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鑄造裝備之中頻感應(yīng)爐發(fā)展介紹

中國(guó)鑄造協(xié)會(huì)熔煉技術(shù)與設(shè)備分會(huì) 高巍、張永武

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)都是鑄件生產(chǎn)大國(guó)，自本世紀(jì)初開(kāi)始，我國(guó)鑄件產(chǎn)量已連續(xù)多年穩(wěn)居世界第一。我國(guó)鑄造業(yè)的發(fā)展具有悠久的歷史，從早期的青銅器鑄造到今天的汽車零部件、航空航天器件等的鑄造，鑄造技術(shù)和工藝取得了極大的進(jìn)步和突破。如今，鑄造仍是我國(guó)發(fā)展高端裝備制造業(yè)不可或缺的基礎(chǔ)工藝，是眾多主機(jī)產(chǎn)品和高端裝備創(chuàng)新發(fā)展的重要支撐和基礎(chǔ)保障。隨著鑄造業(yè)的發(fā)展，鑄造裝備水平也有了顯著提升，包括熔煉裝備、造型制芯裝備、砂處理裝備、后處理裝備及特種鑄造裝備等，不斷向高效節(jié)能、自動(dòng)化、數(shù)字化方向發(fā)展，并不斷創(chuàng)新，推動(dòng)鑄造在精密鑄造、關(guān)鍵主機(jī)部件生產(chǎn)等方面實(shí)現(xiàn)突破。

中頻感應(yīng)爐作為鑄造熔煉裝備，電熱轉(zhuǎn)化有效利用率可達(dá)75%以上，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)燃?xì)鉅t和沖天爐（40%～50%左右）。隨著鑄造行業(yè)向節(jié)能降耗、實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展邁進(jìn)，追求優(yōu)質(zhì)、高效、穩(wěn)定、節(jié)能、環(huán)保、可控的生產(chǎn)方式已成為鑄造行業(yè)的共識(shí)，中頻感應(yīng)爐已基本取代燃?xì)鉅t和沖天爐，成為現(xiàn)代鑄造工藝熔煉、保溫最有效的基礎(chǔ)工藝裝備和重要的工業(yè)母機(jī)。

一、中頻感應(yīng)爐的工作原理及應(yīng)用領(lǐng)域

中頻感應(yīng)爐主要利用電磁感應(yīng)原理和電熱效應(yīng)，通過(guò)以電力電子技術(shù)為核心的中頻感應(yīng)電源提供交變電流至感應(yīng)線圈建立磁場(chǎng)，磁場(chǎng)產(chǎn)生磁力線切割感應(yīng)爐內(nèi)的金屬產(chǎn)生渦流形成高溫，并最終實(shí)現(xiàn)金屬熔化。

由于加熱熔化全程通過(guò)使用電力的感應(yīng)線圈，并無(wú)額外的燃料添加，中頻感應(yīng)爐相比于傳統(tǒng)的沖天爐等設(shè)備，具有熔煉速度快、生產(chǎn)效率高、鑄件雜質(zhì)少、能源消耗低、環(huán)境污染小等諸多優(yōu)點(diǎn)，在鑄造行業(yè)得到普遍應(yīng)用。由于國(guó)家打擊地條鋼，中頻感應(yīng)爐在鋼鐵企業(yè)中使用受到嚴(yán)格監(jiān)管，一度影響中頻感應(yīng)爐行業(yè)的發(fā)展。由中國(guó)鑄造協(xié)會(huì)參與編制的《關(guān)于支持打擊“地條鋼”、界定工頻和中頻感應(yīng)爐使用范圍的意見(jiàn)》（鋼協(xié)[2017]23號(hào)）中已明確：鑄造行業(yè)采用中頻感應(yīng)爐生產(chǎn)各類鑄件產(chǎn)品以及不銹鋼生產(chǎn)過(guò)程中使用中頻感應(yīng)爐熔化鉻鐵、鎳鐵等合金符合產(chǎn)業(yè)政策的規(guī)定。

中頻感應(yīng)爐因其節(jié)能環(huán)保、金屬元素回收率高等優(yōu)點(diǎn)，也廣泛應(yīng)用于不銹鋼生產(chǎn)過(guò)程中的合金熔化環(huán)節(jié)，我國(guó)主要鋼鐵企業(yè)在新建短流程煉鋼工藝中基本都配備了中頻感應(yīng)爐作為輔助熔化裝備。目前中頻感應(yīng)爐已成為現(xiàn)代鑄造行業(yè)金屬熔煉、保溫和短流程煉鋼領(lǐng)域合金熔化最高效的核心基礎(chǔ)工藝裝備之一，具有不可替代性。隨著產(chǎn)業(yè)政策對(duì)中頻感應(yīng)爐使用范圍的明確界定，近年中頻感應(yīng)爐行業(yè)逐漸恢復(fù)并穩(wěn)定發(fā)展。2023年7月，財(cái)政部和國(guó)家稅務(wù)總局發(fā)布文件，將真空熔鑄裝備（坩堝容量≥50千克）、感應(yīng)熔煉電爐（熔化量≥10噸）等鑄造裝備列入先進(jìn)工業(yè)母機(jī)產(chǎn)品，產(chǎn)業(yè)政策將有力推動(dòng)中頻感應(yīng)爐行業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。

二、中頻感應(yīng)爐行業(yè)發(fā)展情況

自20世紀(jì)五六十年代中頻感應(yīng)爐在工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用，特別是鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)始，“節(jié)能、安全、穩(wěn)定”就成為中頻感應(yīng)爐的核心價(jià)值，時(shí)至今日，其核心價(jià)值仍未改變，這些核心價(jià)值保證鑄造企業(yè)能夠以更高的效率和更低的能耗，連續(xù)穩(wěn)定的熔化金屬生產(chǎn)各類鑄件。

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)的中頻感應(yīng)爐市場(chǎng)存在兩極分化的狀態(tài)，國(guó)產(chǎn)的中頻感應(yīng)爐多為質(zhì)量差、能耗高、故障頻出的低端產(chǎn)品，不能滿足客戶對(duì)設(shè)備穩(wěn)定性、節(jié)能性、安全性的要求。自20世紀(jì)90年代，美國(guó)應(yīng)達(dá)、德國(guó)ABP等國(guó)外中頻感應(yīng)爐制造廠商進(jìn)入我國(guó)后，長(zhǎng)期壟斷國(guó)內(nèi)的高端中頻感應(yīng)爐市場(chǎng)，產(chǎn)品價(jià)格高昂，性價(jià)比不高，但由于選擇有限，客戶對(duì)高端中頻感應(yīng)爐的需求只能選擇少數(shù)國(guó)外品牌。

據(jù)中國(guó)鑄造協(xié)會(huì)熔煉分會(huì)統(tǒng)計(jì)，截止2023年底，我國(guó)中頻感應(yīng)電爐企業(yè)制造企業(yè)數(shù)量基本在150家左右，全年電爐裝機(jī)總?cè)萘繛?600MVA左右。企業(yè)整體規(guī)模偏小，年產(chǎn)值3億元以上的頭部企業(yè)數(shù)量占比2-3%，1億元以上的企業(yè)數(shù)量占比5%，5000萬(wàn)以上企業(yè)占比10%。2021年到2023年，在國(guó)家倡導(dǎo)節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的大環(huán)境下，在鑄造行業(yè)新增和改造更新的中頻感應(yīng)電爐按照設(shè)備總產(chǎn)值計(jì)算，市場(chǎng)規(guī)模分別達(dá)到了89億，95億和100億元，近三年總市值復(fù)合增長(zhǎng)率約為5%。其中，高附加值的多供電高端中頻感應(yīng)熔煉爐的占比接近20%。近年我國(guó)鑄造行業(yè)實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展，截至國(guó)內(nèi)高端鑄造裝備取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。其中以上海新研等為代表的國(guó)產(chǎn)中頻感應(yīng)爐生產(chǎn)企業(yè)，在高端中頻感應(yīng)爐市場(chǎng)打破國(guó)外品牌壟斷，并實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代，目前其在國(guó)內(nèi)高端中頻感應(yīng)爐市場(chǎng)的占有率已達(dá)到15%以上，具有較高的品牌知名度。

三、中頻感應(yīng)爐產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)情況

我國(guó)中頻感應(yīng)電爐制造企業(yè)以中小微企業(yè)為主，屬于離散型產(chǎn)業(yè)，整個(gè)工藝流程由多個(gè)獨(dú)立的工藝或工序組成，堅(jiān)持標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新引領(lǐng)已成為促進(jìn)我國(guó)中頻感應(yīng)電爐產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展、促進(jìn)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)邁向中高端的重要途經(jīng)之一。中頻感應(yīng)爐標(biāo)準(zhǔn)情況如下：

1、安全標(biāo)準(zhǔn)3項(xiàng)（等同采納IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)）

2、中頻爐試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)（等同采納IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)）

3、中頻爐產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)6項(xiàng)

4、中頻爐產(chǎn)品能耗標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)

5、中頻爐設(shè)備輔助及配套標(biāo)準(zhǔn)8項(xiàng)

6、中頻爐使用要求標(biāo)準(zhǔn)3項(xiàng)

7、地方標(biāo)準(zhǔn)

四、中頻感應(yīng)爐技術(shù)發(fā)展展望

近年來(lái)本細(xì)分領(lǐng)域涉及的主要?jiǎng)?chuàng)新技術(shù)方向有：

1、超大功率絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）半導(dǎo)體器件及集成技術(shù)的應(yīng)用；

2、高功率碳化硅電力電子器件關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用；

3、直流共母供電集成技術(shù)的應(yīng)用；

4、高電壓變頻器技術(shù)的應(yīng)用；

5、熔煉、鐵水轉(zhuǎn)運(yùn)及澆注的一體化集中管控；

6、測(cè)溫取樣機(jī)器人的應(yīng)用；

7 、超大噸位爐體、后傾機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)大爐體的后傾扒渣；

8、爐體稱重技術(shù)的應(yīng)用；

9、爐外自動(dòng)扒渣裝置的應(yīng)用… …

在我國(guó)制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型以及“雙碳”目標(biāo)背景下，綠色智能鑄造逐漸成為我國(guó)鑄造行業(yè)發(fā)展重要驅(qū)動(dòng)因素，隨著鑄造熔煉技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)變革演進(jìn)，中頻感應(yīng)爐將伴隨著鑄造行業(yè)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)自身的技術(shù)創(chuàng)新和健康發(fā)展，未來(lái)中頻感應(yīng)爐將朝著更加節(jié)能環(huán)保、大功率大噸位、自動(dòng)化及數(shù)字化等方向發(fā)展。