【正文】 01 DttttP ZJGc ????? 式（ ） )()()(2121126 千瓦?????? ????? ? ttttD ZJG ???? 瓦）千(80)( 2 5 00 . 50 . 1 4 0 1 5250)( 1 5 3 51 . 8 33 . 59 . 3 3109 . 1 3 26??????? ?????? ? 式 中 δ1——坩堝底厚度，為 厘米； δ2——坩堝底熱絕緣層厚度，為 厘米； t1——坩堝底與絕緣層交界處的溫度， ℃ 。 ε——爐料的熱輻射系數(shù)，這以金屬熔渣的輻射系數(shù)代替爐料的輻射系 數(shù)，金屬熔渣的輻射系數(shù)為 。在這我們系數(shù)取 ，得到 Pf= 千瓦。 P——為感應器傳給爐料的總功率，千瓦。真空中頻感應爐的容量大部分在 1t 以下，中小型真空中頻感應爐的傾爐機構有如下三種 [14,15]： ① 絲杠傳動機構傾爐 。將蝸輪蝸桿安裝在使爐體轉(zhuǎn)動的水平軸上，通過電動機帶動來完成傾爐動作，適用于容量在 1t 左右的真空感應爐。 真空系統(tǒng) 表征真空感應爐爐內(nèi)真空狀態(tài)的量用壓強，也稱為真空度。真空機組有不同的真空泵組成。 本課題選第一種，即前級使用機械泵，后級使用羅茨泵。爐殼必須承受因內(nèi)部真空而形成的強大壓力，XXXXXXXXXXXXXX（論文） 3 10kg 真空中頻感應爐設計理論 計算 24 要有足夠的強度。另外，保養(yǎng)、更換和維修操作都在熔煉室內(nèi)進行。本設計參考了很多關于真空感應爐的書籍與期刊等。外層爐殼直徑和高度我們分別取 71 厘米和 98 厘米。因此，在本課題中我們選用固定爐殼，爐殼采用雙層結構，內(nèi)層用無磁不銹鋼板，外層用普通鋼板，中間銅冷卻水。因此，本課題設計的真空感應爐的工作真空度為 1Pa，極限真空度 為 。 表 常用的真空泵類型及使用范圍 真空泵類型 真空度范圍 kPa 羅茨泵 102~105 油封 104~104 油擴散泵 104~1010 在滿足真空度需求的條件下，選擇各種泵組之間的配置。 表 真空度的劃分 真空度 壓強 /Pa 真空度 壓強 /Pa 低真空 105~103 超高真空 105~1010 中真空 ~103 極高真空 1010 高 真空 101~105 真空感應爐的真空系統(tǒng)主要包括兩部分，即真空機主和測量儀表，還有一些輔助設施，如真空閥門和密封原件等。適用于大中型爐。這種機構適用于小容量感應爐?？偟墓β时菊n題就取 P=31 千瓦。其他未考慮的損失，包括爐襯的蓄熱損耗，稱為雜散損耗，一般雜散損耗等于前述損耗的 5%~10%。 上式是在假設沒有爐蓋，爐料直接暴露于空氣中的前提下進行的，實際中為了減少熱損耗，提高熱效率一般都有爐蓋，坩堝口上輻射的熱量大部分經(jīng)爐蓋反射，少部分散損。一般為 60~100℃ ，在這取 80℃ ； 則 PC=+= (千瓦 ) 2）計算爐料通過爐口的輻射熱損失 爐口的輻射熱損 [1] 8601ε104πD100 273t100 42404Jf ????????? ?????? ???????? ?? ? 式 （ ） )(100 273100 40427 千瓦?????? ?????? ???????? ??? ? ttD J? XXXXXXXXXXXXXX（論文） 3 10kg 真空中頻感應爐設計理論 計算 22 )千(1002733010027315359 . 3 30 . 8104 . 4 6 4427瓦??????? ?????? ???????? ????? ? 式中 t0——環(huán)境溫度， ℃ 。 時 tx——感應器內(nèi)表面溫度， ℃ 。 感應熔煉爐的 熱損失功率 PS主要包括兩部分：通過爐底和爐襯的傳導熱損失PC 和爐料通過爐口的輻射熱損失 Pf。 冷卻水系統(tǒng)的設計要點是：對大功率感應爐，每一循環(huán)水回路應設置 2 臺水泵， 1 臺備用；為確保安全運行，應采用如下措施： （ 1）設置高位應急水箱，以備斷電后用水； （ 2）與自來水管路構成自動切換； （ 3）冷卻水流速一般小于 4m/s，水溫應小于 80℃ ； （ 4）冷卻水流路中應設有壓力、水溫和流量保護。感應線圈電阻發(fā)熱相當可觀，約占電爐 有用 功率的 20%左右。為了減少漏磁，則磁軛個數(shù)越多越好。為了使磁力線均勻分布，磁軛也應盡可能均勻地分布于感應器的圓周上，一疊片厚度應大于其寬度，這樣有利于導引磁力線 [3]。 ［ 形約束外散磁 通的效果很好，但裝卸感應器較難，多用于中小型爐子。厘米； μ——被加熱物體的相對磁導率； f——電流頻率， Hz。 表 感應爐頻率與爐子容量關系 [2] 頻率 /Hz 50~60 150~180 500 1000 3000 10000 爐子容量 /t ~450 ~120 ~22 ~8 ~ ~ 電源電壓與 爐容同樣也有個合適的關系。 從上式中可知， ΔT與 Kt 有關， Kt 與 D/2δc 的值有關，當 D/2δc 增大， Kt 值迅速增大。 在考慮熱效率的同時，也要考慮加熱時的溫度分布。 從上式看出，感應器內(nèi)電流保持不變時，電流頻率越大，單位面積的金屬接收功率越高，即熱效率高。但頻率高的電源設備價格較貴。為了簡便，本 課題 取感應線圈的聯(lián)組數(shù) NZ=1。 表 感應線圈銅管的內(nèi)側壁厚選用表 [2] 滲透深度及壁厚，毫米 電源頻率，赫茲 50 100 150 200 400 500 1000 2500 8000 滲透深度 最佳壁厚 5 壁厚的一般選用值 10~20 9~12 7~10 6~9 ~ 4~6 3~5 2~4 1~2 因本課題設計的真空感應爐頻率為 2500Hz，所以選擇壁厚 δj= 感應器銅管的長度與諧振電路的電感 L 有關。因此，感應器要用空心銅管制成，里面通水冷卻。因此，本課題也選用圓筒形狀。 )千瓦( η qGP RR JGR ?????? 感應器的高度 H1可 以 由 已 選定的熔體高度 H 求得，因為感應器要保證坩堝內(nèi)部的爐料充分加熱，就必須使所有爐料處于感應器產(chǎn)生的電磁場中。 860——電熱當量，即每一千瓦 確定 PR值時，可以先假設爐子的熱效率，利用爐子額定容量進行近似計算，然后根據(jù)熱量平衡方式進行感應器 —爐料系統(tǒng)的熱計算結果來校正 [1]。 δC=δG+δz——爐襯厚度，厘米。 確定感應器的直徑 爐襯厚度與爐子 的 容量有關，確定 爐襯厚度 δC 值時，必須考慮兩個因素：一是盡量減少爐子的無功損耗， δC 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)， δC 值越小越好；二是坩堝必須具有足夠的機械強度和一定的壽命，這顯然 δC 值大一點好。 一般可根據(jù)經(jīng)驗來確定 A 值，坩堝容積越小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 。 2） 坩堝的高度偏高時，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。為了 簡化運算 , 以所煉鋼種固態(tài)體積代替鋼液體積。隔熱層材料本課題選 擇石棉板。SiO2≥95 2550 1650 中性 普通鎂砂 MgO≥90 2021 1700 堿性 電容鎂砂 MgO≥98 2300 1800 堿性 鋯英石 ZrO2用于制作XXXXXXXXXXXXXX（論文） 3 10kg 真空中頻感應爐設計理論 計算 10 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 ③ 具有高的高溫機械強度。 以上三種情況中，只有最后一種情況返回料的用量受到限制，在這 本課題 不對此作討論。表 表明， C、 S、 P 沒有超標，其他合金元素量都滿足要求。%＝ (kg) 由此帶入的碳、硫、磷、硅量為： C %＝ (kg) ； S %＝ (kg)； P %＝ (kg)； Si %＝ (kg) 硅鐵量 的計算。計算結果列于表 中。為此在真空感應爐熔煉時，就不安排去除多余元素的冶煉任務了，要求定量地知道入爐的每種爐料的成分，并通過計算以保證最終產(chǎn)品的成分達到預定的成分。厘米 [7]； ⑥ 相對導磁率：冷態(tài) μrL=，熱態(tài) μrR=； ⑦ 爐料的比重：冷態(tài) γL=，熱態(tài) γR=，克 /厘米 3。 XXXXXXXXXXXXXX（論文） 3 10kg 真空中頻感應爐設計理論 計算 6 3 10kg真空中頻感應爐設計理論計算 計算所需要的原始數(shù)據(jù) 1) 已知爐料材 質(zhì)，即被融化金屬或合金的名稱、成分，據(jù)此可由有關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 ,其化學成分見下表 表 00Cr18Ni9 化學成分 [7] （ %） C Si Mn Cr Ni S P ≤ ≤ ≤2 17~19 8~10 ≤ ≤ 表 00Cr19Ni10 計算成分 A[7] （ %） C Si Mn Cr Ni S P 18 9 表 爐料的種 類及其成分 [1] 爐料 化學成分 ω/% C Si Mn P S Cr Ni Al Fe 電解鎳 其余 電解錳 其余 硅鐵 其余 鉻鐵 其余 工業(yè)純鐵 其余 鋁 ① 融化溫度 tR=1435℃ ；澆注溫度 tJ=1535℃ 。 XXXXXXXXXXXXXXXXXXX 2 真空中頻感應爐冶煉工藝 5 出鋼和澆注 合金化結束后，坩堝中金屬液達到目標成分和溫度后，真空室內(nèi)的真空度也符合技術要求的規(guī)定， 即 可以出鋼。 精煉時間 所有精煉反應都有一定的速度，所以精煉時間越長，反應進行就越趨于平衡。但是，過高的真空度將會導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。同時，高溫還會加速合金成分的揮發(fā)損失。 精煉溫度 精煉溫度影響坩堝內(nèi)所進行的所有的反應。由于錳的揮發(fā)性很強，一般在出鋼前 3~5min 加入?；顫娫氐募尤腠樞驗?Al、 Ti、 Zr、 B、 Re。同時，還要調(diào)整熔池的溫度和進行合金化。 不同容量真空感應爐熔化速度見表 。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。這種熱裝料法 的優(yōu)點是可以 用較差的爐料，在熔煉爐內(nèi)可以除磷和硫等雜質(zhì)，感應爐內(nèi)省去了熔煉期，總的冶煉時間可以縮短 1/3， 大大 提高了大型真空感應爐的生產(chǎn)效率。裝料時，應做到上 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 ”；高熔點又不易氧化的爐料，應裝在坩堝的中、下部高溫區(qū)。此外，隨著我國對真空冶煉的研究， 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 國防事業(yè)以及人民生活質(zhì)量， 因此 研究真空冶金具有很多實際意義。為加速真空除氣，坩堝深度與平均內(nèi)徑之比值應比非真空感應熔煉爐的相應值小，一般 取坩堝深度與平均內(nèi)徑相等。在感應器的結構中應盡量避免出現(xiàn)尖角、銳棱等部位，位于爐內(nèi)的所有帶電體的表面都應該圓滑并經(jīng)絕緣處理，以避免真空放電。 緊湊型真空感應爐 ( VIDP) 在與其他澆注系統(tǒng)組合方面 , 有很強的適應性 , 從而擴展了真空感應爐的功能 , 實現(xiàn)了一機多用 , 提高了綜合經(jīng)濟效益 [4,5]。因此，多方面提高我國冶煉設備的裝備水平及其技術水平是十分必要的。 新型真空感應爐熔煉又稱為真空感應脫氣澆鑄 VIDP（ vacuum induction degassing pouring） ,其具有熔煉室體積小，抽真空時間和熔煉周期短，便于溫度壓力控、回收易揮發(fā)元素和準確控制合金成分等特點 [1,6]。 隨著科學技術的進步，對材料的性能要求越來越高，真空感應爐冶煉為新材料的生產(chǎn)提供了保證，滿足了市場需求。 本課題研究的對象是 10kg 真空中頻感 應爐裝置的設計，包括工藝參數(shù)的選擇，坩堝材料的選擇以及尺寸的設計，感應器材料的選擇與結構的設計，傾爐機構的選擇，冷卻系統(tǒng)的設計等， 本課題的設計論述出了各部分的設計方法與原則以及計算設計過程和必要的強度校核。與其他冶煉方法相比，真空感應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遠低于其他熔煉方法；真空感應爐的溫度相對來說比較容易控制，而控制壓力水平就是真空感應爐最顯著的