一种坩埚式工频感应电炉熔炼过程的控制方法及控制系统

摘要

本申请提供了一种坩埚式工频感应电炉熔炼过程的控制方法，实时测量电炉的运行电压和炉料的熔炼温度，当电炉的运行电压、运行功率、炉料的熔炼温度、电炉在预设电压值条件下运行时间满足预设条件时，依据预设的电压值调节电炉的运行电压。首次加料时向坩埚式工频感应电炉加入炉料总量50％~60％的炉料，第二次加料时加入剩余的炉料。采用本申请的一种坩埚式工频感应电炉熔炼过程的控制方法和控制系统，在炉料熔炼过程中，依据熔炼的进度中电炉的运行电压、运行功率、炉料的熔炼温度、电炉在预设电压值条件下运行时间满足预设条件情况下，对电炉的运行电压进行调节，提高了电炉的工作效率、降低能耗。

说明书

技术领域

本申请涉及金属熔炼技术领域，特别涉及一种坩埚式工频感应电炉熔 炼过程的控制方法及控制系统。

背景技术

感应电炉是利用金属物料的感应电效应而使物料加热或熔化的电炉， 工频感应电炉是以工业频率的电流（50或60赫兹）作为电源的感应电炉。

如图1所示的坩埚式感应电炉示意图，包括金属炉料001、耐火材料 坩埚002、感应线圈003、导磁体004和构架005。由铜管绕制成的感应 线圈绕在坩埚外面，金属炉料装在坩埚内。当感应线圈通以交流电时产 生交变的纵向磁通，一部分磁通穿过金属炉料，在金属炉料表面一定深 度内产生感应电流，金属炉料因此发热直到熔化。在整个金属炉料的加 热过程中，热量从金属炉料表面向中心传递，直到全部金属炉料熔化， 熔炼结束。

目前常用的工频坩埚式感应电炉的熔炼过程中，一般采用炉料熔化成 金属液体以后时段的最高电压为电压上限，电炉的上限电压为设定的固 定值，而且在熔炼过程中电炉的电压保持在电压上限运行。

金属炉料的电阻在熔炼的过程中随着温度的升高而发生很大的变化， 当电炉的电压为定值时，导致电炉的能力不能得到最大发挥，效率低。 所以，在工频感应电炉的熔炼过程中采用定值电压，电炉的工作效率低、 能耗高。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种坩埚式工频感应电炉熔炼过程的控制方法及 控制系统，通过在熔炼过程中对电炉的电压进行调节控制，提高电炉的工作 效率。

一种坩埚式工频感应电炉熔炼过程的控制方法，包括：

向坩埚式工频感应电炉内加入第一预设量的炉料，保持所述电炉的运 行电压维持在第一预设电压值，实时检测所述电炉的运行功率，当所述 电炉的运行功率降低时，依据预设的功率设定值调节所述电炉的运行功 率，并将所述电炉的运行电压由第一预设电压值升高至第二预设电压值；

所述电炉的运行电压达到第二预设电压值时，解除所述电炉的功率调 节控制，并保持所述电炉的运行电压为所述第二预设电压值，当所述电 炉在所述第二预设电压值条件下的运行时间满足第一预设时间值时，向 电炉内加入第二预设量的炉料；

当所述电炉在所述第二预设电压值条件下的运行时间满足第二预设 时间值时，将所述电炉的运行电压由第二预设电压值降低至第三预设电 压值，当所述电炉的运行电压达到第三预设电压值时，保持所述电炉的 运行电压为所述第三预设电压值，当所述电炉内炉料的熔炼温度达到预 设温度时，结束熔炼。

上述的控制方法，优选的，所述第一预设量为第一预设量和第二预设 量之和的50％~60％。

上述的控制方法，优选的，向电炉内加入炉料的过程为持续加料过程。

上述的控制方法，优选的，还包括：

对所述电炉的运行电压、运行功率、在预设条件下的运行时间和炉料 的熔炼温度中至少一项进行显示。

上述的控制方法，优选的，还包括：

当所述电炉的运行电压、运行功率或在预设条件下的运行时间中任一 超出其对应的预设范围时，触发警报。

上述的控制方法，优选的，还包括：

熔炼结束后，将所述电炉中的炉料完全倾倒出。

一种坩埚式工频感应电炉熔炼过程的控制系统，包括：

电压测量模块，用于实时测量实时电炉的运行电压；

温度测量模块，用于实时测量所述电炉内的熔炼温度；

第一电压控制模块，用于向所述电炉内加入第一预设量的炉料后，当 得到电压测量模块测量得到的所述电炉的运行电压达到第一预设电压值 时，保持所述电炉的运行电压为所述第一预设电压值；

功率测量模块，用于实时测量所述电炉的运行功率；

第二电压控制模块，用于当所述电炉在所述第一预设电压值条件下， 所述电炉的运行功率降低时，将所述电炉的运行电压由第一预设电压值 升高至第二预设电压值；

功率控制模块，用于所述炉料的运行电压达到第一预设电压值后，当 所述电炉的运行功率降低时，依据预设的功率设定值调节所述电炉的运 行功率，以及当所述电炉的运行电压达到第二预设电压值时，解除所述 电炉的功率调节控制；

第三电压控制模块，用于当所述电炉在所述第二预设电压值条件下的 运行时间满足第二预设时间值时，将所述电炉的运行电压由所述第二预 设电压值降低至第三预设电压值并保持在所述第三预设电压值。

上述的控制系统，优选的，还包括：

加料控制模块，用于依据所述第一预设量和所述第二预设量控制炉料 的加入。

上述的控制系统，优选的，还包括：

显示模块，用于对所述电炉的运行电压、运行功率、在预设条件下的 运行时间和炉料的熔炼温度中的至少一项进行显示。

上述的控制系统，优选的，还包括：

报警模块，用于当所述电炉的运行电压、运行功率或在预设条件下的 运行时间任一超出其对应的预设范围时，触发警报。

一种坩埚式工频感应电炉熔炼过程的控制方法，包括：向坩埚式工频 感应电炉内加入第一预设量的炉料，保持所述电炉的运行电压维持在第 一预设电压值，实时检测所述电炉的运行功率，当所述电炉的运行功率 降低时，依据预设的功率设定值调节所述电炉的运行功率，并将所述电 炉的运行电压由第一预设电压值升高至第二预设电压值；所述电炉的运 行电压达到第二预设电压值时，解除所述电炉的功率调节控制，并保持 所述电炉的运行电压为所述第二预设电压值，当所述电炉在所述第二预 设电压值条件下的运行时间满足第一预设时间值时，向电炉内加入第二 预设量的炉料；当所述电炉在所述第二预设电压值条件下的运行时间满 足第二预设时间值时，将所述电炉的运行电压由第二预设电压值降低至 第三预设电压值，当所述电炉的运行电压达到第三预设电压值时，保持 所述电炉的运行电压为所述第三预设电压值，当所述电炉内炉料的熔炼 温度达到预设温度时，结束熔炼。采用本申请的一种坩埚式工频感应电 炉熔炼过程的控制方法，在炉料熔炼过程中，依据熔炼的进度对电炉的 运行电压进行调节，提高了电炉的工作效率、降低能耗。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述 中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅 仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创 造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是坩埚式感应电炉示意图；

图2是本申请一种坩埚式工频感应电炉熔炼过程的控制方法实施例1 的流程图；

图3是本申请一种坩埚式工频感应电炉熔炼过程的控制方法实施例2 的流程图；

图4是本申请一种坩埚式工频感应电炉熔炼过程的控制方法实施例3 的流程图；

图5是本申请一种坩埚式工频感应电炉熔炼过程的控制系统实施例1 的结构示意图；

图6是本申请一种坩埚式工频感应电炉熔炼过程的控制系统实施例2 的结构示意图；

图7是本申请一种坩埚式工频感应电炉熔炼过程的控制系统实施例3 的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案 进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实 施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术 人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本 申请保护的范围。

本发明的一种坩埚式工频感应电炉熔炼过程的控制方法及控制系统 应用于铸造铁用的坩埚式工频感应电炉上，每次熔炼结束后，将所述电 炉中的炉料完全倾倒出，即每熔炼一炉炉料需要清空一次炉。

实际实施中，每炉熔炼时间约为2小时。

申请号为85107606的专利中提供了一种能够调节电炉运行功率的电 路，依据该专利中的电路，能够对电炉运行功率进行调节。

参见图2，示出了本申请一种坩埚式工频感应电炉熔炼过程的控制方 法实施例1的流程图，包括：

步骤S101：向坩埚式工频感应电炉内加入第一预设量的炉料，保持 所述电炉的运行电压维持在第一预设电压值，实时检测所述电炉的运行 功率，当所述电炉的运行功率降低时，依据预设的功率设定值调节所述 电炉的运行功率，并将所述电炉的运行电压由第一预设电压值升高至第 二预设电压值；

熔炼开始，向坩埚式工频感应电炉内加入第一预设量的炉料，第一预 设量为加入炉料总量的50％~60％，实时测量电炉的运行电压，当所述运 行电压没有达到第一预设电压值时，调节该运行电压到第一预设电压值， 当所述电炉的运行电压达到第一预设电压值时，保持电炉的运行电压在 该第一预设电压值。

当感应电炉的感应线圈通以交流电时产生交变的纵向磁通，一部分磁 通穿过炉料，在炉料表面一定深度内产生感应电流，炉料开始发热，温 度升高。

保持感应电炉的运行电压在第一预设电压值时，实时测量感应电炉的 运行功率，由于金属的特性，感应电炉内的金属炉料随着温度升高，炉 料电阻开始时会升高，导致电炉的功率开始下降。

当检测到感应电炉的运行功率降低时，依据预设的功率设定值调节所 述电炉的运行功率，调节感应电炉的运行功率到预设的功率设定值范围， 将该电炉的运行电压由第一预设电压值提升至第二预设电压值。

熔炼过程中的加料分为两次，首次加入为熔炼开始时的一次加入总加 料量的50％~60％。

实际实施中，首次加入的炉料量较多，电源的安装容量也要相应的较 高，以保证熔炼过程中的电量提供充足。

步骤S 102：所述电炉的运行电压达到第二预设电压值时，解除所述 电炉的功率调节控制，并保持所述电炉的运行电压为所述第二预设电压 值，当所述电炉在所述第二预设电压值条件下的运行时间满足第一预设 时间值时，向电炉内加入第二预设量的炉料；

由于电压与功率的关联性，当电炉的运行电压达到第二预设电压值 时，解除电炉的功率调节控制，不再对电炉的功率进行控制。

电炉的运行电压在第二预设电压值条件下运行，随着熔炼时间的推 进，炉料的温度继续升高，当电炉的运行电压在第二预设电压值条件下 运行时间满足第一预设时间值时，炉料电阻出现变化，此时开始向电炉 内加入第二预设量的炉料。

熔炼过程中的加料分为两次：

第一次为熔炼开始时，加入过程为持续加入过程，加料持续时间一般 达5min左右，且加入量为加入炉料总量的50％~60％；

第二次为当所述电炉在所述第二预设电压值条件下的运行时间满足 第一预设时间值时，加入炉料过程是分段持续加料过程，并持续到熔炼结 束前，且加入量为剩余的全部炉料，即剩余的40％~50％。

实际实施中，第一预设时间值可根据生产工艺进行设定。

实际实施中，两次加料一般都需要震动给料斗频繁加料，为防止一次 加料过多发生爆棚，加料是一个持续加料的过程，根据熔池上部余留空 间的大小和操作上的可能，结合工艺设计和熔炼经济性对加料过程进行 控制。

步骤S 103：当所述电炉在所述第二预设电压值条件下的运行时间满 足第二预设时间值时，将所述电炉的运行电压由第二预设电压值降低至 第三预设电压值，当所述电炉的运行电压达到第三预设电压值时，保持 所述电炉的运行电压为所述第三预设电压值，当所述电炉内炉料的熔炼 温度达到预设温度时，结束熔炼。

持续向电炉内加入第二预设量的炉料，随着熔炼时间的推进，当电炉 在第二预设电压值条件下运行时间满足第二预设时间值时，炉料状态进 一步变化，炉料电阻减小，为保证电炉的电功率稳定，电效率高，控制 降低电炉的运行电压，由第二预设电压值降低至第三预设电压值。

保持电炉的运行电压在第三预设电压值，测量电炉内炉料的熔炼温 度，当测得电炉内炉料的熔炼温度达到预设温度时，炉料全部熔化为液 态，熔炼结束。

实际实施中，第二预设时间值可根据生产工艺进行设定。

实际实施中，预设温度可根据实际的工艺需要进行调整和设定。

由于功率可以由电压和电流进行简单计算得到，实际实施时，对功率 进行实时测量的步骤，也可采用对感应电炉的运行电流进行检测，设置 运行电流的预设值，对功率的控制也可通过对运行电流的控制得到。

以额定功率6MW、额定炉容20t的坩埚式工频感应电炉为例，炉料 的第一预设量为10t~12t，即向电炉内第一次加入的炉料重量为10t~12t， 第一预设电压值为2400V，第二预设电压值为3000V，第三预设电压值大 小与第一预设电压值相同，为2400V，电炉的额定运行功率为6MW。

该20t感应电炉的熔炼过程为：

向电炉内加入重量为10t~12t的炉料，实时测量电炉的运行电压，当 所述运行电压没有达到2400V时，调节该运行电压到2400V，当所述电 炉的运行电压达到2400V时，保持电炉的运行电压在2400V的浮动范围；

保持电炉的运行电压在2400V，实时测量电炉内的运行功率，当该炉 料的功率开始下降时，保持电炉的当前运行功率，并将电炉的运行电压 由2400V提升至3000V；

保持电炉的运行电压在3000V，当电炉的运行电压在3000V条件下 运行时间满足第一预设时间值时，炉料之间电阻组成的导电带整体电阻 下降，解除电炉的功率稳定控制，电炉的功率开始回升，向电炉内加入 剩余的炉料（10t~8t）；

加料完成后，随着熔炼时间的推进，当电炉的运行电压在3000V条 件下运行满足第二预设时间值时，电炉内的炉料由固态变为液态，控制 降低电炉的运行电压到2400V，保持运行电压在2400V，测量炉料的熔 炼温度，当测得电炉内炉料的熔炼温度到达预设温度时，炉料全部熔化 为液态，熔炼结束。

参见图3，示出了本申请一种坩埚式工频感应电炉的熔炼过程的控制 方法实施例2的流程图，本实施例是在实施例1的步骤S103之后还包括：

步骤S104：对所述电炉的运行电压、运行功率、在预设条件下的运 行时间和炉料的熔炼温度中至少一项进行显示。

为了对电炉进行熔炼过程中的各项指标进行监测，对电炉的运行电 压、电炉的运行功率、电炉的预设条件下的运行时间以及炉料的熔炼温 度进行显示，显示的项目可为任意项或任意几项。

参见图4，示出了本申请一种坩埚式工频感应电炉的熔炼过程的控制 方法实施例3的流程图，本实施例是在实施例2的步骤S104之后还包括：

步骤S105：当所述电炉的运行电压、运行功率或在预设条件下的运 行时间中任一超出其对应的预设范围时，触发警报。

实际生产中，各个预设值不能完全精准达到，可预先设定浮动范围或 变化范围，当电炉运行过程中的运行电压、运行功率和在预设条件下的 运行时间都在其对应的范围内时，表示熔炼过程稳定，当其中任一项超 出浮动范围，触发警报进行报警，并对超出范围的项目进行显示。

与上述本申请提供的一种坩埚式工频感应电炉熔炼过程的控制方法 实施例相对应的，本申请还提供了一种坩埚式工频感应电炉熔炼过程的 控制系统实施例。

参见图5，示出了本申请一种坩埚式工频感应电炉熔炼过程的控制系 统实施例1的结构示意图，该控制系统包括：电压测量模块101、温度测 量模块102、第一电压控制模块103、功率测量模块104、功率控制模块 105、第二电压控制模块106、第三电压控制模块107和加料控制模块108。

熔炼开始，向坩埚式工频感应电炉内加入第一预设量的炉料，第一预 设量为加入炉料总量的50％~60％，电压测量模块101实时测量电炉的运 行电压。

从熔炼开始，电压测量模块101对电炉的实时的运行电压进行测量， 温度测量模块102对电炉内炉料的实时的温度进行测量，功率测量模块 104对电炉的实时的运行功率进行测量。

当所述运行电压没有达到第一预设电压值时，调节该运行电压到第一 预设电压值，当所述电炉的运行电压达到第一预设电压值时，第一电压 控制模块103保持电炉的运行电压在该第一预设电压值。

当感应电炉的感应线圈通以交流电时产生交变的纵向磁通，一部分磁 通穿过炉料，在炉料表面一定深度内产生感应电流，炉料开始发热，温 度升高。

保持感应电炉的运行电压在第一预设电压值时，功率测量模块104 实时测量感应电炉的运行功率，由于金属的特性，感应电炉内的金属炉 料随着温度升高，炉料电阻开始时会升高，导致电炉的功率开始下降。

当检测到感应电炉的运行功率降低时，功率控制模块105依据预设的 功率设定值调节所述电炉的运行功率，调节感应电炉的运行功率到预设 的功率设定值范围，第二电压控制模块106将该电炉的运行电压由第一 预设电压值提升至第二预设电压值。

电炉的运行电压在第二预设电压值条件下运行，随着熔炼时间的推 进，炉料的电阻下降，当电炉的运行电压在第二预设电压值条件下运行 时间满足第一预设时间值时，炉料之间电阻组成的导电带整体电阻下降， 电炉的功率开始回升，此时功率控制模块105解除电炉的功率稳定控制， 并向电炉内加入第二预设量的炉料。

熔炼过程中的加料由加料控制模块108控制，加料分为两次，首次加 入为熔炼开始时的一次加入总加料量的50％~60％。

第一次为熔炼开始时，加入过程为持续加入过程，加料持续时间一般 达5min左右，且加入量为加入炉料总量的50％~60％；

第二次为当所述电炉在所述第二预设电压值条件下的运行时间满足 第一预设时间值时，加入炉料过程是分段持续加料过程，并持续到熔炼结 束前，且加入量为剩余的全部炉料，即剩余的40％~50％。

随着熔炼时间的推进，当电炉在第二预设电压值条件下运行时间满足 第二预设时间值时，炉料状态进一步变化，炉料电阻减小，为保证电炉 的电功率稳定和电效率高，第三电压控制模块107控制降低电炉的运行 电压，由第二预设电压值降低至第三预设电压值。

第三电压控制模块107保持电炉的运行电压在第三预设电压值，当温 度测量模块102测得电炉内炉料的熔炼温度达到预设温度时，炉料全部 熔化为液态，达到熔炼要求，熔炼结束。

参见图6，示出了本申请一种坩埚式工频感应电炉的熔炼过程的控制 系统实施例2的结构示意图，本实施例是在实施例1提供的系统中包括： 显示模块109，用于对所述电炉的运行电压、功率、在预设条件下的运行 时间和炉料的熔炼温度中至少一项进行显示。

为了对电炉进行熔炼过程中的各项指标进行监测，显示模块109对电 炉的运行电压、电炉的功率、电炉的预设条件下的运行时间以及炉料的 熔炼温度进行显示，显示的项目可为任意项或任意几项。

参见图7，示出了本申请一种坩埚式工频感应电炉的熔炼过程的控制 系统实施例3的结构示意图，本实施例是在实施例2的提供的系统中还 包括：报警模块110，用于当所述电炉的运行电压、运行功率或在预设条 件下的运行时间中任一超出其对应的预设范围时，触发警报。

实际生产中，各个预设值不能完全精准达到，可预先设定浮动范围， 当电炉运行过程中的运行电压、运行功率和在预设条件下的运行时间都 在其对应的范围内时，表示熔炼过程稳定，当其中任一项超出浮动范围， 报警模块110触发警报进行报警，并在显示模块109中对超出范围的项 目进行显示。

实际实施中，可在各模块都设计运行电压、运行功率的变化范围和浮 动范围，各模块依据该范围对电炉的运行进行调节。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的 都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参 见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使 用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是 显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范 围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文 所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致 的最宽的范围。