【正文】 ................................................ 22 真空系統(tǒng) ............................................................................................................ 23 爐殼 ................................................................................................................... 23 結(jié) 論 ............................................................................................................................. 25 XXXXXXXXXXXXX（論文） 目 錄 II 參 考 文 獻(xiàn) ................................................................................................................... 26 結(jié) 論 ............................................................................................................................. 27 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX 1 緒 論 1 1 緒 論 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)體內(nèi)產(chǎn)生渦流加熱爐料 進(jìn)行熔煉的方法。0000000000（論文） 摘 要 I 10kg真空中頻感應(yīng)爐裝置設(shè)計(jì) 0000000000（論文） 摘 要 II 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、高溫合金及耐蝕合金等特殊合金的的需求量越來越大，而且對其質(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。一般應(yīng)用于金屬及合金的冶煉、提純、精煉及處理。第二次世界大戰(zhàn)期間和戰(zhàn)后，正是由于各國對高性能金屬材料及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。 近年來，我國鑄件常量一直位居世界首位，連續(xù)幾年位居世界第一。 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內(nèi)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 。 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。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。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 ~2 倍 [3]。 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。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，或在熔煉池中充入一定量的惰性氣體 （如氦氣） ，以保持一定的爐內(nèi)壓力。熔化期的主要任務(wù)是熔化爐料。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。 表 不同容量真空感應(yīng)爐熔化速度 容量 /t 12 27 60 熔化速度 /t這時(shí)微量有害雜質(zhì)元素繼續(xù)揮發(fā)，夾雜 物部分分解去除。加入活潑元素時(shí)。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。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)。熔點(diǎn) tR 的計(jì)算公式如下： tR=153565[C]+30[P]25[S]20[Ti]8[Si]7[Cu]5[Mn][Ni][Al]2[V][Mo] [Cr][Co]1[W]1300[H]90[N]80[B]80[O]5[Ce][Ni] 真空度 真空熔煉的精煉期，提高真空度將促進(jìn)碳的脫氧反應(yīng)。對大型真空感應(yīng)爐，精煉期真空度通?？刂圃?12~150Pa 范圍內(nèi)。對于 [O]含量，因?yàn)橛雄釄宀牧系墓┭酰越饘偃鄢刂械难鹾侩S著精煉時(shí)間的變化取決于脫氧速度與供氧速率之和 。對于成分復(fù)雜的高溫合金，澆注后在真空下停留 15~20min，再破真空。度 [7]； ④ 爐料在冷態(tài)（常溫）時(shí)的電阻率 ρL= 歐姆 3）爐料粒度， 48~96mm。根據(jù)熔煉 工藝特點(diǎn)確定元素回收率 P列于表 中。 表 合金元素回收率和需要量 [2] 計(jì)算內(nèi)容 化學(xué)成分 ω/% C Si Mn Cr Ni S P 回收率 P/% ≤50 90 95 98 100 100 100 需要量 m? /kg 9 各種爐料需要量計(jì)算如下： 電解鎳 9247。%=(kg) 由硅鐵帶入的碳、硫、磷、錳量為： C %＝ (kg) ； S %＝ (kg)； P %＝ (kg)； Mn %＝ (kg) 同理，點(diǎn)解錳量為： [（ ） %]247。 假設(shè)鋼液澆注成 1 只重量為 9kg 的鋼錠，并假設(shè)鋼液在熔煉及澆注過程損失率為 10%，則裝入量為： m=9= (kg) 當(dāng)裝入量為 時(shí)，平衡表中各種元素或特合金加入量乘以系數(shù) ，則各種爐料量如表 所示。因此， 爐襯耐火材料必須具有以下特性 [10]： ① 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，不易與金屬熔渣及其熔化時(shí)所存在的成分等發(fā) 生反應(yīng)。 ⑤ 資源豐富，便宜，而且材料要不容易 “放氣 ”。常用坩堝材料的允許使用最高工作溫度見 表 。 表 電熔鎂 砂的成分和性能 [2] 等級(jí) 成 分 /% 灼燒減量/% 真密度/g 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。 3G /,kg10G 其中 cmgK m ??? ，取 確定坩堝尺寸是，應(yīng)考慮的一些主要因素如下 [3]： 1） 坩堝的高度和直徑必須有一定比例，坩堝高度偏矮時(shí)，坩堝內(nèi)的電磁場強(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。坩堝內(nèi)徑應(yīng)上大下小，一般錐度應(yīng)大于 1%，但為增加坩堝強(qiáng)度及便于制作感應(yīng)器， 坩堝外經(jīng)應(yīng)該大小一致。 表 A 值和 δc/D值選擇表 爐子容量，公斤 500 500~1500 1500~3000 3000 XXXXXXXXXXXXXX（論文） 3 10kg 真空中頻感應(yīng)爐設(shè)計(jì)理論 計(jì)算 12 A=D/H 值 ~ ~ ~ ~1 δc/D值 ~ ~ ~ ~ ,A真空熔爐， 取 10k g 為 由于本次 課 于本次 課題 C ?? 均值）便可導(dǎo)出坩堝直徑（平根據(jù)坩堝有效容積 H4πDV 2g ? )( 9 . 3 3π1 2 7 3 . 8 90 . 54π4 A VD 33 g 厘米????? 式 （ ） （厘米）熔體高度 18. 66D /AH ?? 式 （ ） （厘米）坩堝高度 2 7 . 9 59 . 3 3π 1 9 1 0 . 8 34πD4VH 22GG ????? 式 （ ） 式中 H——熔體高度，即坩堝有效高度； HG——坩堝的高度?？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]。 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)間內(nèi)，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。在這取 。 為了簡化，在這直接用 00Cr18Ni9 不銹鋼代替爐料計(jì)算 qJ，通過表 計(jì)算00Cr18Ni9 的熔點(diǎn)，而澆注溫度一般在熔點(diǎn)以上 100℃ 左右。對于本課題設(shè)計(jì)的真空感應(yīng)爐取， H1===（厘米） 坩堝的各項(xiàng)尺寸如下圖所示（單位：厘米）： 圖 圓形無芯坩堝各項(xiàng)具體尺寸 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、長方形管、偏心方空管和偏心圓孔管等。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 20~30%。從經(jīng)濟(jì)上的合理性以及由電磁場理論推出的電能損失最小條件考慮，都要求感應(yīng)器面對爐料一側(cè)的銅管壁厚，即所謂最佳壁厚 δj=， Δ 為電流滲透深度，實(shí)際上XXXXXXXXXXXXXX（論文） 3 10kg 真空中頻感應(yīng)爐設(shè)計(jì)理論 計(jì)算 15 一般可取 δj 即可。厘米； 假設(shè)銅線圈是緊密繞在坩堝外面的，那么就有： 11 H2R)Dπ(2 R ???l 式 （ ） 變形得 )厘米0 .9 8 (3 .1 42 4 .226162 3 .1 42 4 .21 3 .9 7π2H2 πHDR 111 ????? ????? l 式 （ ） 式中 R 為銅管線圈的外半徑。選擇頻率的重要依據(jù)是加熱效率和溫度分布。 感應(yīng)線圈加熱坩堝中金屬，金屬得到的單位有用功功率用下式表示 [2]： ρμf)k (I102P 24 ???? 式 （ ） 式中 P——被加熱金屬物體單位表面接收的功率， W/cm2。 圖 K 與 D/2δC 的關(guān)系曲線 前面一算出 δc/D=，則 D/2δc=2,從上圖。表面與中心的溫差 ΔT，可用下式表示 [2]： )P(PKKD25ΔT r0tc ??? 式（ ） 式中 Kc——被加熱金屬物體熱導(dǎo)率， W/（ c 因?yàn)?D/2δc 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。 表 電源電壓與爐子容量關(guān)系 [1] 爐子容量 /kg 250 250~500 500~3000 3000~8000 電源電壓 /V 220,380 750~1500 1000~2021 1500~3000 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。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XXXXXXXXXXXXXX（論文） 3 10kg 真空中頻感應(yīng)爐設(shè)計(jì)理論 計(jì)算 18 松動(dòng)。 漏磁系數(shù)取 ，硅鋼片的疊片系數(shù)取 ，感應(yīng)器兩端的電壓為 220V，磁軛內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小取 1000， W1=10。 1FA )(5182 21 厘米??? FFF NAA 式 （ ） XXXXXXXXXXXXXX（論文） 3 10kg 真空中頻感應(yīng)爐設(shè)計(jì)理論 計(jì)算 19 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)選擇測形狀和尺寸如下： 圖 L 型磁軛 NP )片90(0 .0 550 .9δ akN P FFP ???? 式 （ ） 式中 P? ——每片硅鋼片厚度，厘米 ，一般用 或 厘米，取 厘米； Fa ——磁軛沿感應(yīng)爐圓周方向的寬度，即疊片厚度，取 5 厘米； Fk ——硅鋼片的疊片系數(shù)，一般為 ~，取 。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。℃ )； ΔT——冷卻水進(jìn)出口溫度差。有時(shí)，為更精確，則按加熱過程的平均值計(jì)算。 時(shí) 爐底也可以看成是由兩層組成的，因此 ?????? ??????? ? 2221211 104)()(86