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开创新一代感应熔炼技术——中国管理科学院产业创新研究所特聘专家张于彬

2020-11-11

 

坩埚式感应电炉是机械制造工业的重要基础装备,至今已有百年的历史。20世纪20年代,坩埚式感应炉熔炼技术实现了工业应用;40年代,铸造领域采用工频感应电炉熔炼;60年代,发展了三相平衡供电方法,工频电炉容量发展到70吨以上,典型工艺是采用留铁水熔炼工艺;90年代,中频炉(频率超过200赫兹以上)依靠电子技术发展,采用了恒功率技术改进批料工艺,显著提高了效率,逐步取代了工频炉留铁水工艺。
张于彬和他的团队作为坩埚式感应电炉领域的耕耘者,他们克服工频炉技术的固有缺陷,发明工频炉调功率技术,实现了工频炉调功率技术改进批料工艺,大幅度提升了运行效率,开创了新一代感应熔炼技术。
 
1 奋勇向前,发明调功率电路
20世纪70年代初,张于彬进入四川湔江机械厂工作,参与了我国早期工频电炉研制工作。1980年,他向四川省机械工程学会提交了《工频感应电炉容抗平衡器星型接法及电路特点》的论文,文中采用容抗平衡器的提法,被行业内专家评价为“有独特见解”和“原理上没有问题,分析亦是对的”。该论文率先提出了一种以星形接法为特征的相平衡器,并指出这种相平衡器的主要特点是改变了电炉电压源对电压源的操作特征。新系统具有某些电流源的供电特点,即不存在严重的操作过载过程。
20世纪80年代,张于彬研发的“工频感应电炉平衡调功方法”是当时世界先进的能够调节工频炉运行功率的技术方案。1993年该方法在重庆铜材二厂完成1例工业运行实验,获第七届全国发明展览会金奖。1996年,他在四川汽车制造厂铸造一分厂学习并应用中频炉资料,即第十一届多特蒙德铸造感应熔炼大会文献,从此确立了调功率电路的应用方向为工频炉改进批料工艺。
对于“调功率电路”名称的由来,张于彬解释:这源自一本书,当把电压换成电流、电感换成电容,就形成了一个新系统,原来的电路关系仍然能够成立,因此叫作对偶关系。针对斯坦因曼兹平衡系统,张于彬经过研究尝试,发现可以实现平衡。“斯坦因系统是恒压供电,电流调节,它的过电流无法约束,而新系统是恒流供电,电压调节,形成的电压是约束和有限度的,你愿意供多少电流它就形成多少(电压),这样系统就可操控了”。针对传统工频电炉的固有缺陷和新系统的特质,就直接把这种技术命名为工频电炉调功率技术。
 
2 敢为人先,提出感应炉理论的模型问题
随着科学技术的发展,感应电炉技术也与时俱进。1997年,李恩琪编著的《铸造用感应电炉》再版,同时汤景明在《工业加热》上举办“感应电热设备的设计讲座”,他们的观点已经不符合当时国家在电工学、电磁学界完善修订的新标准和新思想。对此,张于彬感到十分诧异。随后在2004年,张于彬得知了中国铸造学会关于感应炉发展中频炉的建议,他发现建议中关于中频炉部分的内容是错误的。这一次,他没有再继续保持沉默。2006—2008年,他多次向学术部门发出自己的声音,并通过中国发明协会等部门明确提出了感应炉理论的模型问题,进而否定了那些错误的学术思想。
 
3 坚持不懈,完成新型工频感应电炉定型方案设计
2010年,第十三届中国北京国际科技产业博览会期间,张于彬提出20吨新型工频感应电炉概念设计,随后又在《中国科技纵横》发表了《从我国感应炉发展历史看感应炉技术创新》一文。2012年,他申请了中国发明专利“一种工频坩埚式感应电炉熔炼过程控制方法及控制系统”(ZL201210239370.1),并于2014年获得授权。此后,张于彬一度打算放弃调功率概念,把它列入容易理解的调电压范畴,但经过深入研究后发现不妥,遂重新正式使用了调功率的概念。因为电炉在测量端、目标端和工艺分析都适合使用功率这个概念,这是感应熔炼特有的特点。
他说:“科研工作就是这样,你建立了它,再否定它,再认识它,最终接近了它,掌握了它”。2016年,张于彬改进了设计,完成了定型方案设计。随后用大量时间校对计算模型、熔炼规律性各方面的基本数理问题,解析和建立相关知识和方法,补充知识和认识。根据感应炉固有能耗规律,工频炉能耗低于中频炉,张于彬的研究超越了国际正在发展的中频炉恒功率技术,建立了全新的技术方法体系。
 
4 因势而谋,实现跨越发展
近年来,国内在坩埚式感应电炉领域不断取得新进展,感应炉的发展遵循频率下降炉容扩大的规律,这样的发展历程历史上从未停止。工频电炉和中频电炉没有本质区别,主要是供电方式不同,中频电炉采用了比较复杂的供电方式,即变频器。工频电炉构造简单,但其在合闸、三相平衡、功率因数调节中,操作困难,特别是调节它的运行电压或运行功率,历史上没有人能够调节工频电炉运行中的电压或者功率。
而张于彬提出的改进方法根本性改变了我国工频电炉的现状,他不对LC谐振系统直接进行操作,即不把电压直接加在LC谐振系统上,这样电压需要在操作后十几个周波以后才能够在LC谐振系统形成,有效减轻了操作系统的负担。仅通过改变供电电流,就彻底解决了工频电炉操作困难的问题,实现频繁操作。这种工频炉调功率技术与中频炉技术相比,省去了复杂的电子供电技术。此外,调功率技术比恒功率技术还多了一个维度,功能获得了增强,是完全的熔炼过程控制技术。与中频炉技术相比,工频炉技术大幅度降低了熔炼能耗、提高了经济性。除了变频器以外,工频炉技术比中频炉技术其他方面也简单很多,获取的运行历史经验参数也比中频炉丰富。这一技术已经进行了工业实验验证,是我国特有技术。
同时,张于彬和他领导的团队开展了对批料工艺的研究,随后将建立一套模型算法,进一步建立完整的设计方案和开发计划。
张于彬依靠自己的的努力,走完了“实践-认识-再实践”的道路。通过实践,逐步接近了工频炉调功率技术,成为新一代感应熔炼技术的先行者和领航人。