【正文】 對于這類真空感應(yīng)爐裝置，內(nèi)層爐殼尺寸設(shè)計一般取爐殼高度為感應(yīng)器線圈高度的 3~4 倍，直徑也為感應(yīng)器線圈半徑的 4~5 倍，在這我們高度取 4 倍直徑取 5 倍，前面已經(jīng)算的感應(yīng)器線圈的直徑為 厘米，高度為 厘米，因此爐殼內(nèi)層的直徑和高度分別為 70 厘米和 97 厘米。對于真空度，一般10Pa 以下就足夠了，因為主要是隔絕氧氣，這樣 的真空度足夠了。按照壓強的大小劃分真空度，列于下表 [2,6]。利用電動機通過減速器帶動絲桿升降裝置，完成爐體XXXXXXXXXXXXXX（論文） 3 10kg 真空中頻感應(yīng)爐設(shè)計理論 計算 23 的傾動過程。 應(yīng)該指出，熱量常常是通過輻射、對流、傳導(dǎo)三種形式散失的，兒前面的計算中，都只考慮通過主要的熱傳導(dǎo)方式散失的熱量。通?？上燃僭O(shè)為 200~300℃ ， 在這取 250℃ ； t2——坩堝底的溫度， ℃ 。 1）通過爐底和爐襯的傳導(dǎo)熱損失 計算時，可以爐襯中的耐火層、隔熱層和絕緣層都是厚度一致的圓筒，而坩堝底部各層則是厚度一致的平面，因此，爐子的傳導(dǎo)熱損失 PC可以由下式計算 [1]： )千瓦(PPP ccc ????? 式（ ） 式中 PC——爐子的傳導(dǎo)熱損失功率，千瓦； cP? ——通過爐襯的傳導(dǎo)熱損失功率，千瓦； cP? ——通過爐底的傳導(dǎo)熱損失功率，千瓦； 根據(jù)爐襯是由兩層組成，因此， （千瓦）31Z3GXJ631Z3GXJ6cDDlnλ1DDlnλ1)tH (t1073DDlnλ1DDlnλ1)tH (t1073P??????????? 式 （ ） )(11)501535( 6千瓦?????? ? XXXXXXXXXXXXXX（論文） 3 10kg 真空中頻感應(yīng)爐設(shè)計理論 計算 21 式中 H——爐料液面高度， 厘米； tJ——爐料澆注溫度，前面已知 1535℃ 。銅的電阻溫度系數(shù)等于℃ ，其工作溫度每降低 10℃ ，電阻值減少 4%，亦即電能損耗降低 4%。 )(182 則 218F 厘米????? ??? 3. 確定磁軛個數(shù) NF 確定磁軛個數(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。磁軛的形狀有 L 形， ［ 形和 丨 形。這種關(guān)系列于表 ?？傻?， k=。熔煉工藝要求加熱溫度均勻，同時 考慮功率密度和攪拌力。各種頻率下銅管壁厚的最佳值和一般選用值見下表。 圖 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。 τR——爐料的熔煉時間，小時；在這取 小時。 感應(yīng)器的內(nèi)徑 D1與坩堝內(nèi)徑 D、壁厚及隔熱絕緣層的厚度有關(guān)，即 D1=D+2δG+2δz=D+δC 式 （ ） 式中 δG——坩堝壁厚（平均值），厘米； δz——隔熱和絕緣層厚度，一般為 ~ 厘米 。 4） 本課題設(shè)計的熔煉爐采用圓無芯形坩堝，其各部分尺寸如圖所示： 圖 圓形無芯坩堝 [1] 由于坩堝內(nèi)徑 D 和有效高度 H（即金屬熔體高度）有一個合適比值 A=D/H。 坩堝尺寸計算 確定坩堝的總體積和金屬液的體積 實際上，由于金屬液的攪動和可能的超裝，坩堝的裝料體積應(yīng)比有效容積大25%~30%。 表 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 /℃ 最高工作溫度 /℃ 備注 鋯英石 ZrO2 ② 具有良好的熱震穩(wěn)定性。%=(kg) 由電解錳帶入的碳、硫、磷量為 : C %＝ (kg) ； S %＝ (kg)； P %＝ (kg) 則工業(yè)純鐵量為： =(kg) 由工業(yè)純鐵帶入的碳、硅、錳、硫、磷量為： C %＝ (kg) ； S %＝ (kg)； P %＝ (kg)； Mn %＝ (kg)； Si %＝ (kg) 將計算所得工業(yè)純鐵量帶回上述硅鐵、電解錳計算式，再次核定硅鐵、電解錳加入量，硅鐵量為 (kg)，電解錳為 (kg)并再次核算工業(yè)純鐵量，核定為 (kg) 鋁： 用鋁終脫氧加 入量為 %，則： Al %100=(kg) 將以上計算內(nèi)容逐項填入配料平衡表中。在 100kg 爐料中，合金元素的需要量 m? 為： P100Am?? 式 （ ） 式中 A 為計算成分。厘米 [7]； XXXXXXXXXXXXXX（論文） 3 10kg 真空中頻感應(yīng)爐設(shè)計理論 計算 7 ⑤ 爐料在熱態(tài)（融化或澆注）時電阻率 ρR= 歐姆 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，到一定時間后，供氧速率就大于脫氧速率，氧降到最低值的時間也就是精煉時間。隨著一氧化碳氣泡從金屬熔池中的上浮排除，有利益 [N]、 [H]的析出，以及非金屬夾雜的上浮 ，所以 真空度的高低直接影響著所煉產(chǎn)品的純凈度。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)。精煉后期，在充分脫氧和脫氮條件下，鋼液中氣體及夾雜物含量降低到較低水平時，加入活潑元素和微量元素，使鋼液成分達到出鋼要求。噴濺的鋼液會使上部未熔 化的爐料粘結(jié)在一起，出現(xiàn)架橋現(xiàn)象。 對于大容量的爐子，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)爐內(nèi)進行冶煉。 本課題研究的目的及意義 本課題，通過查閱有關(guān)資料，了解國內(nèi)外真空感應(yīng)爐發(fā)展狀況，設(shè)計真空感應(yīng)爐裝置，有益于我們利用所學(xué)的專業(yè)知識解決實際問題，對真空中頻感應(yīng)爐的工作原理、構(gòu)造、工作流程等有更深入的認識和理解，為今后從事相關(guān)的 工作或進一步深造打下扎實基礎(chǔ)。選擇爐體內(nèi)部件的材料時，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。我國的鋼產(chǎn)量和鑄件產(chǎn)量都位居世界前列，但優(yōu)質(zhì)鋼，高檔鑄件尚需從國外進口。真空冶金可保護金屬液不被大氣中氧等 氣體 物質(zhì)污染、分離沸點不同的物質(zhì)并可降低金屬中的氣體或其他雜質(zhì)含量等，可以實現(xiàn)在大氣壓下無法實行的冶煉過程，提高 冶煉 金屬及合金的質(zhì)量。 本課題研究的對象是 10kg 真空中頻感 應(yīng)爐裝置的設(shè)計，包括工藝參數(shù)的選擇，坩堝材料的選擇以及尺寸的設(shè)計，感應(yīng)器材料的選擇與結(jié)構(gòu)的設(shè)計，傾爐機構(gòu)的選擇，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計等， 本課題的設(shè)計論述出了各部分的設(shè)計方法與原則以及計算設(shè)計過程和必要的強度校核。 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]。 緊湊型真空感應(yīng)爐 ( VIDP) 在與其他澆注系統(tǒng)組合方面 , 有很強的適應(yīng)性 , 從而擴展了真空感應(yīng)爐的功能 , 實現(xiàn)了一機多用 , 提高了綜合經(jīng)濟效益 [4,5]。為加速真空除氣，坩堝深度與平均內(nèi)徑之比值應(yīng)比非真空感應(yīng)熔煉爐的相應(yīng)值小，一般 取坩堝深度與平均內(nèi)徑相等。裝料時，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 ”；高熔點又不易氧化的爐料，應(yīng)裝在坩堝的中、下部高溫區(qū)。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。同時，還要調(diào)整熔池的溫度和進行合金化。由于錳的揮發(fā)性很強，一般在出鋼前 3~5min 加入。同時，高溫還會加速合金成分的揮發(fā)損失。 精煉時間 所有精煉反應(yīng)都有一定的速度，所以精煉時間越長，反應(yīng)進行就越趨于平衡。 XXXXXXXXXXXXXX（論文） 3 10kg 真空中頻感應(yīng)爐設(shè)計理論 計算 6 3 10kg真空中頻感應(yīng)爐設(shè)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(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 00Cr18Ni9 化學(xué)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(xué)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℃ 。為此在真空感應(yīng)爐熔煉時，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，并通過計算以保證最終產(chǎn)品的成分達到預(yù)定的成分。%＝ (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。 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。用于制作XXXXXXXXXXXXXX（論文） 3 10kg 真空中頻感應(yīng)爐設(shè)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隔熱層材料本課題選 擇石棉板。 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。 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 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。確定 PR值時，可以先假設(shè)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(yīng)器 —爐料系統(tǒng)的熱計算結(jié)果來校正 [1]。 )千瓦( η qGP RR JGR ?????? 感應(yīng)器的高度 H1可 以 由 已 選定的熔體高度 H 求得，因為感應(yīng)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(yīng)器產(chǎn)生的電磁場中。因此，感應(yīng)器要用空心銅管制成，里面通水冷卻。為了簡便，本 課題 取感應(yīng)線圈的聯(lián)組數(shù) NZ=1。 從上式看出，感應(yīng)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。 從上式中可知， ΔT與 Kt 有關(guān)， Kt 與 D/2δc 的值有關(guān)，當 D/2δc 增大， Kt 值迅速增大。厘米； μ——被加熱物體的相對磁導(dǎo)率； f——電流頻率， Hz。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，一疊片厚度應(yīng)大于其寬度，這樣有利于導(dǎo)引磁力線 [3]。感應(yīng)線圈電阻發(fā)熱相當可觀，約占電爐 有用 功率的 20%左右。 感應(yīng)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(dǎo)熱損失PC 和爐料通過爐口的輻射熱損失 Pf。 時 上式是在假設(shè)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。總的功率本課題就取 P=31 千瓦。適用于大中型爐。 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。因此，在本課題中我們選用固定爐殼，爐殼采用雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層用無磁不銹鋼板，外層用普通鋼板，中間銅冷卻水。本設(shè)計參考了很多關(guān)于真空感應(yīng)爐的書籍與期刊等。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(yīng)爐設(shè)計理論 計算 24 要有足夠的強度。真空機組有不同的真空泵組成。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(yīng)爐。 P——為感應(yīng)器傳給爐料的總功率，千瓦。 ε——爐料的熱輻射系數(shù)，這以金屬熔