10kg真空中頻感應(yīng)爐裝置設(shè)計(jì)論文說明

1、. . . . 10kg真空中頻感應(yīng)爐裝置設(shè)計(jì)摘 要目前，隨著航天、航空、軍工、核電、能源、化工等領(lǐng)域的不斷向前發(fā)展，不僅特殊鋼、精密合金、電熱合金、高溫合金與耐蝕合金等特殊合金的的需求量越來越大，而且對(duì)其質(zhì)量要求更加苛刻，這就促進(jìn)了真空感應(yīng)爐的發(fā)展與研究。與其他冶煉方法相比，真空感應(yīng)爐熔煉能夠精確控制所煉鋼種或合金的成分；鋼或合金中氣體和非金屬夾雜物的含量水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他熔煉方法；真空感應(yīng)爐的溫度相對(duì)來說比較容易控制，而控制壓力水平就是真空感應(yīng)爐最顯著的特點(diǎn)。本課題研究的對(duì)象是10kg真空中頻感應(yīng)爐裝置的設(shè)計(jì)，包括工藝參數(shù)的選擇，坩堝材料的選擇以與尺寸的設(shè)計(jì)，感應(yīng)器材料的選擇與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，傾

2、爐機(jī)構(gòu)的選擇，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等，本課題的設(shè)計(jì)論述出了各部分的設(shè)計(jì)方法與原則以與計(jì)算設(shè)計(jì)過程和必要的強(qiáng)度校核。關(guān)鍵詞 真空，感應(yīng)爐，設(shè)計(jì)27 / 32ABSTRACTAt present,with the continuous development of some areas,such as aerospace,aviation,military industry, nuclear power,energy and chemical area, not only the demand of special alloyheat-resistingalloy, high temperature a

3、lloy, corrosion resistant alloyare increasing, but the quality requirements of this special alloy are becoming more stringent.All of this promoted the development and research of vaccum induction furnace. Compared with other smelting method, vaccum induction smelting furnace is able to precisely con

4、trol composition of steel or alloy, and gas and nonmetallic inclusions in steel or alloy are far below other smelting method.The temperature of the vacuum induction furnace is relatively easy to control,and control the pressure level is the most distinguishing feature of vacuum induction furnace.Thi

5、s research sets the target of 10 kg vacuum intermediate frequency induction furnace equipment design, including the selection of process parameters,the selection of crucible materiaand size design, material selection and structure design of sensors, furnace tiltingmechanism and cooling system select

6、ion. the topics addressed in the design of the various components of the design principles and calculation methods and design process and the necessary degree of intensity.Key wordsvacuum, induction furnace, design目 錄摘 要IABSTRACTII1緒 論11.1真空中頻感應(yīng)爐概述11.2 國(guó)外真空感應(yīng)爐使用狀況與發(fā)展趨勢(shì)11.3 真空感應(yīng)熔煉爐設(shè)計(jì)特點(diǎn)21.4 本課題研究的目的與意

7、義22真空中頻感應(yīng)爐冶煉工藝32.1 裝料32.2 熔化期32.3 精煉期32.3.1 精煉溫度42.3.2 真空度42.3.3 精煉時(shí)間42.4 出鋼和澆注5310kg真空中頻感應(yīng)爐設(shè)計(jì)理論計(jì)算63.1 計(jì)算所需要的原始數(shù)據(jù)63.2 配料計(jì)算73.2.1 全部使用新料73.2.2 使用部分返回料93.3 真空感應(yīng)爐爐襯耐火材料93.3.1 真空感應(yīng)爐用耐火材料的工作條件和特點(diǎn)93.3.2 感應(yīng)爐坩堝材質(zhì)93.3.3 坩堝制作方法103.4 坩堝尺寸計(jì)算103.4.1 確定坩堝的總體積和金屬液的體積103.4.2確定坩堝幾何尺寸113.5 感應(yīng)器123.5.1 確定感應(yīng)器的直徑123.5.2

8、確定感應(yīng)器的有用功率133.5.3確定感應(yīng)器的高度133.5.4 感應(yīng)器截面形狀的選擇143.5.5 感應(yīng)線圈銅管匝數(shù)的計(jì)算143.6 電源頻率的選擇153.7 磁軛173.8 水冷系統(tǒng)193.9 感應(yīng)器與爐料系統(tǒng)的熱計(jì)算203.10 傾爐機(jī)構(gòu)223.11 真空系統(tǒng)233.12 爐殼23結(jié)論25參 考 文 獻(xiàn)26結(jié)論271 緒 論1.1 真空中頻感應(yīng)爐概述真空感應(yīng)熔煉（VIM）就是在真空條件下，利用電磁感應(yīng)在金屬液導(dǎo)體產(chǎn)生渦流加熱爐料進(jìn)行熔煉的方法。一般應(yīng)用于金屬與合金的冶煉、提純、精煉與處理。真空冶金可保護(hù)金屬液不被大氣中氧等氣體物質(zhì)污染、分離沸點(diǎn)不同的物質(zhì)并可降低金屬中的氣體或其他雜質(zhì)含量

9、等，可以實(shí)現(xiàn)在大氣壓下無法實(shí)行的冶煉過程，提高冶煉金屬與合金的質(zhì)量。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)材料的性能要求越來越高，真空感應(yīng)爐冶煉為新材料的生產(chǎn)提供了保證，滿足了市場(chǎng)需求。為了適應(yīng)尖端技術(shù)對(duì)高性能與新型金屬材料的需求，真空冶金已成為現(xiàn)代冶金的一個(gè)重要領(lǐng)域。第二次世界大戰(zhàn)期間和戰(zhàn)后，正是由于各國(guó)對(duì)高性能金屬材料與新型金屬材料的需求，真空冶金技術(shù)的到了快速的發(fā)展。中國(guó)的真空冶煉在20世紀(jì)50年代后期開始的，到目前，我國(guó)的真空冶金已經(jīng)處在快速發(fā)展階段。 新型真空感應(yīng)爐熔煉又稱為真空感應(yīng)脫氣澆鑄VIDP（vacuum induction degassing pouring）,其具有熔煉室體積小，抽真空時(shí)

10、間和熔煉周期短，便于溫度壓力控、回收易揮發(fā)元素和準(zhǔn)確控制合金成分等特點(diǎn)1,6。1.2 國(guó)外真空感應(yīng)爐使用狀況與發(fā)展趨勢(shì) 真空感應(yīng)爐是特殊鋼、精密合金、電熱合金、高溫合金與耐蝕合金等特殊合金生產(chǎn)的重要工序之一，在航天、航空、軍工、核電等領(lǐng)域的材料生產(chǎn)中起著重要的作用。近年來，我國(guó)鑄件常量一直位居世界首位，連續(xù)幾年位居世界第一。我國(guó)的鋼產(chǎn)量和鑄件產(chǎn)量都位居世界前列，但優(yōu)質(zhì)鋼，高檔鑄件尚需從國(guó)外進(jìn)口。因此，多方面提高我國(guó)冶煉設(shè)備的裝備水平與其技術(shù)水平是十分必要的。多功能真空感應(yīng)爐，有利于提高鑄造用鋼的質(zhì)量，增加鑄造鋼和合金的品種，最終目的是為了提高現(xiàn)有冶金裝備與技術(shù)水平以與材料質(zhì)量，得到高水平的優(yōu)質(zhì)

11、產(chǎn)品。真空感應(yīng)爐隨著高產(chǎn)量、高生產(chǎn)率、高質(zhì)量的要求，冶煉過程和操作又都需要在真空室完成，容積和體積就越來越大，功能也越來越完善，加上計(jì)算機(jī)軟降的發(fā)展，自動(dòng)化程度也越來越高，即出現(xiàn)了多功能真空感應(yīng)爐。很多國(guó)鋼鐵公司、鑄造企業(yè)乃至高校和研究院，都在增添多功能真空感應(yīng)爐，可以認(rèn)為，多功能真空感應(yīng)爐具有廣泛的應(yīng)用前景。緊湊型真空感應(yīng)爐( VIDP) 在與其他澆注系統(tǒng)組合方面, 有很強(qiáng)的適應(yīng)性, 從而擴(kuò)展了真空感應(yīng)爐的功能, 實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用, 提高了綜合經(jīng)濟(jì)效益4,5。主要有以下幾種： 真空感應(yīng)爐與粉末霧化和吹氬工藝的組合； 真空感應(yīng)爐與鑄錠、電極鑄造、垂直連鑄和粉末霧化的多重組合；真空感應(yīng)爐與鑄錠、電

12、極鑄造和水平連鑄的組合。1.3 真空感應(yīng)熔煉爐設(shè)計(jì)特點(diǎn)在設(shè)計(jì)、制造和使用真空感應(yīng)爐時(shí)，應(yīng)緊緊抓著“真空”這一特性。選擇爐體部件的材料時(shí)，應(yīng)注意這些材料在真空中的性質(zhì)，不要選擇容易“放氣”的材料。在感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)尖角、銳棱等部位，位于爐的所有帶電體的表面都應(yīng)該圓滑并經(jīng)絕緣處理，以避免真空放電。電極引線可用同軸線，但必須考慮密封。坩堝材料應(yīng)根據(jù)被熔煉金屬性質(zhì)選定，可以 使用由于容易氧化而一般不在空氣中熔煉時(shí)使用的材料。例如，石墨作坩堝材料。為加速真空除氣，坩堝深度與平均徑之比值應(yīng)比非真空感應(yīng)熔煉爐的相應(yīng)值小，一般取坩堝深度與平均徑相等。真空熔煉的目的，主要在于能使液態(tài)金屬得以充分脫氣

13、，兒熔體又不會(huì)被氧化，因此應(yīng)使被熔煉金屬液得到足夠強(qiáng)的攪拌力，從而應(yīng)選擇較非真空爐低的工作平率。如果采用石墨坩堝，那么選擇的工作頻率應(yīng)使電流在石墨中的投入深度等于坩堝厚度的1.52倍3。1.4 本課題研究的目的與意義 本課題，通過查閱有關(guān)資料，了解國(guó)外真空感應(yīng)爐發(fā)展?fàn)顩r，設(shè)計(jì)真空感應(yīng)爐裝置，有益于我們利用所學(xué)的專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問題，對(duì)真空中頻感應(yīng)爐的工作原理、構(gòu)造、工作流程等有更深入的認(rèn)識(shí)和理解，為今后從事相關(guān)的工作或進(jìn)一步深造打下扎實(shí)基礎(chǔ)。此外，隨著我國(guó)對(duì)真空冶煉的研究，提高鑄造用鋼合金鋼產(chǎn)品的質(zhì)量，得到高水平的產(chǎn)品，從而提高國(guó)防事業(yè)以與人民生活質(zhì)量，因此研究真空冶金具有很多實(shí)際意義。2 真

14、空中頻感應(yīng)爐冶煉工藝真空感應(yīng)爐熔煉的整個(gè)周期可以分為以下幾個(gè)五主要階段，即裝料、熔煉、精煉、合金化和脫氧澆注等1,2,11。2.1 裝料真空感應(yīng)爐所用的爐料，一般都是經(jīng)過表面去銹和去油污后的清潔干燥原料，而大部分合金元素以純金屬形式加入。加料時(shí)，嚴(yán)禁使用潮濕的爐料，以免影響成品的質(zhì)量和在熔煉時(shí)發(fā)生噴濺。裝料時(shí)，應(yīng)做到上松下緊，以防止熔化過程中上部爐料因卡住或焊接住而出現(xiàn)“架橋”；高熔點(diǎn)又不易氧化的爐料，應(yīng)裝在坩堝的中、下部高溫區(qū)。大爐子裝料時(shí)，應(yīng)分幾次加入，而且要注意爐料對(duì)坩堝壁的沖擊。易氧化的的爐料，應(yīng)在金屬液脫氧良好的條件下加入；為減少易揮發(fā)元素的揮發(fā)損失，可以以合金的形式加入金屬熔池中，

15、或在熔煉池中充入一定量的惰性氣體（如氦氣），以保持一定的爐壓力。對(duì)于大容量的爐子，可以采用熱裝，熱裝料法是將爐料預(yù)先在感應(yīng)爐或電弧爐中按成分要求熔化，然后將鋼液注入真空感應(yīng)爐進(jìn)行冶煉。這種熱裝料法的優(yōu)點(diǎn)是可以用較差的爐料，在熔煉爐可以除磷和硫等雜質(zhì)，感應(yīng)爐省去了熔煉期，總的冶煉時(shí)間可以縮短1/3，大大提高了大型真空感應(yīng)爐的生產(chǎn)效率。2.2 熔化期對(duì)于連續(xù)式生產(chǎn)真空感應(yīng)爐，裝料完后，即可送電進(jìn)行熔化。熔化期的主要任務(wù)是熔化爐料。熔化初期，由于感應(yīng)電流的集膚效應(yīng)，爐料逐層熔化。這種逐層熔化非常有利于去氣和去除非金屬夾雜物，所以熔化期要保持較高真空度和緩慢的融化速度。熔化期由于有大量的氣體析出，要保

16、證真空系統(tǒng)有足夠的抽氣速度。如果熔化速度過快，氣體將急劇地從鋼液析出，容易引起鋼液噴濺。噴濺的鋼液會(huì)使上部未熔化的爐料粘結(jié)在一起，出現(xiàn)架橋現(xiàn)象。不同容量真空感應(yīng)爐熔化速度見表2.1。當(dāng)金屬液全部熔化，熔池表面無氣泡逸出的時(shí)候，熔煉就進(jìn)如精煉期。表2.1 不同容量真空感應(yīng)爐熔化速度容量/t0.20.5122760熔化速度/t·h-10.10.22.2.73.152.3 精煉期精煉期的主要任務(wù)是提高金屬液的純度以與進(jìn)行合金化操作。同時(shí)，還要調(diào)整熔池的溫度和進(jìn)行合金化。隨著精煉期的延長(zhǎng)，熔體中氧含量氧迅速降低，沸騰慢慢地減弱，最后鋼液面處于平靜狀態(tài)。這時(shí)微量有害雜質(zhì)元素繼續(xù)揮發(fā)，夾雜物部分

17、分解去除。精煉后期，在充分脫氧和脫氮條件下，鋼液中氣體與夾雜物含量降低到較低水平時(shí)，加入活潑元素和微量元素，使鋼液成分達(dá)到出鋼要求?；顫娫氐募尤腠樞?yàn)锳l、Ti、Zr、B、Re。加入是溫度要調(diào)整到結(jié)膜溫度，防止這些元素與鋼液中的氧反應(yīng)，大量放熱，使鋼液過熱。加入活潑元素時(shí)。應(yīng)做到均勻、緩慢，以免鋼液產(chǎn)生噴濺，加入后用大功率攪拌鋼液12min，以加速合金的熔化和分布均勻。由于錳的揮發(fā)性很強(qiáng)，一般在出鋼前35min加入。鎂和鈣要以中間合金形式加入，這樣可以大大提高回收率。精煉期的主要工藝參數(shù)有精煉溫度、精煉時(shí)間、精煉真空度。為了順利完成精煉期的任務(wù)，必須控制好這些工藝參數(shù)。2.3.1 精煉溫度

18、精煉溫度影響坩堝所進(jìn)行的所有的反應(yīng)。升高溫度有利于氮氧化物的分解，可以降低鋼液中的氮含量。升高溫度有利于脫氮反應(yīng)的進(jìn)行，也有利于微量有害雜質(zhì)元素的揮發(fā)。但精煉期的溫度不能過高，防止鋼液與坩堝之間反應(yīng)加劇。同時(shí)，高溫還會(huì)加速合金成分的揮發(fā)損失。因此，在精煉期應(yīng)嚴(yán)格控制熔池溫度，通常合金鋼的精煉溫度控制在所煉合金熔點(diǎn)以上100。熔點(diǎn)tR的計(jì)算公式如下：tR=1535-65C+30P-25S-20Ti-8Si-7Cu-5Mn-2.5Ni-2.7Al-2V-1.7Mo- 1.5Cr-1.7Co-1W-1300H-90N-80B-80O-5Ce-6.5Ni2.3.2 真空度真空熔煉的精煉期，提高真空度將

19、促進(jìn)碳的脫氧反應(yīng)。隨著一氧化碳?xì)馀輳慕饘偃鄢刂械纳细∨懦?，有利益N、H的析出，以與非金屬夾雜的上浮，所以真空度的高低直接影響著所煉產(chǎn)品的純凈度。但是，過高的真空度將會(huì)導(dǎo)致坩堝耐火材料與金屬液相互作用的加劇，合金元素的損失增大。所以，精煉期的真空度并非越高越好。對(duì)大型真空感應(yīng)爐，精煉期真空度通常控制在12150Pa圍。而對(duì)于小型爐，一般控制在0.11Pa圍。2.3.3 精煉時(shí)間所有精煉反應(yīng)都有一定的速度，所以精煉時(shí)間越長(zhǎng)，反應(yīng)進(jìn)行就越趨于平衡。當(dāng)被脫出的元素在精煉過程中沒有來源時(shí)，則隨著精煉時(shí)間的延長(zhǎng)，這些元素的含量就會(huì)越來越低，只是脫除的速度越來越小。對(duì)于O含量，因?yàn)橛雄釄宀牧系墓┭?，所以金?/p>

20、熔池中的氧含量隨著精煉時(shí)間的變化取決于脫氧速度與供氧速率之和 。在真空保持的最初階段，脫氧速率大于供氧速率，所以氧的含量是下降的，到一定時(shí)間后，供氧速率就大于脫氧速率，氧降到最低值的時(shí)間也就是精煉時(shí)間。2.4 出鋼和澆注 合金化結(jié)束后，坩堝中金屬液達(dá)到目標(biāo)成分和溫度后，真空室的真空度也符合技術(shù)要求的規(guī)定，即可以出鋼。澆注到保溫帽時(shí)，與破真空，立即打開真空室加發(fā)熱劑和保溫劑。對(duì)于成分復(fù)雜的高溫合金，澆注后在真空下停留1520min，再破真空。對(duì)于大型連續(xù)式真空感應(yīng)爐，鑄錠可以讓它在真空下冷卻。3 10kg真空中頻感應(yīng)爐設(shè)計(jì)理論計(jì)算3.1 計(jì)算所需要的原始數(shù)據(jù) 1) 已知爐料材質(zhì)，即被融化金屬或合

21、金的名稱、成分，據(jù)此可由有關(guān)資料查出爐料的物理參數(shù)： 本課題以超低碳型奧氏體不銹鋼00Cr18Ni9為基礎(chǔ),其化學(xué)成分見下表表3.1 00Cr18Ni9化學(xué)成分7 （%）CSiMnCrNiSP0.031.0217198100.0300.035表3.2 00Cr19Ni10計(jì)算成分A7 （%）CSiMnCrNiSP0.020.81.51890.0250.030表3.3 爐料的種類與其成分1爐料化學(xué)成分 /%CSiMnPSCrNiAlFe電解鎳0.030.0010.01099.9其余電解錳0.0399.30.0010.013其余硅鐵0.0447.30.30.0250.04其余鉻鐵0.060.390

22、.0540.00369.2其余工業(yè)純鐵0.030.030.10.0110.015其余鋁0.1899.82融化溫度tR=1435；澆注溫度tJ=1535。 為了簡(jiǎn)化這以所煉鋼種的成分代替爐料成分計(jì)算熔點(diǎn)，根據(jù)表3.2得1：tR=1535-65C+30P-25S-20Ti-8Si-7Cu-5Mn-2.5Ni-2.7Al-2V-1.7Mo -1.5Cr-1.7Co-1W-1300H-90N-80B-80O-5Ce-6.5Ni =1535-65×0.02+30×0.03-25×0.025-8×0.8- 5×1.5-1.5×18-6.5

23、5;9 =1435而澆注溫度一般比熔點(diǎn)高100，因此， tJ=tR+100=1435+100=1535 式（3.1）查3表附表一得爐料在澆注溫度時(shí)的熱含量qJ=660.4千卡/公斤；常溫時(shí)爐料的比熱qB=0.5×103千卡/公斤·度7；爐料在冷態(tài)（常溫）時(shí)的電阻率L=0.0013歐姆·厘米7；爐料在熱態(tài)（融化或澆注）時(shí)電阻率R=0.016歐姆·厘米7；相對(duì)導(dǎo)磁率：冷態(tài)rL=35.0，熱態(tài)rR=4.71；爐料的比重：冷態(tài)L=7.9，熱態(tài)R=7.5，克/厘米3。2）爐子容量，GG=10公斤；和熔煉時(shí)間R=0.5小時(shí)。 3）爐料粒度，4896mm。3.2 配料

24、計(jì)算 在真空感應(yīng)爐熔煉中，要將多余的元素（包括磷、硫等雜質(zhì)）去除，要比電弧爐熔煉時(shí)困難的多。為此在真空感應(yīng)爐熔煉時(shí)，就不安排去除多余元素的冶煉任務(wù)了，要求定量地知道入爐的每種爐料的成分，并通過計(jì)算以保證最終產(chǎn)品的成分達(dá)到預(yù)定的成分。3.2.1 全部使用新料下面以100kg爐料為基準(zhǔn)進(jìn)行配料計(jì)算。根據(jù)熔煉工藝特點(diǎn)確定元素回收率P列于表3.4中。在100kg爐料中，合金元素的需要量為：式（3.2）式中A為計(jì)算成分。計(jì)算結(jié)果列于表3.4中。鋼種成分選用爐料，爐料種類與其成分列于表3.3中。表3.4 合金元素回收率和需要量2計(jì)算容化學(xué)成分 /%CSiMnCrNiSP回收率 P/%50909598100

25、100100需要量/kg 0.040.891.6718.3790.0250.030 各種爐料需要量計(jì)算如下：電解鎳 9÷99.9%9.01 (kg) 由此帶入的碳、硫、磷量為： C 9.01×0.03%0.0027(kg) ； S 9.01×0.01%0.0009 (kg)； P 9.01×0.001%0.0009 (kg) 鉻鐵 18.37÷69.2%26.55 (kg)由此帶入的碳、硫、磷、硅量為： C 26.55×0.06%0.0159 (kg) ； S 26.55×0.003%0.00080 (kg)； P 26.5

26、5×0.054%0.0143 (kg)； Si 26.55×0.39%0.1035 (kg)硅鐵量的計(jì)算。鋁、工業(yè)純鐵和鉻鐵中含有硅，忽略鋁中的含量，工業(yè)純鐵的量按照估計(jì)值帶入，則硅鐵量為: 0.89-0.1035-（100-9.01-26.55）×0.03%÷47.3%=1.632(kg)由硅鐵帶入的碳、硫、磷、錳量為： C 1.632×0.04%0.00065 (kg) ； S 1.632×0.04%0.00065 (kg)； P 1.632×0.025%0.0004 (kg)； Mn 1.632×0.3%0.

27、00490 (kg)同理，點(diǎn)解錳量為： 1.67-0.00490-（100-9.01-26.55-1.632）×0.1%÷99.3%=1.614(kg)由電解錳帶入的碳、硫、磷量為: C 1.614×0.03%0.00048 (kg) ； S 1.614×0.013%0.00021 (kg)； P 1.614×0.001%0.000016 (kg)則工業(yè)純鐵量為： 100-9.01-26.55-1.632-1.614=61.194(kg)由工業(yè)純鐵帶入的碳、硅、錳、硫、磷量為： C 61.194×0.03%0.0183(kg) ； S

28、 61.194×0.015%0.00920 (kg)； P 61.194×0.011%0.00673 (kg)； Mn 61.194×0.1%0.061 (kg)； Si 61.194×0.03%0.0183 (kg)將計(jì)算所得工業(yè)純鐵量帶回上述硅鐵、電解錳計(jì)算式，再次核定硅鐵、電解錳加入量，硅鐵量為1.624(kg)，電解錳為1.615(kg)并再次核算工業(yè)純鐵量，核定為61.20(kg)鋁： 用鋁終脫氧加入量為0.05%，則：Al 0.1%×100=0.05(kg)將以上計(jì)算容逐項(xiàng)填入配料平衡表中。表3.5表明，C、S、P沒有超標(biāo)，其他合金

29、元素量都滿足要求。表3.5 100kg爐料的配料計(jì)算平衡爐料加入量/kg化學(xué)成分 /%CSiMnPSCrNiAl電解鎳9.010.00270.000100.000909電解錳1.6150.000481.600.000020.00021硅鐵1.6240.000650.7680.004870.000400.00065鉻鐵26.550.0160.10350.014300.0008018.37工業(yè)純鐵61.200.0180.0180.06120.00670.00918鋁0.05100合計(jì)（不含呂）1000.0380.8901.6700.02150.011718.379表中，碳的含量大于0.03%，但由

30、于真空感應(yīng)爐冶煉的鋼種碳回收率遠(yuǎn)小于50%，因此符合要求。 假設(shè)鋼液澆注成1只重量為9kg的鋼錠，并假設(shè)鋼液在熔煉與澆注過程損失率為10%，則裝入量為： m=9×1.10=9.9 (kg)當(dāng)裝入量為9.9kg時(shí)，平衡表中各種元素或特合金加入量乘以系數(shù)0.099，則各種爐料量如表3.6所示。表3.6 各爐料量（kg）爐料電解鎳電解錳硅鐵鉻鐵工業(yè)純鐵加入量0.890.160.162.636.063.2.2 使用部分返回料有時(shí)利用返回料進(jìn)行熔煉鋼種，可分為以下三種情況：返回料與熔煉鋼種的成分相似；返回料中相應(yīng)成分低于熔煉鋼；返回料成分高于相應(yīng)成分。以上三種情況中，只有最后一種情況返回料的用

31、量受到限制，在這本課題不對(duì)此作討論。3.3 真空感應(yīng)爐爐襯耐火材料3.3.1 真空感應(yīng)爐用耐火材料的工作條件和特點(diǎn)在冶煉過程中爐襯耐火材料反復(fù)受到急冷急熱，金屬液對(duì)爐襯耐火材料產(chǎn)生強(qiáng)烈的機(jī)械沖刷，而且爐襯材料的溫度梯度非常大。因此，爐襯耐火材料必須具有以下特性10：具有足夠高的耐火度和荷重軟化溫度，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，不易與金屬熔渣與其熔化時(shí)所存在的成分等發(fā)生反應(yīng)。具有良好的熱震穩(wěn)定性。具有高的高溫機(jī)械強(qiáng)度。材料的施工性能良好，填充密度高，不易被熔液潤(rùn)濕和滲透，不易產(chǎn)生爐結(jié)瘤，維修方便，具有良好的隔熱性和絕緣性。資源豐富，便宜，而且材料要不容易“放氣”。3.3.2 感應(yīng)爐坩堝材質(zhì)真空感應(yīng)爐坩

32、堝有三種類型，即堿性坩堝、酸性坩堝和中性坩堝。用于制作堿性坩堝的耐火材料一般為氧化鎂，用于制作中性坩堝的材料有氧化鋁、MgO·Al2O3復(fù)合氧化物、石墨等，但用于制作酸性坩堝的材料只有氧化硅。常用坩堝材料的允許使用最高工作溫度見表3.7。表3.7 常用坩堝耐火材料的允許使用的最高工作溫度2坩堝材料礦物成分/%熔點(diǎn)/最高工作溫度/備注鋯英石ZrO2·SiO29525501650中性普通鎂砂MgO9020001700堿性電容鎂砂MgO9823001800堿性鋯英石ZrO2·SiO29525501650中性尖晶石MgO70,Al2O33021351800弱堿性真空感應(yīng)爐

33、一般選擇電熔鎂砂作為坩堝材料，下表為電熔鎂砂的成分和性能。表3.8 電熔鎂砂的成分和性能2等級(jí)成 分/%灼燒減量/%真密度/g·cm-3MgOCaOSiO2Fe2O3+Al2O3197980.71.01.00.253.57296971.01.51.50.303.56394961.52.52.00.403.55492941.53.52.50.403.54表3.8中，1、2級(jí)產(chǎn)品可用作真空感應(yīng)爐坩堝材料,本設(shè)計(jì)選擇2級(jí)電熔鎂砂。隔熱層材料本課題選擇石棉板。3.3.3 坩堝制作方法 坩堝制作方法有3種：爐外成形預(yù)制坩堝是將砂料裝入磨具加壓制成，適用于容量較小的感應(yīng)爐；爐成形坩堝時(shí)利用手工或

34、機(jī)械的方法在爐打結(jié)制成，適用于中小型感應(yīng)爐；砌筑式坩堝時(shí)用耐火材料磚和填料在爐砌筑而成，適用于大容量感應(yīng)爐。本課題所設(shè)計(jì)的真空感應(yīng)爐容量為10kg，因此，本課題選擇在爐外成形預(yù)制坩堝。3.4 坩堝尺寸計(jì)算3.4.1 確定坩堝的總體積和金屬液的體積 實(shí)際上，由于金屬液的攪動(dòng)和可能的超裝，坩堝的裝料體積應(yīng)比有效容積大25%30%。為了簡(jiǎn)化運(yùn)算, 以所煉鋼種固態(tài)體積代替鋼液體積。 金屬液體積 式（3.3）總體積 式（3.4） 式中 rm熔融金屬比重，克/厘米3；GG爐子額定容量，公斤； K液態(tài)金屬占坩堝體積率,一般為2/33/4。3.4.2確定坩堝幾何尺寸 確定坩堝尺寸是，應(yīng)考慮的一些主要因素如下3

35、：1） 坩堝的高度和直徑必須有一定比例，坩堝高度偏矮時(shí)，坩堝的電磁場(chǎng)強(qiáng)度便分布不均勻，而無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定熔煉，而且占地面積比較大。對(duì)于真空感應(yīng)爐來說，則要求有較大的爐室容積。2） 坩堝的高度偏高時(shí)，線圈匝數(shù)增多，裝料、澆注多有不便，而且漏磁通增加，效率降低。3） 打結(jié)坩堝時(shí)，為了便于拔出模具，坩堝必須具有一定錐度。坩堝徑應(yīng)上大下小，一般錐度應(yīng)大于1%，但為增加坩堝強(qiáng)度與便于制作感應(yīng)器，坩堝外經(jīng)應(yīng)該大小一致。4） 本課題設(shè)計(jì)的熔煉爐采用圓無芯形坩堝，其各部分尺寸如圖所示：圖3.1 圓形無芯坩堝1由于坩堝徑D和有效高度H（即金屬熔體高度）有一個(gè)合適比值A(chǔ)=D/H。一般可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來確定A值，坩堝容積越小

36、比值越小這樣便有一定高度來布置線圈，因而小容量爐子的高度通常比直徑大得多 。設(shè)計(jì)可參考下表來確定A值。表3.9 A值和c/D值選擇表爐子容量，公斤<500500150015003000>3000A=D/H值0.50.70.70.750.750.80.81c/D值0.160.250.140.200.120.160.10.15 式 （3.5）式（3.6）式（3.7）式中H熔體高度，即坩堝有效高度；HG坩堝的高度。3.5 感應(yīng)器感應(yīng)器（感應(yīng)線圈）是真空感應(yīng)爐的關(guān)鍵部分，電源通過感應(yīng)器把功率傳遞到冶煉的金屬爐料中。3.5.1 確定感應(yīng)器的直徑爐襯厚度與爐子的容量有關(guān)，確定爐襯厚度C值時(shí)，必

37、須考慮兩個(gè)因素：一是盡量減少爐子的無功損耗，C值越大，爐子的無用功損耗就越大，從減少無用功損耗、提高爐子功率因素的角度出發(fā)，C值越小越好；二是坩堝必須具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和一定的壽命，這顯然C值大一點(diǎn)好。同時(shí)，絕緣層應(yīng)保證能耐受線圈的工作電壓，由于隔熱層太薄會(huì)帶來大量的熱損失，且對(duì)感應(yīng)線圈的工作不利，所以z也不能太小?？傊?，感應(yīng)器線圈與爐料之間的距離，即爐襯的厚度，應(yīng)在保證爐襯具有足夠長(zhǎng)的使用壽命和較高的熱效率的條件下盡可能短，以提高爐子的電效率和功率因素3。感應(yīng)器的徑D1與坩堝徑D、壁厚與隔熱絕緣層的厚度有關(guān)，即 D1=D+2G+2z=D+C 式（3.8）式中 G坩堝壁厚（平均值），厘米； z

38、隔熱和絕緣層厚度，一般為0.40.8厘米; C=G+z爐襯厚度，厘米。一般可以參照表3.9C/D值選擇G，分別確定G、z的值取 z=0.5，C/D=0.25則 C=0.25D=0.25×9.33=2.33 （厘米） G=C-Z=2.33-0.5=1.83 (厘米)則感應(yīng)爐徑， D1 =D+2C=9.31+2×2.33=13.97 (厘米)坩堝外徑， D3 =D+2G=9.31+2×1.83=12.99 （厘米）感應(yīng)器徑， D2=D+2d0=13.9+2×1.96=17.8 （厘米） 其中，d0是銅管的外徑，根據(jù)后面3.5.5節(jié)計(jì)算得d0=1.96厘米。3

39、.5.2 確定感應(yīng)器的有用功率感應(yīng)爐的有用功率PR表示單位時(shí)間，電源通過感應(yīng)器傳給爐料的能量，其中包括感應(yīng)器本身的熱損失。PR值決定于生產(chǎn)、金屬的熱容量與爐子的熱效率。確定PR值時(shí)，可以先假設(shè)爐子的熱效率，利用爐子額定容量進(jìn)行近似計(jì)算，然后根據(jù)熱量平衡方式進(jìn)行感應(yīng)器爐料系統(tǒng)的熱計(jì)算結(jié)果來校正1。已知爐子額定容量GG=10（公斤），則 （3.9） 式中 R爐子的熱效率，通?？扇?.70.9.爐子的熱效率表明感應(yīng)器傳給 爐料的能量被利用的程度，一般，爐子容量小，熱效率較低，應(yīng)取 小值;在這取0.7; R爐料的熔煉時(shí)間，小時(shí)；在這取0.5小時(shí)。 860電熱當(dāng)量，即每一千瓦·小時(shí)電能相當(dāng)于8

40、60千卡熱量； qJ爐料在澆注時(shí)的熱含量，千卡/公斤。 為了簡(jiǎn)化，在這直接用00Cr18Ni9不銹鋼代替爐料計(jì)算qJ，通過表2.2計(jì)算00Cr18Ni9的熔點(diǎn)，而澆注溫度一般在熔點(diǎn)以上100左右。 查表得，00Cr18Ni9在澆注溫度1535 時(shí)的含熱量為660.4千卡/公斤。3.5.3確定感應(yīng)器的高度 感應(yīng)器的高度H1可以由已選定的熔體高度H求得，因?yàn)楦袘?yīng)器要保證坩堝部的爐料充分加熱，就必須使所有爐料處于感應(yīng)器產(chǎn)生的電磁場(chǎng)中。對(duì)中頻感應(yīng)爐通常讓感應(yīng)器完全包圍爐料，即選用 H1=(1.11.3)H 式（3.10） 按上式得到的H1值，對(duì)融鋁、鎂、鋅感應(yīng)爐取小值，熔銅、鋼、鑄鐵感應(yīng)爐取較大值。對(duì)

41、于本課題設(shè)計(jì)的真空感應(yīng)爐取， H1=1.3H=1.3×18.62=24.2（厘米）坩堝的各項(xiàng)尺寸如下圖所示（單位：厘米）：圖3.2 圓形無芯坩堝各項(xiàng)具體尺寸3.5.4 感應(yīng)器截面形狀的選擇感應(yīng)線圈材料一般都選銅管，銅管可以由各種形狀：圓管、扁圓管、方形管、長(zhǎng)方形管、偏心方空管和偏心圓孔管等。圖3.3 感應(yīng)器用銅材截面形狀無芯真空感應(yīng)爐一般采用密繞的圓筒形狀。因此，本課題也選用圓筒形狀。3.5.5 感應(yīng)線圈銅管匝數(shù)的計(jì)算感應(yīng)器傳遞功率的能力取決于電流通過感應(yīng)器所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，也即感應(yīng)線圈的匝數(shù)。為了的到大的加熱功率，流過感應(yīng)器的電流很大，以致在感應(yīng)器中的點(diǎn)損失可達(dá)到爐子有用功率的20

42、30%。這一部分損失將變?yōu)楹艽蟮臒?，加上由被熔金屬通過爐襯傳來的熱量，就使得在一般情況下必須對(duì)感應(yīng)器進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。因此，感應(yīng)器要用空心銅管制成，里面通水冷卻。 感應(yīng)器在工作時(shí)，由于集膚效應(yīng)，電流大部分集中在向著爐料的一側(cè)。從經(jīng)濟(jì)上的合理性以與由電磁場(chǎng)理論推出的電能損失最小條件考慮，都要求感應(yīng)器面對(duì)爐料一側(cè)的銅管壁厚，即所謂最佳壁厚 j=1.57，為電流滲透深度，實(shí)際上一般可取j>1.3即可。各種頻率下銅管壁厚的最佳值和一般選用值見下表。表3.10 感應(yīng)線圈銅管的側(cè)壁厚選用表2滲透深度與壁厚，毫米電源頻率，赫茲50100150200400500100025008000滲透深度10.17.1

43、5.85.03.63.22.31.40.8最佳壁厚15.911.29.17.95.753.62.21.3壁厚的一般選用值1020912710694.56.546352412 因本課題設(shè)計(jì)的真空感應(yīng)爐頻率為2500Hz，所以選擇壁厚j=2.2mm感應(yīng)器銅管的長(zhǎng)度與諧振電路的電感L有關(guān)。應(yīng)為XL=L=R=l/d0，銅管的長(zhǎng)度為2： 式（3.11）式中 d0銅管的直徑，1.96厘米； L諧振電路的電感，3.5×10-4哼； 銅管的電阻率，為0.0175歐姆·厘米；假設(shè)銅線圈是緊密繞在坩堝外面的，那么就有： 式（3.12） 變形得 式（3.13）式中R為銅管線圈的外半徑。則銅線圈水

44、流股的半徑：下面計(jì)算感應(yīng)線圈的匝數(shù)，感應(yīng)線圈匝數(shù)為 式（3.14） 因?yàn)楦袘?yīng)器的每一匝之間并不是緊挨著的，所以匝數(shù)應(yīng)該小于12.3，在這匝數(shù)取為12圈。為了簡(jiǎn)便，本課題取感應(yīng)線圈的聯(lián)組數(shù)NZ=1。3.6 電源頻率的選擇 真空感應(yīng)爐加熱的電流頻率可在50Hz10MHz圍，工頻真空感應(yīng)爐頻率在50Hz以下，中頻真空感應(yīng)爐平率在5010000Hz，高頻真空感應(yīng)爐頻率在10000Hz以上。選擇頻率的重要依據(jù)是加熱效率和溫度分布。熔煉工藝要求加熱溫度均勻，同時(shí)考慮功率密度和攪拌力。但頻率高的電源設(shè)備價(jià)格較貴。因此，選擇電源頻率最終需要考慮綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。感應(yīng)線圈加熱坩堝中金屬，金屬得到的單位有用功功率

45、用下式表示2： 式（3.15）式中 P被加熱金屬物體單位表面接收的功率，W/cm2; I感應(yīng)器中的電流，A； 感應(yīng)器1cm長(zhǎng)度上的匝數(shù)； k小于1的修正系數(shù)； 被加熱物體的相對(duì)磁導(dǎo)率； 被加熱物體電阻率，； f電流頻率，Hz。從上式看出，感應(yīng)器電流保持不變時(shí)，電流頻率越大，單位面積的金屬接收功率越高，即熱效率高。K與D/2C 成正比關(guān)系。圖3.4 K與D/2C的關(guān)系曲線前面一算出c/D=0.25，則D/2c=2,從上圖?？傻?，k=0.5。在考慮熱效率的同時(shí)，也要考慮加熱時(shí)的溫度分布。當(dāng)感應(yīng)加熱圓柱形導(dǎo)體時(shí)由于集膚效應(yīng)，只有表面會(huì)快速升溫，兒中心部分則需要靠熱傳導(dǎo)，從表面高溫區(qū)向部低溫區(qū)傳導(dǎo)熱量

46、。表面與中心的溫差T，可用下式表示2： 式（3.16）式中 Kc被加熱金屬物體熱導(dǎo)率，W/（c·K）； Kt小于1的修正系數(shù)； P0被加熱物體表面功率，W/cm2； Pr被加熱物體的散熱損失，W/cm2。從上式中可知，T與Kt有關(guān)，Kt與D/2c的值有關(guān)，當(dāng)D/2c增大，Kt值迅速增大。T越小，工作溫度越趨于平均，有利于提高電效率。因?yàn)镈/2c與熱效率成正比，與電效率成反比，所以，為提高感應(yīng)加熱的效率，頻率與爐容有個(gè)合適的關(guān)系。這種關(guān)系列于表3.11。表3.11 感應(yīng)爐頻率與爐子容量關(guān)系2頻率 /Hz50601501805001000300010000爐子容量/t0.74500.18

47、1200.04220.01580.0031.60.0010.3 電源電壓與爐容同樣也有個(gè)合適的關(guān)系。這種關(guān)系見下表。表3.12 電源電壓與爐子容量關(guān)系1爐子容量/kg<250250500500300030008000電源電壓/V220,38075015001000200015003000本課題設(shè)計(jì)爐子容量為10kg，因此感應(yīng)爐頻率選擇2500Hz，電壓選擇220V。 電流的滲透深度計(jì)算： 冷態(tài)時(shí) 式（3.17） 熱態(tài)時(shí) 式（3.18）式中 被加熱物體的電阻率，歐姆·厘米； 被加熱物體的相對(duì)磁導(dǎo)率； f電流頻率，Hz。3.7 磁軛在中頻感應(yīng)器的外部，常常裝設(shè)用0.2或0.35毫米

48、厚硅鋼片疊成的磁軛，磁軛主要起屏蔽作用，以約束感應(yīng)器的漏磁通向外發(fā)散，以防止?fàn)t殼、爐架和其他金屬結(jié)構(gòu)發(fā)熱的作用。設(shè)置磁軛后，爐子的電效率和功率因數(shù)均有所改善。磁軛的形狀有L形，形和丨形。形約束外散磁通的效果很好，但裝卸感應(yīng)器較難，多用于中小型爐子。目前更多采用形L和 丨形磁軛。磁軛還起著支撐和固定感應(yīng)器的作用，在爐子工作和翻轉(zhuǎn)時(shí)使感應(yīng)器不發(fā)生松動(dòng)。磁軛的形狀、長(zhǎng)度、根數(shù)以與排列位置的確定，應(yīng)主要根據(jù)磁軛在感應(yīng)器周圍布置和制造的方便，以與感應(yīng)器和爐架的結(jié)構(gòu)與傳熱效果，此外，還應(yīng)考慮避免爐料或?qū)щ娵釄宓鹊镁植窟^熱，此外一般都選多個(gè)磁軛。為了使磁力線均勻分布，磁軛也應(yīng)盡可能均勻地分布于感應(yīng)器的圓周上

49、，一疊片厚度應(yīng)大于其寬度，這樣有利于導(dǎo)引磁力線3。 1.計(jì)算通過感應(yīng)器外側(cè)的最大磁通量m 式（3.19） 式（3.20） 2. 磁通量的總截面積AF1 式（3.21）式中 Kl漏磁系數(shù)，其值取決于感應(yīng)器外側(cè)磁通通過磁軛部分的多少，一般 可取0.80.9； kF硅鋼片的疊片系數(shù)，一般為0.90.95； Ui感應(yīng)器兩端的電壓，伏； Bm磁軛磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，對(duì)于中頻來說，可取5004000高斯，頻 率高者取小值； Wl感應(yīng)器每一并聯(lián)路的匝數(shù)，若并聯(lián)組數(shù)NZ=1，則Wl就是感應(yīng)器的總匝數(shù)，即Wl=W。漏磁系數(shù)取0.85，硅鋼片的疊片系數(shù)取0.925，感應(yīng)器兩端的電壓為220V，磁軛磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小取

50、1000，W1=10。 3. 確定磁軛個(gè)數(shù)NF確定磁軛個(gè)數(shù)，主要根據(jù)安裝和制造的方便，往往是隨爐子的容量增大而增多。為了減少漏磁，則磁軛個(gè)數(shù)越多越好。國(guó)產(chǎn)的250公斤爐的磁軛個(gè)數(shù)為7，因此，本課題取磁軛個(gè)數(shù)為5個(gè)。4.每個(gè)磁軛的截面積 式（3.22） 根據(jù)每個(gè)磁軛的面積和感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)尺寸從便于施工安裝，又能減少漏磁出發(fā)選擇測(cè)形狀和尺寸如下：圖3.5 L型磁軛5.每個(gè)磁軛的疊片數(shù)NP 式（3.23）式中 每片硅鋼片厚度，厘米，一般用0.035或0.05厘米，取0.05厘米；磁軛沿感應(yīng)爐圓周方向的寬度，即疊片厚度，取5厘米；硅鋼片的疊片系數(shù)，一般為0.90.95，取0.9。3.8 水冷系統(tǒng)感應(yīng)爐所

51、需冷卻的主要部位是感應(yīng)線圈。感應(yīng)線圈電阻發(fā)熱相當(dāng)可觀，約占電爐有用功率的20%左右。爐料也向感應(yīng)線圈傳遞熱量。這兩部分熱量有冷卻水帶走，冷卻水的另外一個(gè)作用是降低銅感線圈的電阻。銅的電阻溫度系數(shù)等于0.0004/，其工作溫度每降低10，電阻值減少4%，亦即電能損耗降低4%。 冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是：對(duì)大功率感應(yīng)爐，每一循環(huán)水回路應(yīng)設(shè)置2臺(tái)水泵，1臺(tái)備用；為確保安全運(yùn)行，應(yīng)采用如下措施： （1）設(shè)置高位應(yīng)急水箱，以備斷電后用水； （2）與自來水管路構(gòu)成自動(dòng)切換； （3）冷卻水流速一般小于4m/s，水溫應(yīng)小于80； （4）冷卻水流路中應(yīng)設(shè)有壓力、水溫和流量保護(hù)。感應(yīng)器每1h所需冷卻水量（kg）的計(jì)算2： 式（3.24）式中 PS為感應(yīng)器有用功損耗和坩堝融化爐料通過坩堝壁向感應(yīng)器熱傳 導(dǎo)所損耗的功率之和； CS水的質(zhì)量熱熔，4.18×103 J/(kg·)； T冷卻水進(jìn)出口溫度差。 本課題感應(yīng)器線圈表面溫度取50，環(huán)境溫度取30，則T=感應(yīng)器線圈表面溫度-環(huán)境溫度=50-30=20 且 下面計(jì)算冷卻水流速：冷卻水流股的半徑r=0.76cm，水的密度