金屬滲漏探測裝置在有芯爐上的應(yīng)用

吳小淵

(銅陵金威銅業(yè)有限公司， 安徽 銅陵 244000)

金屬滲漏探測裝置在有芯爐上的應(yīng)用

吳小淵

(銅陵金威銅業(yè)有限公司， 安徽 銅陵 244000)

國外一種新型銅液滲漏探測裝置，應(yīng)用于有芯爐感應(yīng)器，可以動態(tài)監(jiān)視感應(yīng)器耐火材料的使用壽命。通過觀察水冷套泄漏電流變化趨勢，提前安排更換感應(yīng)器，避免發(fā)生漏爐事故。

滲漏； 接地電流； 探測； 耐火材料

0 前言

工頻有芯感應(yīng)爐具有排氣性好、電熱效率高、氧化燒損少等優(yōu)點，在鑄造行業(yè)被廣泛使用。有芯爐的爐膛及其感應(yīng)器均采用耐火材料作為爐襯，隔離高溫液態(tài)金屬。相對爐膛來說，感應(yīng)器熔溝距離水冷套的爐襯厚度較薄，且要承受熔溝內(nèi)流動的液態(tài)金屬沖刷，同時高溫液態(tài)金屬也對耐火材料產(chǎn)生一定的侵蝕作用，因此，運行中爐襯的狀態(tài)不斷發(fā)生變化。當(dāng)耐火材料的磨損和侵蝕達到極限時，或因筑爐質(zhì)量存在缺陷的時候，如不及時發(fā)現(xiàn)就有可能發(fā)生金屬滲漏，造成重大的漏爐事故。當(dāng)然，耐火材料使用狀態(tài)的變化肉眼無法觀察到，只有通過特殊的檢測裝置判斷，才有可能及早發(fā)現(xiàn)、提前更換感應(yīng)器，避免發(fā)生漏爐事故。目前針對漏爐的檢測手段，在無芯爐上應(yīng)用比較普遍，但有芯爐與無芯爐結(jié)構(gòu)完全不同，因此鮮有使用，用戶大都根據(jù)自己的運行經(jīng)驗，估計爐襯狀況和使用壽命。實際生產(chǎn)中，往往存在著趕產(chǎn)量或者延長使用爐襯的僥幸心理，漏爐事故時有發(fā)生，給設(shè)備和人員帶來嚴重危害。金威公司引德國INDUGA工頻有芯感應(yīng)爐設(shè)備，生產(chǎn)無氧銅鑄錠，本文就感應(yīng)器滲漏原因及探測手段作簡要介紹。

1 設(shè)備介紹

無氧銅爐組采用工頻有芯爐，由兩臺熔化爐和一臺保溫爐組成。熔化爐為左右旋轉(zhuǎn)式桶型爐膛結(jié)構(gòu)，液壓缸驅(qū)動，有效容積34 t，爐體下側(cè)翼呈V字型分布兩臺1200 kW感應(yīng)器，通過自動加料裝置向爐膛送入陰極銅料進行熔化；保溫爐采用前后傾翻式方型爐膛結(jié)構(gòu)，液壓缸驅(qū)動，有效容積32 t，爐體下方配500 kW感應(yīng)器。熔化爐精煉好的銅液通過流槽注入保溫爐，由保溫爐向鑄造設(shè)備提供澆鑄銅液。熔化爐和保溫爐均采用逆變器電源供電，額定頻率55 Hz，自動化控制系統(tǒng)由西門子S7- 300系列PLC構(gòu)建，并配備HMI。

有芯爐的結(jié)構(gòu)主要包括上爐體、爐襯、感應(yīng)器等。上爐體是銅液和爐襯的載體；打結(jié)好的爐襯形成爐膛(也稱熔池)，用來承放銅液和銅料，爐襯起隔熱和保溫作用，能夠降低銅液的溫度損失；

感應(yīng)器是有芯爐核心部分，感應(yīng)器是熔化銅料的熱泵，通過感應(yīng)加熱方式將熔溝內(nèi)的銅液升溫，高溫銅液與上爐體熔池內(nèi)銅液熱交換，持續(xù)熔化熔池中銅料，達到熔化或保溫的目的。

1.1 感應(yīng)器工作原理

感應(yīng)器包括：線卷、鐵芯、水冷套、熔溝、耐火材料和殼體，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.外殼 2.耐火材料 3.熔溝 4.水冷套 5.線圈 6.鐵芯圖1 感應(yīng)器剖面示意圖

從基本工作原理上來說，感應(yīng)器等同于變壓器。

線圈相當(dāng)于變壓器一次側(cè)，采用兩只線卷并聯(lián)連接，W型銅熔溝相當(dāng)于匝數(shù)為2的二次側(cè)線圈。線圈固定在鐵芯柱上，放置于熔溝之內(nèi)。由法拉第電磁感應(yīng)定理可知，當(dāng)一次側(cè)線圈流過交流電流時，產(chǎn)生的交變磁通沿U字型鐵芯閉合，磁通穿過熔溝會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，當(dāng)熔溝回路閉合時則產(chǎn)生感應(yīng)電流。

法拉第電磁感應(yīng)定律公式為：

(1)

式中E—感應(yīng)電動勢，V；φ—磁通量，Wb；t—磁通變化時間，s。

熔溝電流計算公式為：

Iside=nI1

(2)

Icenter=2nI1

(3)

式中Iside—兩側(cè)熔溝電流，A；Icenter—中間熔溝電流，A；I1—線圈電流，A；n—單只線圈匝數(shù)。

熔溝具有一定的電阻值，由焦耳定律可知，電流通過導(dǎo)體所發(fā)出的熱量與電流平方、電阻和時間成正比。其焦耳定律表達式為：

Q=I2Rt

(4)

式中Q—導(dǎo)體的熱量，J；I—導(dǎo)體電流，A；R—導(dǎo)體電阻，Ω；t—電流流過導(dǎo)體時間，s。

因此，利用電流熱效應(yīng)將強大的電流轉(zhuǎn)換為熱能，加熱熔溝內(nèi)的液態(tài)金屬銅。在電磁壓縮力的作用下，熔溝內(nèi)的銅液產(chǎn)生快速流動，按照兩側(cè)流出中間流入的規(guī)律，以對流的方式將熱能傳遞給上部熔池中的銅液，使之加熱和熔化固體銅料。

1.2 銅液滲漏原因分析

從感應(yīng)器剖面圖中可以看出，熔溝水冷套之間填充著耐火材料，也稱之為爐襯。水冷套采用8 mm紫銅板卷制而成，內(nèi)圈蛇形焊接空心矩形銅管，主要是用來支撐耐火材料，蛇形銅管內(nèi)通冷卻水降低銅板溫度，隔離高溫耐火材料對線圈產(chǎn)生的熱輻射，提高線圈使用壽命。耐火材料的主要作用是形成熔溝槽，并且定位熔溝與水冷套之間相對位置，它經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)后形成W型熔溝腔體，銅液在溝槽內(nèi)急速流動。

造成銅液滲漏的影響因互素主要有三個方面：第一，高溫銅液對耐火材料貫氣孔具有侵入和填充作用。耐火材料完成燒結(jié)后，熔溝周圍自動形成三層不同結(jié)構(gòu)爐襯，即：燒結(jié)層、過渡層和松散層，松散層與水冷套相鄰。正常情況下，金屬液體不能透過燒結(jié)層，而凝固在燒結(jié)面的等溫線上，滲透面與耐火材料表面平行，在銅液的流動、沖刷及振動等外力作用下，逐漸產(chǎn)生網(wǎng)狀裂紋，裂紋被金屬滲透并填充，當(dāng)滲透逐漸擴大時，改變了燒結(jié)層的應(yīng)力結(jié)構(gòu)，引起熱膨脹，導(dǎo)致裂紋不斷增加，過渡層被侵蝕，直至進入松散層。第二，筑爐工藝引起質(zhì)量缺陷。感應(yīng)器耐火材一般都采用人工打結(jié)，要求逐層打?qū)?，并且一氣呵成，否則在燒結(jié)過程中內(nèi)部會發(fā)生松動而產(chǎn)生裂紋。第三，感應(yīng)器爐襯接合面過盈。感應(yīng)器接合面部位打結(jié)過高，與爐體裝配對接時，如果將聯(lián)接螺栓直接緊固到位，會造成上下爐襯嚴重擠壓，導(dǎo)致水冷套下沉而改變耐火材料的致密結(jié)構(gòu)，燒結(jié)后容易產(chǎn)生裂紋。

因此，感應(yīng)器爐襯一旦產(chǎn)生裂紋，銅液就會侵入耐火材料，并逐漸靠近水冷套，到達爐襯滲透臨界厚度時，熔溝內(nèi)銅液貫穿爐襯，燒壞水冷套，造成漏爐事故。

2 漏爐探測系統(tǒng)

在了解感應(yīng)器滲漏特征后，可以總結(jié)出一個規(guī)律，滲漏之前銅液會有個滲透的演變過程，并且銅液是逐漸靠近水冷套，因此，探測銅液與水冷套的接近程度，就可以判斷出滲透變化情況。該探測系統(tǒng)正是利用這一特征，對銅液的滲漏情況進行探測。

2.1 漏爐電流產(chǎn)生原理

感應(yīng)器線圈通工頻交流電，根據(jù)電磁感應(yīng)的原理，兩側(cè)均閉合的熔溝中感應(yīng)出強大的感應(yīng)電流，電流方向判定遵照楞次定律。W型熔溝套在U型鐵芯上，穿過兩側(cè)熔溝的磁力線方向相反，則兩側(cè)感應(yīng)電流方向相反。由于兩側(cè)線圈匝數(shù)相等，因此理想情況下熔溝左側(cè)與右側(cè)流過的電流I相等，中間部為2I。根據(jù)電流的磁效應(yīng)，通電熔溝周圍將產(chǎn)生磁場，而且越靠近熔溝磁場強度越大，利用安培定則可以判斷出磁場方向，如圖2所示。交變的磁力線穿過水冷套產(chǎn)生感應(yīng)電勢。正常情況下，由于水冷套距離熔溝距離較遠，磁場強度較低，穿過水冷套的磁通量較小，因此產(chǎn)生微弱的感應(yīng)電勢可以忽略。如果任意一側(cè)熔溝發(fā)生滲透，并向水冷套方向靠近，這時水冷套附近的磁場強度增大，穿過水冷套的磁通量隨之增大，感應(yīng)電勢增強。若將水冷套接地，則水冷套與大地之間將產(chǎn)生接地電流(稱之為漏爐電流)。熔溝滲透越靠近水冷套，接地電流越大。

圖2 熔溝磁場分布圖

從圖2中可以看出，左右兩側(cè)熔溝產(chǎn)生的磁場方向是相反的，因此兩只水冷套感應(yīng)電動勢在相位上相差180度。如果滲透點A與滲透點B同時出現(xiàn)，則水冷套A與B之間電勢差增大，若將AB水冷套之間用導(dǎo)線連接，則此導(dǎo)線中產(chǎn)生很大的環(huán)流。

2.2 IRIS探測系統(tǒng)

IRIS漏爐探測系統(tǒng)，主要由信號采集箱、滲漏監(jiān)視儀表及PLC控制系統(tǒng)組成。信號采集箱與水冷套電流檢測回路通過35 mm2電纜連接，采集的漏爐電流通CT轉(zhuǎn)變?yōu)?～5 A至IRIS儀表。該系統(tǒng)具有漏爐電流檢測、線圈水冷套短路檢測和故障報警功能。一旦銅液有滲漏的傾向，水冷套上的滲透電流在IRIS儀表中被顯示出來，并可在HMI中查詢電流的歷史曲線，觀察其變化規(guī)律。接線方式如圖3所示。

圖3 滲漏探測系統(tǒng)圖

熔溝正常的情況下，漏爐監(jiān)視儀表上顯示的漏電流為0。當(dāng)熔溝和水冷套之間的耐火材料發(fā)。

生金屬滲透時，水冷套的感應(yīng)電勢就會出現(xiàn)，并且隨著銅液的靠近，電感耦合越來越強，產(chǎn)生的電流也越來越大，漏爐監(jiān)視儀將0～5 A電流變?yōu)?～20 mA信號至PLC模塊，HMI中將實時顯示滲漏電流。

根據(jù)使用經(jīng)驗，50 A的滲透電流為漏料前的安全極限值，因此將過電流報警信號設(shè)為50 A。當(dāng)監(jiān)視儀發(fā)出過電流報警信號，PLC立即切斷感應(yīng)器電源。如果感應(yīng)器線圈與水冷套之間有異物，泄漏電壓超過40 V時，過電壓保護將動作，發(fā)出報警信號并切斷感應(yīng)器電源。同時，該系統(tǒng)還可具有斷線報警功能，防止大電流燒斷探測裝置與水冷套之間的連接電纜，造成漏爐探測失效。

3 應(yīng)用效果

該投備投入運行6年來，出現(xiàn)過多起漏爐報警。第一次發(fā)生漏爐報警時，為進一步判斷，屏蔽了報警信號后，將兩只水冷中間過橋線斷開，用鉗形電流表分別測量兩只水冷套漏爐電流，測量數(shù)據(jù)見表1。而將過橋線接上后，通電125 kW過橋線立即被燒斷。

由于當(dāng)時生產(chǎn)任務(wù)比較緊，心存僥幸心理，將報警信號屏蔽后繼續(xù)生產(chǎn)，9天之后便出現(xiàn)了嚴重漏爐事故，感應(yīng)器水套和線圈全被燒毀，大量的銅液還流入了附近電纜溝，引發(fā)了二次事故，將鑄造設(shè)備電纜全部燒壞，造成很大損失。

表1 滲透電流實測數(shù)據(jù)

在吸取慘痛教訓(xùn)之后，操作人員密切監(jiān)視漏爐電流變化。之后幾年中分別出現(xiàn)過三次漏爐報警，技術(shù)人員進行了有效甄別，在滲透電流達到50 A前，就作了感應(yīng)器更換準(zhǔn)備，并將舊感應(yīng)器拆開檢查耐火材料，發(fā)現(xiàn)銅液確實已滲透至水冷套附近，如不及時更換就會釀成漏爐事故。

4 結(jié)束語

金屬滲透探測系統(tǒng)的應(yīng)用，對熔溝的侵蝕和滲漏狀況有了判斷依據(jù)，因此，可以有效利用耐火材料使用壽命。根據(jù)滲透電流變化的歷史曲線，合理安排生產(chǎn)，能夠避免重大漏爐事故。該探測系統(tǒng)在有芯爐設(shè)備上具有極高推廣價值。

[1] 趙濤，周子民，熊家政，李勇.噴流式感應(yīng)體熔溝內(nèi)金屬熔體流動數(shù)值仿真[J].大學(xué)學(xué)報，2010，31(1)：53-57.

[2] 李恩琪，殷經(jīng)星，張武城.鑄造用感應(yīng)電爐[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

ApplicationofMetalInfiltrationDetectionDeviceinCoreFurnace

WU Xiao-yuan
(Tongling Jinwei Copper Co., Ltd. Tongling 244000, China)

A new type of copper liquid leakage detection device in abroad, applied in the channel inductors, can dynamically monitor service life of refractory material of the channel inductors. By observing the protection cylinder leakage current trends, inductor replacement is arranged ahead of time, and avoids leakage accident of furnace.

infiltration； grounding-current； detection； refractory material

2014-10-12

吳小淵(1972-)，男，安徽銅陵人，工程師，大學(xué)本科，主要從事中頻電源及電氣自動化應(yīng)用的研究。

TF806

B

1003-8884(2014)06-0040-03