【文章內容簡介】 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℃ 。 為了簡化這以所煉鋼種的成分代替爐料成分計算熔點，根據表 得 [1]： 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] =153565+30 59 =1435℃ 而澆注溫度一般比熔點高 100℃ ，因此， tJ=tR+100=1435+100=1535 ℃ 式（ ） ② 查 [3]表 附表一得爐料在澆注溫度時的熱含量 qJ= 千卡 /公斤； ③ 常溫時爐料的比熱 qB=103千卡 /公斤 度 [7]； ④ 爐料在冷態(tài)（常溫）時的電阻率 ρL= 歐姆 厘米 [7]； XXXXXXXXXXXXXX（論文） 3 10kg 真空中頻感應爐設計理論 計算 7 ⑤ 爐料在熱態(tài)（融化或澆注）時電阻率 ρR= 歐姆 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。 2）爐子容量， GG=10 公斤；和熔煉時間 τR= 小時。 3）爐料粒度， 48~96mm。 配料計算 在真空感應爐熔煉中，要將多余的元素（包括磷、硫等雜質）去除，要比電弧爐熔煉時困難的多。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品的成分達到預定的成分。 全部使用新料 下面以 100kg 爐料為基準進行配料計算。根據熔煉 工藝特點確定元素回收率 P列于表 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。計算結果列于表 中。鋼種成分選用爐料，爐料種類及其成分列于表 中。 表 合金元素回收率和需要量 [2] 計算內容 化學成分 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 各種爐料需要量計算如下： 電解鎳 9247。%＝ (kg) 由此帶入的碳、硫、磷量為： C %＝ (kg) ； S %＝ (kg)； P %＝ (kg) 鉻鐵 247。%＝ (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。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XXXXXXXXXXXXXX（論文） 3 10kg 真空中頻感應爐設計理論 計算 8 的量按照估計值帶入，則硅鐵量為 : [（ ） %]247。%=(kg) 由硅鐵帶入的碳、硫、磷、錳量為： C %＝ (kg) ； S %＝ (kg)； P %＝ (kg)； Mn %＝ (kg) 同理，點解錳量為： [（ ） %]247。%=(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) 將以上計算內容逐項填入配料平衡表中。表 表明， C、 S、 P 沒有超標，其他合金元素量都滿足要求。 表 100kg 爐料的配料計算平衡 爐料 加入量 /kg 化學成分 ω/% C Si Mn P S Cr Ni Al 電解鎳 7 0 0 9 電解錳 48 2 1 硅鐵 65 87 0 5 鉻鐵 5 0 0 工業(yè)純鐵 2 8 鋁 100 XXXXXXXXXXXXXX（論文） 3 10kg 真空中頻感應爐設計理論 計算 9 合計（不含呂） 100 9 表中，碳的含量大于 %，但由于真空感應爐冶煉的鋼種碳回收率遠小于50%，因此符合要求。 假設鋼液澆注成 1 只重量為 9kg 的鋼錠，并假設鋼液在熔煉及澆注過程損失率為 10%，則裝入量為： m=9= (kg) 當裝入量為 時，平衡表中各種元素或特合金加入量乘以系數 ，則各種爐料量如表 所示。 表 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 使用部分返回料 有時利用返回料進行熔煉鋼種，可分為 以下 三種情況： ① 返回料與熔煉 鋼種的成分相似； ② 返回料中相應成分低于熔煉鋼； ③ 返回料成分高于相應成分。 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。 真空感應爐爐襯耐火材料 真空感應爐用耐火材料的工作條件和特點 在冶煉過程中 爐襯耐火材料反復受到急冷急熱 ， 金屬液對爐襯耐火材料產生強烈的機械沖刷， 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]： ① 具有足夠高的耐火度和荷重軟化溫度，具有良好的化學穩(wěn)定性，不易與金屬熔渣及其熔化時所存在的成分等發(fā) 生反應。 ② 具有良好的熱震穩(wěn)定性。 ③ 具有高的高溫機械強度。 ④ 材料的施工性能良好，填充密度高，不易被熔液潤濕和滲透，不易產生爐內結瘤，維修方便，具有良好的隔熱性和絕緣性。 ⑤ 資源豐富，便宜，而且材料要不容易 “放氣 ”。 感應爐坩堝材質 真空感應爐坩堝有 三 種類型，即堿性坩堝、酸性坩堝和中性坩堝。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、MgOAl2O3復合氧化物、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 。 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 ZrO2SiO2≥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 ZrO2SiO2≥95 2550 1650 中性 尖晶石 MgO70,Al2O330 2135 1800 弱堿性 真空感應爐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 電熔鎂 砂的成分和性能 [2] 等級 成 分 /% 灼燒減量/% 真密度/gcm3 MgO CaO SiO2 Fe2O3+Al2O3 1 97~98 ≤ ≤ ≤ ≤ 2 96~97 ≤ ≤ ≤ ≤ 3 94~96 ≤ ≤ ≤ ≤ 4 92~94 ≤ ≤ ≤ ≤ 表 ， 2級產品可用作真空感應爐坩堝材料 ,本設計選擇 2級電熔鎂砂。隔熱層材料本課題選 擇石棉板。 坩堝制作方法 坩堝制作方法有 3種： 爐 外成形預制坩堝是將砂料裝入磨具內加壓制成，適用于容量 較 小的感應爐；爐內成形坩堝時利用手工或機械的方法在爐內打結制成，適用于中小型感應爐；砌筑式坩堝時用耐火材料磚和填料在爐內砌筑而成，適用于大容量感應爐。 本課題所設計的真空感應爐容量為 10kg，因此，本課題選擇在爐外成形預制坩堝。 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，坩堝的裝料體積應比有效容積大25%~30%。為了 簡化運算 , 以所煉鋼種固態(tài)體積代替鋼液體積。 XXXXXXXXXXXXXX（論文） 3 10kg 真空中頻感應爐設計理論 計算 11 金屬液體積 )厘米( 1 2 7 3 . 8 9107 . 8 51010rGV 333mGg ????? 式 （ ） 總體積 )厘米( 1 9 1 0 . 8 32 /31 2 7 3 . 8 9KVV 3gG ??? 式 （ ） 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 2/3~3/4。 3G /,kg10G 其中 cmgK m ??? ，取 確定坩堝尺寸是，應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，坩堝內的電磁場強度便分布不 均勻 ，而無法實現穩(wěn)定熔煉，而且占地面積 比較 大。對于真空感應爐來說，則要求有較大的爐室容積。 2） 坩堝的高度偏高時，線圈匝數增多，裝料、澆注多有不便，而且 漏 磁通增加，效率降低。 3） 打結坩堝時，為了便于拔出模具，坩堝必須具有一定錐度。坩堝內徑應上大下小，一般錐度應大于 1%，但為增加坩堝強度及便于制作感應器， 坩堝外經應該大小一致。 4） 本課題設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。 一般可根據經驗來確定 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 。設計可參考下表來確定 A 值。 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 真空中頻感應爐設計理論 計算 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）便可導出坩堝直徑（平根據坩堝有效容積 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。 感應器 感應器（感應線圈）是真空感應爐的關鍵部分，電源通過感應器把功率傳遞到冶煉的金屬爐料中。 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。同時，絕緣層應保證能耐受線圈的工作電壓，由于隔熱層太薄會帶來大量的熱損失，且對感應線圈的工作不利，所以 δz也不能太小?？傊袘?線圈 與爐料之間的距離，即爐襯的厚度，應在保證爐襯具有足夠長的使用壽命和 較