中频感应烧结炉常见故障分析
与改进研究
作者：
单位：金堆城钼业股份有限公司金属分公司 时间：二〇一一年十月二十日
中频感应烧结炉常见故障分析
与改进研究
摘
要：中频感应烧结炉加热技术具有快速、清洁、节能、易于实现自动化和在线生产、非接触加热等特点，被广泛应用于有色金属的冶炼行业。但该设备控制部分故障频率较高严重影响了该设备能力的发挥。本研究工作针对中频感应烧结炉常见故障，从电气控制部件入手采用全新的方法进行改进，减少故障发生的机率，降低维修成本，提高设备运转率。
关键词：中频感应烧结炉；炉胆；炉体；感应圈；电力电容器
0 前 言
目前，随着科学的进步，材料学科进一步发展，钼制品的高温烧结多采用中频感应进行加热。而金钼股份金属分公司于1994年开始引进中频感应烧结炉，发展到现在数量已达到18台，产能从原来的每个月5吨，已发展到现在的每月200吨，无论从数量上还是产能上都发生了飞跃式的发展，然而中频感应烧结炉的故障维修一直困扰着企业，通常故障点不明显，排查因素多，并且在通常情况下维修时间长，这些原因严重影响了中频感应烧结炉的运转率。本文的研究工作总结了本人自身十几年来的中频感应烧结炉维修与实践经验，从电气控制部分入手，进行了全面的对比分析并且讲述了故障易发点形成的原因，以及其解决方案。 1 中频感应烧结炉的工作原理及电气原理 1.1中频感应烧结炉的工作原理
中频感应烧结炉所应用的原理主要是来源于法拉第所发现的电磁感应现象，也就是交变的电流会在导体中产生感应电流，从而导致导体产生发热的现象，感应加热是电加热的良好形式之一，它是
利用法拉第电磁感应原理将电能转变为热能，使三相电源通过中频感应电源变为中频交变电流，而当交变电流通过圆形感应线圈后，就会产生交变感应磁场，也就是说会产生大小和方向都随时间改变的交变磁通Φ。当把一块导电金属（对于金属分公司烧结钼制品来说，其中钼压坯就相当于其中的导体）放在感应线圈内时，根据法拉第电磁感应定律，金属内部就会产生相应的感应电动势е，由于金属是导体也就会因为感应电动势的存在产生感应电流Ⅰ2，这个感应电流I 2就叫做涡流，又根据焦耳——楞次定律，涡流在具有一定电阻的金属内部流动的时候就会产生一定的热量Q，从而使该金属被加热。其原理图如图1所示
图1 感应加热工作原理图
1.2 中频感应烧结炉的电气原理
首先，将三相中频交流电通过由6只晶闸管元件组成的三相桥式全控整流电路整流为直流，经过电抗器平波之后，成为一个恒定的直流电流源，再经单相逆变桥，把直流电流逆变成为具有一定频率的单相中频电流，供给感应线圈，为了要补偿线圈的无功功率,在线圈的两端需并联补偿电容,这就组成了LC 震荡回路。
图2中频炉电源框图
金钼股份金属分公司使用的中频感应烧结炉要求具有烧结时间长并且运行稳定的特点，其中频装置进线采用380v三相电源，其额定输出功率有160kW、250kW、350kW、450kW、500kW、1500kW六种，中频电压750v。并且装有相序指示电路及显示，该电路内有直流电压表、直流电流表、中频电压表、中频电流表、功率表以及控制板（其中包括：整流、逆变、保护）。采用自激励式预磁化撞击启动。其中包括过流保护、过压保护、欠压保护、失压保护以及水压保护。 2 中频感应烧结炉常见故障及处理方法
中频感应烧结炉就其故障发生的范围来说，主要可分为两大块，一是控制部分，二是主电路部分，其中既包括补偿电容器、感应器在内的谐振回路，也包括其中的水冷及母排等部分。而就故障种类来说，主要可分为过流、过电压、失压、欠压、水压低以及输出的中频功率低等。其中故障发生较频繁的主要有可控硅击穿、电容击穿、控制板故障、感应线圈的匝间短路等等。而造成这些故障的原因通常也是多种多样的。下面将分别列举常见的故障现象以及相应现象的处理方法。
2.1 开机不能正常启动的处理
首先，先要看控制板OP（缺相）指示灯是否亮，OP指示灯亮则说明缺相，而缺相会导致开机不能启动。然后，再查看控制板的电
源是否正常，如果电源有17V说明工作正常。而如果不是17V，则应该检查电源的变压器进线端是否为220V，出线端是否为17V，如果不是，就应当更换电源的变压器。 2.2 对6只kp整流硅的检测：
断开逆变硅的控制线，看直流电压表是否能达到500V左右，如果达不到500V则说明有只整流硅KP管坏了。如果整流硅KP管坏了，则应查看控制板上的六组整流控制输出线，每次拆下一组看下电流表是否发生变化，如果没有发生变化则说明这组对应的可控硅坏了，如果发生变化则说明这组对应的可控硅是好的，重新装上后，再拆另一组整流硅控制输出线看下电压表是否有变化，重复以上方法依次检查完六组即可排除故障，检测时，如果发生短路会烧保险或跳闸。
2.3 逆变硅的的四个KK可控硅问题处理
逆变硅的四个KK可控硅出问题时通常会出现以下现象：中频炉能启动，但其电流声很大且水冷电抗器震荡很厉害，并且直流电压和中频电压比值很小，这就说明有可控硅坏了，如果是短路时电流很大且难升大功率，如果是开路时，电流不是很大，但声音却明显不同并且也加大不了其最大功率，同时功率表、中频电压表都会大幅度摆动，并且在使用万用表量2KΩ挡测量逆变硅时，数值为零，则说明有一只逆变硅已经被击穿，应当及时更换，如果测量结果为不通则说明逆变硅正常。而且，发生中频电压低时，除了要检查可控硅是否损坏之外还需要彻底查水冷电容是否发生漏电，膨肚、容量变值等现象，如出现以上情况应该及时更换水冷电容。
2.4 正常运行时损坏逆变晶闸管的故障原因及其处理方法
正常运行时损坏逆变硅晶闸管的现象、原因及其处理方法主要分为以下三种：（1）晶闸管的冷却水路不通或水量小，晶闸管发热使关断时间增大而导致不能关断，造成逆变颠覆现象，此时，应该检查水路并将其疏通；（2）脉冲变压器发生老化现象，使逆变硅时常发生脉冲信号提前触发的现象，造成逆变换流失败，遇到此现象应该定期及时更换脉冲变压器；（3）主回路连接件接触不良，造成大电流突然断开回路，使平波电抗器产生很高的自感电势，从而产生逆变和整流晶闸管被击穿的现象，处理此现象应经常检查连接部件，观察其颜色是否变为蓝色或者黑色，并使用测温仪测量其温度与其他部件的温度是否相同，如有以上情况应及时更换损坏的部件。 2.5中频炉功率不能增大的的原因及处理方法
（1）电位器的输出电压值没有变化。电位器损坏或电位器的电压故障通常导致此现象的发生，遇到此现象时应该及时更换电位器。（2）过电流保护动作。①由于一次过电流保护或二次过电流保护设定值低，造成的多电流保护电路动作的现象，此时，应该放大电流保护设定值。②由于电路干扰造成的过电流保护电路动作的现象，应该在电路中加入平波电抗器来消弱电路的干扰。（3）负载大量增加，但负载的直流等效电阻过小，从而导致直流电压低而直流电流却很大，造成环流困难逆变电路颠覆的现象，遇到此情况，应该更换感应线圈，从而使负载等效电阻增大。（4）负载轻导致直流电压和中频电压达到额定值，但中频电流却很小，并且中频功率达不到额定值，发生此现象时，应当增加电容容量，从而提高中频功率。
（5）电热电容器耐压降低或者电热电容器底座因灰尘、水、油等杂质造成电热电容器发生放电现象。此时，应当拆掉电容器上的铜板，并用1000V兆欧表检测。如果不绝缘，应及时清理电热电容器底座上的灰尘、水、油污等杂质或者更换电容器。（6）由于感应线圈匝间短路或者感应线圈对地短路，从而造成过压保护电路或过流保护电路动作的现象发生。此时，应当检查感应线圈以确保线圈匝间清洁，并清理感应线圈周围弧光粉及灰尘。（7）逆变晶闸管出现烧毁现象。此时应该拆掉晶闸管，并用万用表量其阴阳极电阻或者在启动中频后用示波器测量两晶闸管两端电压波形，并观察波形是否是处于一条直线。若是一条直线则证明此晶闸管已经被击穿，应该及时更换逆变晶闸管。（8）逆变晶闸管发生关不断的现象。应该在启动中频后用示波器测量此晶闸管两端，观察其电阻是否为零，由此可确定此晶闸管运行时是否关不断，如果关不断，应及时更换逆变晶闸管。（9）发生逆变晶闸管没触发导通的现象时，应该使用示波器测量此晶闸管的两端的电压波形，若波形为正弦波则证明此晶闸管没有导通，应检查脉冲变压器波形是否正常，如果脉冲变压器波形正常则说明晶闸管已损坏，此时应及时更换晶闸管，如果脉冲变压器波形不正常，应及时更换脉冲变压器。 3 中频感应烧结炉的改进
3.1 金属分公司第一代、第二代中频感应烧结炉故障的改进
我公司第一代、第二代中频感应烧结炉运行中故障频发，具体表现为：过流，分析：70%故障是在水冷电容器上，究其原因，水冷电容器是靠水冷却，冷却水管是塑料管，运行中电容器电流大，连接
部分经常漏水、渗水现象较为频繁，水冷电容器与母排连接又是软连接，用的是铜缏就会潮湿，因铜缏有大电流流过，温度很高，水漏到铜缏上就会出现变蓝、变黑、接触不良，对地打火花、烧断铜缏、烧坏电容器，造成过流动作而被迫停炉，直接影响钼产品的烧结质量。 经过分析研究将怕水的铜缏改成铜排连接，我在单台炉上反复实验，结果非常成功，得到厂领导认证后，对5台中频感应烧结炉进行改造，故障率下降70%，年节约数万元，并且产品质量也得到了保证。
3.2 中频感应烧结炉电容器部分问题及改进
中频感应烧结炉电容器出现问题的原因为：原厂家电容柜里电容用的是￠10mm厚、长10cm\\宽5cm的电木板与下面支架铁板隔离绝缘，电容器上面水管出现问题时，水就会把电容器和铁板连接起来造成短路（因绝缘板与铁架只有10mm），从而导致电容器漏油、打火、过流保护动作等现象。经过研究探索我将原厂家的￠10mm厚电木板去掉，改为2寸见方的电木板4根，将8台电容器全部支起，彻底解决了电容器冷却水管漏水而造成对地绝缘烧坏电容器的问题，每台炉年节约电容器数台，同时也确保了中频感应烧结炉的正常运行。
3.3 感应加热装置汇流母线的改进
感应加热装置是指利用电流产生的磁场非接触地对感应器内的金属工件实现涡流加热的装置。而我分公司的感应器一般由环形的通水铜管制成，为了减少装置的容量，目前所采用的绝大部分是将负载电路设计为由感应器和补偿电容器组成的并联谐振电路。该谐
振电路的最大特点就是电流大、频率高，并且在装置补偿电容柜内的汇流母线上呈阶梯形逐渐下降，在同一根母线上密度相差悬殊。然而现在我公司所用的母线多为等截面的铜排，这就显得很不合理。假如按补偿电容柜内最大电流值来考虑其截面，则小电流处的截面就显得过于浪费。假如按补偿电容柜内母线的平均电流来设计其母线的截面，则母线的最大电流处（靠近炉体处）会严重发热，增大功耗，进而降低了装置的系统效率并容易造成铜排连接部分严重发热而氧化，必须及时停炉处理氧化部分否则就会打火造成过流，将铜排表面严重烧坏。因此，电容柜内母线的理想形状应该是与电流大小相匹配的阶梯状。再加之谐振回路的谐振电流效率较高，来回母线间的距离又小，严重的“集肤效应”和“邻近效应”会影响母线内的电流分布。这也是在设计该母线时不得不考虑的又一个问题。回流母线上电流的分布曲线如下图所示：
从图1.中可以看出，每经过一个接触点，母线上的电流就要下降相应单个电容器的额定电流值（当装置的输出电压为额定电压时）。母线上的电流大小变化有规律，且头尾相差悬殊，极不平衡。
根据以上的分析，设计谐振回路母线应遵循以下几个原则：
（1）考虑集肤效应和邻近效应，并根据流过母线电流的频率确定母线厚度。
（2）选取适当的电流密度。实践经验表明，在感应加热过程中，谐振回路母线的电流密度在自然风冷条件下取2A/mm2，而在通水冷却条件下取5A/mm2是适当的。
（3）根据母线电流的分布曲线，并考虑到加工的简单性和可行性来确定母线的实际形状和尺寸。
（4）改进后的母线，电流密度的选取更趋合理，更节能，母线纵向变截面形状的合理设计更符合省材料的经济原则。
以上情况经过与西航厂家反复交流，已经在我金属分公司去年使用的2000kW的中频炉实施改进措施，改进后的母线故障发生率明显降低，母线损坏次数明显减少，并且设备运行效果良好。 3.4 中频感应烧结炉主感应圈绝缘的问题及改进：
原主感应圈绝缘是先用玻璃丝带包扎，然后刷绝缘漆，设备运行一段时间后，玻璃丝带就会脱落、绝缘老化，运行过程中就会听见炉内有“咔”的响声，等炉子降温后开盖进行处理，处理完盖盖运行中结果感应圈还会出现同样的问题，因耐火材料是主感应圈内
衬，主感应圈本身无间隙无法进行重新包扎处理，严重时就必须拆掉耐火材料，将感应圈取出重新包扎处理，而拆掉的耐火材料多数都不能重新再用，每次浪费的耐火材料直接损失就万余元，还不算人工费、停炉期间的停产损失费。为了解决这一问题，我在网上查找最新资料，结合自己多年的实际经验，最终选择了用耐高温速干绝缘漆直接刷到主感应圈上代替原有玻璃丝带包扎的方法先在一台160kw小中频感应烧结炉上试验，结果非常成功，随后把所有用玻璃丝带包扎的中频感应烧结炉全部改掉，彻底解决了感应圈绝缘老化、易匝间短路造成过流的问题，同时节约了大量的耐火材料、人工等费用，产品质量也得到了保证。 4 综述
熟悉掌握中频感应烧结炉常见故障的原因、特点及处理方法，才能迅速排出中频感应烧结炉的故障，提高运转率，本文列举的中频烧结炉解决方案是解决类似问题的指导方向。
参考文献：
[1] 周勇，孙鹏涛，关鹏.中频炉的谐波分析与治理 郑州大学学报，1671-6833（2007）02-0114-03 [2] 王亮.中频炉工作原理及谐波治理.温州电业局，温州
325000 10
