錢本華 張澤霖 蔣新力 秦鈺 徐希凱

摘 ?要：對降低光纖預(yù)制棒制造領(lǐng)域感應(yīng)爐能耗的方法開展了研究，主要用專業(yè)軟件分析，優(yōu)化了感應(yīng)線圈紫銅管尺寸、間距、匝數(shù)，形成最優(yōu)設(shè)計參數(shù)，并結(jié)合實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)驗證了實驗效果。同時，研究了石墨保溫筒選用長、短纖維以及纖維排布的方向?qū)Ω袘?yīng)爐能耗的影響;研究了感應(yīng)爐運動速度從300mm/min降至100mm/min，可以使石墨件使用壽命增加48.3%。

關(guān)鍵詞：感應(yīng)爐;降低能耗;感應(yīng)線圈設(shè)計;石墨保溫;光纖預(yù)制棒;

0 引言

光纖預(yù)制棒制造過程主要是由SiCl4發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成SiO2的過程，高純石英的熔化加工需要1900℃以上的溫度，因此能耗費用約占預(yù)制棒成本的10%～12%。在“碳達峰、碳中和”的國家戰(zhàn)略背景下，各省“限電”政策也對預(yù)制棒生產(chǎn)造成巨大影響。此時，開展降低預(yù)制棒生產(chǎn)能耗的研究，不僅可以降低預(yù)制棒成本，也響應(yīng)國家政策，為社會承擔(dān)應(yīng)有的企業(yè)責(zé)任。

1 感應(yīng)爐加熱原理及結(jié)構(gòu)

預(yù)制棒生產(chǎn)過程中，熱源主要為氫氧氣、石墨爐、感應(yīng)爐、等離子等，本文主要研究降低感應(yīng)爐能耗的方法。

感應(yīng)爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。感應(yīng)加熱過程是一種電和磁的耦合過程，高頻交流電通過感應(yīng)線圈產(chǎn)生交變磁場，作用于其范圍內(nèi)的導(dǎo)體（石墨中心管）上產(chǎn)生渦流發(fā)熱，通過熱輻射和熱對流，對其中的石英管進行加熱。石墨纖維制成的保溫筒（非閉環(huán)）位于感應(yīng)線圈與石墨中心管之間，用于發(fā)熱體保溫，阻擋熱能散失。

2 感應(yīng)線圈參數(shù)優(yōu)化及性能評估

通過專業(yè)感應(yīng)線圈設(shè)計軟件，就線圈的內(nèi)徑、寬度、匝數(shù)、間隙、銅管尺寸關(guān)鍵參數(shù)進行計算，選擇輸出功率最大、線圈損耗最小的整體最優(yōu)參數(shù)，如表1所示。

改進前（180mm）感應(yīng)線圈，一部分交變磁場被外部金屬爐體吸收，且由于熱區(qū)寬度小，石墨中心管被熱輻射區(qū)域小，造成部分能量丟失。

改進后（140mm）感應(yīng)線圈，減小外徑，增加熱區(qū)寬度，提高了石墨中心管熱吸收區(qū)域，能量利用率大幅度提高;同時，增加了線圈銅管截面積，增加了冷卻效果。

通過計算對比兩規(guī)格的功率輸出及線圈能量損耗，具體計算結(jié)果如圖2和3所示。以60kW感應(yīng)爐為例，相比改進前，改進后的140mm感應(yīng)爐的輸出滿功率從52.2kW提升至73.6kW，線圈能量損耗從29.0kW減低到19.8kW，降低了31.7%。

改進后（140）感應(yīng)線圈，熱區(qū)寬度由38mm提升至100mm，提高了石墨中心管熱吸收區(qū)域，能量利用率提高了263%;感應(yīng)線圈銅管截面積120mm2提高至196mm2，增加了163%，實際水流量從7L/min提升至12L/min，優(yōu)化冷卻效果，顯著提高了線圈的使用壽命。

如表2所示，通過實際使用可以看出感應(yīng)線圈改進后，達成所需溫度的功率從30.4kW降至23.9kW，能耗降低了21.4%，改進效果顯著。

3 石墨保溫對能耗降低的研究

石墨纖維保溫筒由聚丙烯腈、粘膠和瀝青作為基材，由碳素碳氈和固化碳氈等絕熱材料制成，其作用是保證感應(yīng)爐內(nèi)的熱量不散失，是影響感應(yīng)爐功率損耗的重要因素。

決定保溫筒性能的因素主要有材料、加工工藝、涂層工藝、均勻性等，本文對最重要的石墨纖維材料長度和纖維排布方向進行試驗，采取相同的溫度和使用條件進行連續(xù)生產(chǎn)。其中感應(yīng)爐實際功率均值及使用壽命統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表3所示。

感應(yīng)爐實際功率均值及使用壽命統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表3所示。可以看出，長纖維石墨保溫桶在功率能耗和使用壽命上相較于短纖維石墨保溫桶展現(xiàn)出更為優(yōu)秀的性能，能耗降低了7.2%，使用壽命延長了19%。另外，從纖維排布方向來看，軸向比徑向的保溫效果好，達到所需溫度的實際功率更低，能耗可降低0.8%，并且使用壽命增加了4.7%。

4 感應(yīng)爐移動速度對石墨件損耗影響

在預(yù)制棒石英管熔縮過程中，感應(yīng)爐與石英管之間的間隙逐漸變大，隨著感應(yīng)爐的移動，不可避免的空氣會進入高溫感應(yīng)爐內(nèi)，從而造成石墨件氧化，降低石墨件的使用壽命。感應(yīng)爐移動速度也是影響石墨件壽命的重要因素之一，為了提高石墨件壽命，對感應(yīng)爐移動速度與石墨件壽命的關(guān)系做了相應(yīng)研究，實驗結(jié)果如表4所示。

可以看出，在同樣的功率條件下，感應(yīng)爐移動速度越慢，石墨件使用壽命越久，其速度從300mm/min降至100mm/min，可以提高使用壽命約48.3%。

5結(jié)束語

本文從感應(yīng)線圈參數(shù)優(yōu)化、石墨件保溫效果、感應(yīng)爐移動速度的角度出發(fā)，探索了降低感應(yīng)爐能耗和延長石墨件壽命的方法。感應(yīng)線圈的優(yōu)化主要從減小外徑、增加熱區(qū)寬度、提高石墨中心管熱吸收效率等方面著手，大幅度提高了能量利用率，額定功率60kW的感應(yīng)爐降低了約6.5kW能耗。選用長纖維石墨保溫筒，且軸向排布纖維，可以有效提升保溫效果，降低1.6kW能耗。另外，還通過實驗論證了感應(yīng)爐運動速度從300mm/min降至100mm/min，可增加石墨件使用壽命48.3%，達到了降低能耗的目的。

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