IGBT晶体管
中频感应熔炼炉使
用
说
明
书
河北恒远电炉制造有限公司
安装与维护安全指导
一、 用途
二、 电路原理
控制系统框图
三、 使用环境和条件
四、 主要技术参数
五、 操作说明
六、 安全注意事项
七、 设备的维护保养
八、 设备常见故障排查
外部保护板电位器&主控板信号指示灯说明
九、 半导体元器件测试
十、 电炉炉衬（仅供参考）
十一、 坩锅修补
附图一：填筑炉衬工具
附图二：坩埚模简图
附图三：坩埚尺寸表
附图四：漏炉检测探针布置示意图
附图五：倾炉控制电气原理图
附图六：产品检验合格证
安装与维护安全指导
这些安全指导适用于
中频感应熔炼炉的所有工作，忽视这些指导可能导致人身伤亡。
警告！所有IGBT电频设备维护工作都必须由专业电气工程师完成。不要带电维护设备。在切断主电源开关后，应该至少等待直流电压表指针回零之后，也就是指电源的滤波电容器放电完毕再进行工作。
在设备正常工作时，不得打开设备前后门进行观察和测量，不得接触逆变输出铜排，炉体的感应圈部位，所有这些部位带有危险直流高应（500V以上），交流高压2800V左右。工作时应该小心谨慎，否则会造成人身伤亡。
警告！不能随便调整控制箱的直流过流、直流限流、中频过流、中频限流电位器，改变定值，因为过载后造成设备损坏。
每次开启设备前必须先启动内循环水泵并检查水箱水位高低，如果发现水箱水位指示过低，必须马上加蒸馏水，并检查各水路接头是否有漏水的情况，及时处理，否则不能开启设备工作。
警告！不能空载启动设备工作。炉前工必须带绝缘手套和电工绝缘鞋，钢水二次感应电压高，人员在操作时会受到电击。在工人操作范围内铺电工绝缘胶布。接地连接，所有的中频设备、炉体都必须正确接地。以保证任何条件下的人身安全。
警告！设备外循环水温度不得超过35℃。
一、 用途
本产品是IGBT晶体管中频设备，主要用于熔炼普通碳素钢、不锈钢，也可用于熔炼铜、铝等有色金属，具有高效率、快速熔化的优点，金属元素烧损少、熔渣少、钢液质量好等特点。
二、 电路原理
1、感应加热基本原理
处于交变磁场中的金属内部出于电磁感应作用，会产生涡流。涡流在金属内部作功，使金属温度不断升高。这种利用电磁感应现象加热金属的方法被广泛地运用于金属熔炼透热、淬火及表面热处理。显而易见，产生效变磁场的交变电流强度越大，产生的磁场感应也越大，金属升温也就越快。感应感应加热原理可用下面的式子来概括：
2、主电路原理
感应加热变频装置的负载为各式各样感应加热炉。一般而言，它们的自然功率因数很低，一般都在0.06～0.3之间,若将它们直接接入电源,将消耗大量无功率功率,十分不经济.故此,现供感应加热电源往往配有为发送电路功率因数而设计的补偿电容。根据裣电容和负载加热炉的连接方式的不同,又可分为并联谐振和串联谐振电路.后者因补偿功率因数和负载加热炉串联谐振而得名.半桥串联逆变电路结构简洁、实用,是目前感应加热领域广为流行的一种电路拓扑结构，如图一所示：
图一 半桥串联逆变谐振电路的结构形式
其中Ud为直流电压源，它通常由三相全波整流经电感、电容滤波后得到。C1、C2是补偿电容，同时起到分压和无功补偿双重功效。S1、S2是功率半导体开关，它的容量大小由电源的额定输出功率决定。电容和加热炉R、L开成串联谐振。
S1、S2两只IGBT的开和关是交替进行的，互差180°电度角。理论证明RLC振荡电路的固有谐振频率f0满足（当R足够小，C1=C2=C/2）：
当S1、S2的开关频率fs：
fs=f0时，回路呈谐振状态，回路电压和回路电流同相。
fs＞f0时，回路呈感性状态，回路电压超前于回路电流。
fs＜f0时，回路呈容性状态，回路电压滞后于回路电流。
又由于RLC振荡电路选频特性决定，回路只能通过频率为fs的基波电流。故以上三种情况下的电压、电流波形如图2所示。图中Umn、I分加表示逆变桥两端电压和感应器槽路电流。
图二 半桥电炉基本电压、电流波形
A：谐振状态 B：感性状态 C：容性状态
其中电容、电感（负载等效电感）的参数可以这样确定：
1、通过电源额定输出功率P，加热炉品质因数Q，确定补偿电容的容量E（千乏数）：
E=QP ———（2）
2、确定谐振时额定电容电压Uc（UL表示中频电压，Ud表示整流后直流电压）：
3、根据工作频率fs电容量C：
4、根据等式（1）确定感应器等效电感量L其中谐振fS=f0
5、控制电路原理
在
感应加热过程中，炉料金属的导磁率和电导率均会剧烈变化，这将直接导致回路固有谐振频率的f0变化。为使负载加热炉始终吸收到最大功率，逆变工作频率自动跟踪负载的固有频率，这也被称为“频率跟踪”控制。
串联谐振逆变电路在谐振时，回路阻抗最低。电流和电压之间的相位差越大，回路的阻抗就越高。因此，可以通过调节电流和电压之间的相位差来调节电源的输出功率。换言之，负载在谐振时吸收的功率最大，失谐时吸收的功率越小。这种功率调节是在逆变端通过改变工作频率来实现的。
装置的整流控制原理十分简单，采用三相桥式全波整流，由三只功率二级管和三只KP晶闸管组成。三只晶闸管是作为快速电子开关用，工作时由脉冲振荡器产生一句高频方波脉冲，经脉冲变压器分配、通过整型后加到晶闸管的门极。此时它们的作用等同于二级管，整流桥作不控整流当需停止工作或保护时，主控板封锁整流脉冲，快速开关（晶闸管）断开。
在整个感应加热过程中，由于炉料阻抗的变化（图三），电源功率在某一时段（对于熔炼系统为熔炼后期）会超过额定允许的功率。这就需要用截止功能。
保护将电流限制在一定范围内，从而确保电源在额定功率范围内运行。表二是不同额定功率的电源，工频截流值的大小。
图三 熔炼过程炉料阻抗的变化（对于熔炼系统）
三、 使用环境和条件
a) 相对湿度不超过80%。
b) 设备工作间通风良好，室温不能超过30℃。
c) 设备工作间与铸造车间部分进行隔离，不能使车间的尘埃、石墨粉和精密铸造车间腐蚀性气体进入室内。
d) 外循环冷却水温度不能超过30～35℃。
e) 三相电源电压波动不大于5%，在同一车间内不能和可控硅中频电源共用一个低压线路，以防止高次谐波对IGBT中频电源的干扰。
f) IGBT电源的通水电缆必须架空放置，不能和墙壁地面接触。
g) 外冷却水压力为0.2～0.3Mpa。
四、主要技术参数
五、操作说明
开机：
1、把内、外循环水泵送电运行，否则不能开机运行。
2、合控制回路开关。
3、合主空气开关，并观察直流电压逐渐上升，一直到升满为止。
4、按启动钮，这时电源发出中频声。
5、 调节功率旋钮即可正常工作。
停机
1、把功率调节旋钮回到零位。
2、按停止钮。
3、关主空气开关。
4、 关控制开关。
5、停止工作，不再继续工作，可关掉内循环泵。但在关掉内循环泵之前必须注意直流电压指示是否回零，也就是等待滤波电容器放电完了，再关掉内循环泵开关。
安 全 指 导
这些安全指导适用于IGBT中频电源的所有工作，忽视这些指导可能导致人身伤亡。
警告！所有IGBT电频设备维护工作都必须由专业电气工程师完成。不要带电维护设备。在切断主电源开关后，应该至少等待直流电压表指针回零之后，也就是指电源的滤波电容器放电完毕再进行工作。
在设备正常工作时，不得打开设备前后门进行观察和测量，不得接触逆变输出铜排，炉体的感应圈部位，所有这些部位带有交流高压3000V左右。工作时应该小心谨慎，否则会造成人身伤亡。
警告！不能空载启动设备工作。炉前工必须带绝缘手套和电工绝缘鞋（必须在耐压5000V以上），钢水二次感应电压在1000V左右，所以操作台必须铺电工绝缘胶布，耐压5000V以上。
接地连接，所有的中频设备、炉体都必须正确接地。以保证任何条件下的人身安全。
六、安全注意事项
1、对带电部分做好隔离，并设置明显的标志牌。
2、设备工作运行时，不得打开电源的门。
3、熔炼时，炉前工和其它的工作人员一律不得接触任何带电部分，尤其是感应圈通水电缆部位。
4、在停止工作时，关掉主空气开关后，不得马上接触电源，或进行维修工作，必须观察直流电压表慢慢下降到零。
5、因为设备本身感应电压太高，炉前工必须穿电工绝缘鞋，带绝缘手套。
6、电源和炉体必须做好接地，接地电阻＜4欧姆。
7、 炉体设置漏炉检测保护装置，注意观察电流表变化，如果电流过大，大有可能要漏炉。
七、设备的维护保养
1、电源部分要定期吹掉灰尘，尤其是类似石墨粉那样的导电物质。
2、感应圈必须保持清洁不得有钢削等导电物质。
3、 必须经常观察，检查各大电流导电的连接部位，是否接触良好，如发现螺丝变色，铜排发黑，要及时处理。
4、工作时要经常观察冷却水的压力，温度不得超过技术要求。
5、减速机注意加油。
6、设备出现问题，不是专业技术人员不得乱拆卸，否则使事故扩大给今后的修理造成麻烦，损坏了器件。
7、电源室内保持清洁、通风良好、室内温度不能过高，否则会影响电解电容器的使用寿命。
八、设备常见故障排查
1、电源运行过程中充电电阻（390欧姆）、二极管经常发热烧毁。
原因分析：与烧毁电阻并联的可控硅没有导通，主回路大电流只能流经充电回路。
解决方案：检查可控硅触发脉冲是否正常选择对触发电流要求较小的管子。
2、电源运行过程中，水温保护经常动作。
解决方案：检查放电继电器包是否完好，常闭接点能否正常动作。
3．电解运行过程中，密闭循环冷却水水温过高。
解决方案：（1）增大水池体积。（2）适当减小外循环水压，增大外循环水水流量。（3）适当减小内水水压，增大内循环水水流量。（4）给内循环水补水筒中添水，但水平线不得超过额定标高。
4．启动按钮按下时电源启动，松开后电源自动标高。
原因分析：控制板继电器常开接点工作失常。
解决方案：继电器更换。
5．功率给定旋钮不起作用。
解决方案：检查电位器滑动触点是否接触良好：更换4.7门板电位器。
6．工频电流无法截止保护。
原因分析：无电流反馈信号。
解决方案：检查控制板继电阻R27两端波形，正常情况下为规则、等高的六脉冲。查电阻R20上端对地电压，正常情况下是0～7V（伏特）直流电压。若不是，检查电流互感器是否完好，连线（同名端）是否正确。
7．工频电流截止保护时，电流表有抖动，中频啸叫有颤动都必须。
原因分析：工频电流闭环PID调节不匹配。
解决方案：主控板C6并联luf电容，增加闭环回路迟滞特性。但电容越大，回路灵敏度降低，电流截止效果不明显。最大不超过8uf。
8．中频电流截止保护时，电流表有抖动，中频啸叫有颤动声。
原因分析：工频电流闭环PID调节系统参数不匹配。
解决方案：主控板C5并联luf电容，增加闭环回路迟滞特性。但电容越大，回路灵敏度降低，电流截止效果不明显。最大不超过8uf。
9．中频电流在非（工频、中频）截止保护时，电流表有抖动，中频啸叫有颤动声。
原因分析：频率控制闭环PID调节系统参数不匹配。
10．电源水系统水压无故降低，水管中气泡增多。
解决方案：检查水泵的气密性。密封圈是否完好，示体是否有漏水，若有则焊接泵体漏水处，更换机械密封及O型圈。
11．电源运行过程中滤波电感发出嗡嗡声
原因分析：电源失谐。
解决方案：检查主控板电阻R81两端信号是否正常。（2）补偿电容是否完好，检查内容包括电容容值、是否漏油。
12．电网过压、 欠压经常保护。
原因分析：电源允许的电压波动范围为5%，超过范围则保护。
解决方案：保护时若电网电压在允许的波动值内，由放宽保护支作的限制范围。放宽过压保护值：外部板电位器IP2顺时针旋；放宽欠压保护值；外部板电位器IP1顺时针旋。或者将电力变压器的二次电压值调整到额定。
13．模块保护经常支作。
解决方案：模块保护是保护IGBT的最后一道屏障。在一个熔炼周期内支作一两次发球正常情况。但若频繁动作则要考虑是否是其他原因造成的。
（1）变压器零线X0接机柜后可靠接地。
（2）检查炉子的感应圈是否有接地、短路的现象。
（3）对熔炼系统，检查炉子的炉衬壁是否压薄，快要漏炉，必要时重新做炉。
（4）进线电缆过细导致电压压降过大，进线电压过低。
（5）检查栅极板上3.3欧姆电阻值。
（6）检查电源板上两个+15V电源，允许的变动范围是：+14.5V～+15.5V。
（7）对熔炼系统，炉前工的加料是否规范，炉料不应碰到炉台。在炉口四周最好用耐火材料打结一圈，以防炉料碰到炉台。
（8）检查驱动方波脉冲是否正常（+15V、-8V）。
（9）检查栅极板上3.3欧姆电阻上电流脉冲幅值是否足够大。
（10）检查模块C极加线是否有漏焊现象或脱焊现象。
（11）参照第八章，测试模块是否有损坏。
（12）检查逆变板。
（13）模块分组导通确定模块的工作性能。但此时造成不可升功率。此项须在制造厂调试人员指导下做。
14、工频或中频过流保护经常动作。
解决方案：稍降功率运行。
15、水泵噪音过重。
原因分析：轴承过热缺油，水泵负荷过重。
解决方案：轴承处加油，检查机械部分，作适当调整。调节出口阀门使流量适当减小。
外部保护板电位器说明
名称
作用
说明
IP1
欠压保护调节
顺时针欠压保护值增大
IP2
欠压保护调节
顺时针过压保护值增大
主控板信号指示灯说明
直流电流指示
电流直流电压指示
D38
+15V电源指示
D14
-15V电源指示
D42
+5V电源指示
L8
电网保护
L9
水温水压保护指示
L10
逆变脉冲工作指示
L11
逆变脉冲工作指示
L12
整流脉冲工作指示
L13
模块保护指示
外部保护板信号指示灯说明
作用
名称
作用
LED1
输入电源指示
LED2
外循环水压2保护指示
LED3
外循环水压1保护指示
LED4
电网欠压保护指示
LED5
电网过压保护指示
LED6
内循环水压1保护指示
LED7
内循环水压2保护指示
LED8
内循环水温1保护指示
LED9
内循环水温2保护指示
九、半导体元器件测试方法
晶闸管（SCR）
用万用表测试管子的阴阳极之间正反向电阻约4-7KΩ，即为正常。
IGBT模块
CE（极电、源）极：用万用表测试，模块CE极正向开路，反向呈二极管特性为为正常。GE（栅、源）极：用万用表2MΩ档测试，读数逐渐增大至最大，红黑表笔反向，读数逐渐减少，即动态呈电容充放电特性静态读数＞2MΩ。
若在逆变器吸收板上直接测量，CE极正向读数2-4KΩ，反向读数几百欧姆，GE极读数5-10KΩ。
十、电炉炉衬（仅供参考）
1、 炉衬材料：
炉龄的长短主要取决于炉料材料的性质及捣固烧结过程是否完善，现将酸性炉衬材料的要求分述如下：
① 酸性材料
（1）只有纯洁不含砖块等杂质的高品位的石英沙（SiO2含量不大于98%）才能用做制造炉衬的材料，经验证明，要想延长炉衬的寿命就必须提高炉衬的纯洁性。
（2）石英具有晶体转变的倾向，因此在炉衬烧结过程中应该让石英在烧结温度下的晶体转变到底，石英受到高的热应力和热冲击而产生的晶态转变，对炉衬的寿命就会产生很大的影响。
（3）炉衬材料的颗粒配比，直接决定了炉衬的打结密度，材料粒度的配比不同，打结成的炉官运亨通密度就会有相当的差别，利用不同的粒度配比和石英反复的晶态转变，能使炉衬获得较大的打结密度，但由于粒度得偏析和操作过程中发生的损耗，会使粒度得配比发生变化，造成炉衬密度不均匀的后果，导致炉衬内壁部分增加被腐蚀的倾向，当晶态转变时还会引起炉衬破裂的危险。
② 粘结剂
粘结剂的性质和配比与捣固材料有密切的关系，酸性炉守通常用硼酸做粘结剂（可用一般工业硼酸）其加入量与捣固材料和工作温度本适应，一般来说在提高炉衬强度和降低工作温度的情况下，硼酸加入量可提高，硼酸颗粒要小（≤0.5mm），无块状及杂技混入，具体配比可参考下表：
酸性炉衬的硼酸加入量与冶炼油温度和烧结温度的关系（表3）
序号
材料
浇铸温度
硼 酸
加入量
烧结温度（℃）
应保持烧结的时间（小时）
熔池面以上硼酸加入量（%）
1
灰口铁
1400
1.8-2.05
1450
3-4
3
2
灰口铁
1400-1500
1.2-2.0
1480
3-4
2.7
3
灰口铁
1450-1500
1.0-1.7
1500-1520
2-3
2.4
4
灰口铁
1500-1550
1.0-1.6
1550
1-2
2
5
灰口铁
1550-1600
0.8-1.5
1600
0.5以下
2
6
高碳钢
1550-1600
0.8-1.5
1600
0.5以下
2
7
中碳钢
1600以上
0.5-0.9
浇铸温度
0.3-0.5
2
2、打结工艺
①打结前，先把沙烘干（在300℃以上烘箱内烘干，若不潮湿可不烘干），用磁先除去铁磁物质，再除去泥、草炉渣等杂物，按表4的配比配好，再按表3的比例加入硼酸均匀搅拌后，即可供打结，打结一个坩埚所需的石英沙总重见表5，硼酸加入的比例是以石英沙为100%后再另外加入的。
石英沙配比表（表4） 石英沙重量（Kg）（表5）
号数
目数
配比
炉型
重量
2″
8-10目
10%
GW-0.15-100/1J
-130
2″
10-16目
30%
GW-0.25-160/1J
-210
2″
16-24目
30%
GW-0.5-250/1J
-390
8″
250-400目
30%
GW-1.0-500/1J
-580
注:硼酸要用0.6筛孔筛过,确定没有块状或大于0.6mm的硼酸混杂其中。
②紧贴感应器内壁先后衬上一层高硅氧布（0.2mm）一层有机硅玻璃柔软粉云母板（1mm）一层石棉板（5mm）将其圈制成筒以保护感应器。一定要铺的平整，并用2-3个胀圈压紧固定（用3-10mm圆铁圈制成的外径大于感应器内径，接头处开口的弹性铁环）待沙层打到该处一定要拆掉此圈，炉底铺上石棉板（10mm）以保护炉体并可保湿。
③将均匀拌好的石英沙逐步放入打结，炉衬应当一层一层地填筑，每层厚度不要超过40-50mm，只有第一层厚度可以超过50mm，先用捣固叉捣打，要用劲叉到底再用捣固棒捣实，最后用平铁锤打结实，填筑炉底时通常可先填筑到要求尺寸（按炉体简图）再高出40mm，然后将高出的部分去掉再找实锤平，并找好水平。
④放入坩埚模，坩埚模应当安放端正，使钢查勘中心与感应器中心线相重合，即保证坩埚周围壁厚尽可能均匀，可用三块同样厚度，一头小于炉衬壁厚，一头大于炉衬壁厚的木模均分插入坩埚模四周，将坩埚模紧压于感应器中心，为防止打结时松动，还可在坩埚内再入一块干净块料，继续打结炉衬直到熔池表面高度，打结炉壁时，要先扒松底部表面的沙子，然后一层一层用钢叉捣打，每打完一层在加入新沙前都要注意将表面扒松，以防止分层。
⑤由于炉衬上部受到的机械压力最大，因此，在熔池表面以上到坩埚口一段应多加2-3%的硼酸，这样可能得到一个烧结的很好及很硬的区域，在坩埚顶部和出料口处，可用35%快干水泥65%打结料加注量水，调成稠度适中的混合料进行打结，捣固混合料时，锤宽不大于70mm，打完一层后，必须在打结面上画出纹道，扫清残料，方可添入新料打结另一层。
⑥烘炉工艺
用低或率送电，缓慢地加热坩埚模，烘炉具体时间参照表6进行，当达到1200℃左右后，钢模软化将熔时，炉衬具有一定的机械强度，此时可装入清洁无锈的返回料，用满功率把炉料加热，熔化（坩埚模也一都必须熔掉）升温到烧结温度，按表3保持一定时间，如果烧结温度太低，保持时间不够瞧，炉衬将达不到要求，冷却后会发生破裂，新炉衬烧结层还很薄，应继续熔炼2-3炉后，才算完成烧结过程 ，所以头2-3炉要特别小心操作。
为了得到一个良好的轴面坩埚，第一炉只能用干净无锈的小块返回料，最好再加入0.5-1公斤左右的碎玻璃。
十一、坩埚修补
感应炉在熔炼过程中，石英沙炉衬的倪程度和熔炼的钢种及含碳量高低有关，每炼一炉后，炉衬各部分都要进行详细检查，尽管是绝缘部分完整，而炉衬厚度减薄到原炉衬的1/3，被侵蚀部分的个别裂纹延伸至线圈或被侵蚀的炉壁上粘附有几种金属夹渣，均应进行修补炉衬。
修补分下列三种形式进行：
1．炉衬厚度均匀被侵蚀减薄到原炉衬的1/3左右，就要把粘结在炉衬表面的渣滓敲掉，直到露出白色炉料为止，因为这层被渣滓渗透的炉衬的熔点较低，若不去除会降低补炉的效果。
2．炉底被腐蚀时，可以把加热好的型砂掺入粘土或配入适当水玻璃溶液做为粘结剂，混成一种具有塑性的补炉材料，填在表面清理干净的侵蚀部分，用工具打紧后便可装料进行熔炼。
3．在坩埚上部局部地方被侵蚀时，要等炉子冷却后，清除该处的残渣和黑色沉淀物，用铁板挡住该部位，并用炉衬把金属板固定住，然后在金属板和空洞之间填入配好的衬料捣固，补好后不取走金属板，便进行熔炼，对感应器部分被腐蚀时，按第一种方法进行修补。
通常用的两种补炉方法：
1．湿补法：
把修补的地方表面上粘结的残渣去除，刷上一层石矽酸溶液或粘土稀浆然后用一般的石英沙拌入适量的（能粘结就行）矽酸溶液，混匀后放在修补处打结实，修补时炉子温度保持在110-150℃，补好后要仔细地烘烤修补的地方。
2．干补法：
整个坩埚断面上被侵蚀时用此法修补，修补前先把粘结在表面的炉渣清除干净，然后将坩埚模固定好位置，坩埚模与炉衬间的空隙用干燥的石英沙加入硼酸打结，硼酸用量比打结新炉衬时的用量多0.1-0.3%,有?6mm捣固棒捣固。
坩埚模技术要求：
1．本件采用连续焊接，焊缝高度不小于5mm，焊后必须将外表焊缝磨平修光；
2．坩埚外表面焊缝磨平修光；
3．吊耳共三只，按120度均匀焊接；
4.Φ4透气孔，可在沿圆周围及埚底均布；
