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鑄造裝備之中頻感應爐發(fā)展介紹

中國鑄造協(xié)會熔煉技術(shù)與設備分會 高巍、張永武

長期以來，我國都是鑄件生產(chǎn)大國，自本世紀初開始，我國鑄件產(chǎn)量已連續(xù)多年穩(wěn)居世界第一。我國鑄造業(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步和突破。如今，鑄造仍是我國發(fā)展高端裝備制造業(yè)不可或缺的基礎工藝，是眾多主機產(chǎn)品和高端裝備創(chuàng)新發(fā)展的重要支撐和基礎保障。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、自動化、數(shù)字化方向發(fā)展，并不斷創(chuàng)新，推動鑄造在精密鑄造、關鍵主機部件生產(chǎn)等方面實現(xiàn)突破。

中頻感應爐作為鑄造熔煉裝備，電熱轉(zhuǎn)化有效利用率可達75%以上，遠高于傳統(tǒng)燃氣爐和沖天爐（40%～50%左右）。隨著鑄造行業(yè)向節(jié)能降耗、實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展邁進，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，中頻感應爐已基本取代燃氣爐和沖天爐，成為現(xiàn)代鑄造工藝熔煉、保溫最有效的基礎工藝裝備和重要的工業(yè)母機。

一、中頻感應爐的工作原理及應用領域

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

由于加熱熔化全程通過使用電力的感應線圈，并無額外的燃料添加，中頻感應爐相比于傳統(tǒng)的沖天爐等設備，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，在鑄造行業(yè)得到普遍應用。由于國家打擊地條鋼，中頻感應爐在鋼鐵企業(yè)中使用受到嚴格監(jiān)管，一度影響中頻感應爐行業(yè)的發(fā)展。由中國鑄造協(xié)會參與編制的《關于支持打擊“地條鋼”、界定工頻和中頻感應爐使用范圍的意見》（鋼協(xié)[2017]23號）中已明確：鑄造行業(yè)采用中頻感應爐生產(chǎn)各類鑄件產(chǎn)品以及不銹鋼生產(chǎn)過程中使用中頻感應爐熔化鉻鐵、鎳鐵等合金符合產(chǎn)業(yè)政策的規(guī)定。

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

二、中頻感應爐行業(yè)發(fā)展情況

自20世紀五六十年代中頻感應爐在工業(yè)領域廣泛使用，特別是鑄造領域的應用開始，“節(jié)能、安全、穩(wěn)定”就成為中頻感應爐的核心價值，時至今日，其核心價值仍未改變，這些核心價值保證鑄造企業(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。

長期以來，國內(nèi)的中頻感應爐市場存在兩極分化的狀態(tài)，國產(chǎn)的中頻感應爐多為質(zhì)量差、能耗高、故障頻出的低端產(chǎn)品，不能滿足客戶對設備穩(wěn)定性、節(jié)能性、安全性的要求。自20世紀90年代，美國應達、德國ABP等國外中頻感應爐制造廠商進入我國后，長期壟斷國內(nèi)的高端中頻感應爐市場，產(chǎn)品價格高昂，性價比不高，但由于選擇有限，客戶對高端中頻感應爐的需求只能選擇少數(shù)國外品牌。

據(jù)中國鑄造協(xié)會熔煉分會統(tǒng)計，截止2023年底，我國中頻感應電爐企業(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%，5000萬以上企業(yè)占比10%。2021年到2023年，在國家倡導節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟的大環(huán)境下，在鑄造行業(yè)新增和改造更新的中頻感應電爐按照設備總產(chǎn)值計算，市場規(guī)模分別達到了89億，95億和100億元，近三年總市值復合增長率約為5%。其中，高附加值的多供電高端中頻感應熔煉爐的占比接近20%。近年我國鑄造行業(yè)實現(xiàn)快速發(fā)展，截至國內(nèi)高端鑄造裝備取得了長足進步。其中以上海新研等為代表的國產(chǎn)中頻感應爐生產(chǎn)企業(yè)，在高端中頻感應爐市場打破國外品牌壟斷，并實現(xiàn)國產(chǎn)替代，目前其在國內(nèi)高端中頻感應爐市場的占有率已達到15%以上，具有較高的品牌知名度。

三、中頻感應爐產(chǎn)品標準情況

我國中頻感應電爐制造企業(yè)以中小微企業(yè)為主，屬于離散型產(chǎn)業(yè)，整個工藝流程由多個獨立的工藝或工序組成，堅持標準創(chuàng)新引領已成為促進我國中頻感應電爐產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展、促進產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)邁向中高端的重要途經(jīng)之一。中頻感應爐標準情況如下：

1、安全標準3項（等同采納IEC國際標準）

2、中頻爐試驗方法標準2項（等同采納IEC國際標準）

3、中頻爐產(chǎn)品技術(shù)標準6項

4、中頻爐產(chǎn)品能耗標準2項

5、中頻爐設備輔助及配套標準8項

6、中頻爐使用要求標準3項

7、地方標準

四、中頻感應爐技術(shù)發(fā)展展望

近年來本細分領域涉及的主要創(chuàng)新技術(shù)方向有：

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

2、高功率碳化硅電力電子器件關鍵技術(shù)的應用；

3、直流共母供電集成技術(shù)的應用；

4、高電壓變頻器技術(shù)的應用；

5、熔煉、鐵水轉(zhuǎn)運及澆注的一體化集中管控；

6、測溫取樣機器人的應用；

7 、超大噸位爐體、后傾機構(gòu)，實現(xiàn)大爐體的后傾扒渣；

8、爐體稱重技術(shù)的應用；

9、爐外自動扒渣裝置的應用… …

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