉专用镁砂，熔炼高锰钢采用中频感应炉专用镁砂加中档镁砂或高纯镁砂，熔炼不锈钢则采用电熔镁砂。中频炉的容积大小也会影响炉衬的使用寿命，容积越大，炉衬寿命越短。控制熔炼的温度、适当增加炉衬厚度、控制炉渣的碱度和提升炉衬的打结密度等措施能有效提高炉衬的使用寿命。^[41]

1、操作工必须熟悉中频电源设备性能，技术要求，熟练掌握电炉的所有开关、按钮、水阀的操作方法和操作程序。

2、中频电炉操作时必须穿戴好个人防护用品。

3、开炉前必须对水泵水路，电器进行严格检查，检查确认设备完好后，方可通电开炉。

4、中频炉炉膛冲刷不得大于壁厚的三分之一。否则，停止使用。

5、往炉内投料时，严禁将密封容器，易燃物品和带有水的物体投炉，以防伤人。应使用专用钳子加料，不可用手直接投放，加入的物料应予热，防止加料时造成飞溅。

6、电源应缓慢启动，启动后仔细观察各功能仪表，确认正常后才可缓慢升功率，功率只能缓升缓降，不允许突升突降，以免损坏加热元件。

7、电炉在运行中应经常检查、巡视，观察水温、水流量是否有异常变化，是否有渗、漏水现象，听声音是否正常，闻气味是否有焦臭味，观察各功能仪表是否平稳变化。

8、中频炉在工作期间，要按人员分工坚守工作岗位，不准在炉前打闹聊天。

9、溶液出炉时，应有专人统一指挥。

10、电炉在维修或取料时，必须断电，严禁带电作业。

11、应经常注意检查炉衬，炉膛和炉底，发现侵蚀及裂纹应立即停炉进行修补。

12、下班前先切断电源，再清理设备、整理工具、打扫场地。

13、中频炉电气或油类起火时，应采用干粉灭火器灭火，同时通知消防部门灭火。

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自2009年工信部发布《钢铁产业发展政策》到2016年工信部发布的《钢铁工业调整升级规划（2016-2020年）》，明确要求全面取缔生产“地条钢”的中频炉、工频炉产能。^[14][44]中国各省份展开全面排查“地条钢”行动，在河北、江苏、山东、四川、安徽、辽宁、湖北和甘肃等8个省份的整治行动涉及中频炉产能达9322万吨，仅唐山地区中频炉企业涉及产能就达1281万吨，综合各机构数据显示，目前中国中频炉产能约在0.9亿至1.2亿吨之间。^[45]分析师表示，此次行动力度之大致各地中频炉厂家纷纷叫停，短期内废钢需求骤降，但长期来看，对整个钢铁行业利好远超利空。^[46]2024年5月，天津市开展中频炉使用安全专项整治，全面梳理摸排中频炉底数，掌握中频炉数量及分布情况。^[47]