【導讀】目前，隨著航天、航空、軍工、核電、能源、化工等領域的不斷向前發(fā)展，越來越大，而且對其質量要求更加苛刻，這就促進了真空感應爐的發(fā)展與研究。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特點。本課題研究的對象是10kg真空中頻感應爐裝置的設計，包括工藝參數的選擇，計算設計過程和必要的強度校核。

　　

【正文】 )(5182 21 厘米??? FFF NAA 式 （ ） XXXXXXXXXXXXXX（論文） 3 10kg 真空中頻感應爐設計理論 計算 19 根據每個磁軛的面積和感應器的結構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，一般為 ~，取 。 水冷系統 感應爐所需冷卻的主要部位是感應線圈。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。爐料也向感應線圈傳遞熱量。這兩部分熱量有冷卻水帶走，冷卻水的另外一個作用是降低銅感線圈的電阻。銅的電阻溫度系數等于℃ ，其工作溫度每降低 10℃ ，電阻值減少 4%，亦即電能損耗降低 4%。 冷卻水系統的設計要點是：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。 感應器 每 1h 所需 冷卻 水量（ kg）的計算 [2]： ）（ 366 ??? ?????? S SS TC PG 式 （ ） 式中 PS——為感應器有用功損耗和坩堝內融化爐料通過坩堝壁向感應器熱傳 導所損耗的功率之和； CS——水的質量熱熔， 103 J/(kg℃ )； ΔT——冷卻水進出口溫度差。 XXXXXXXXXXXXXX（論文） 3 10kg 真空中頻感應爐設計理論 計算 20 本課題感應器線圈內表面溫度取 50℃ ，環(huán)境溫度取 30℃ ，則 ΔT=感應器線圈內表面溫度 環(huán)境溫度 =5030=20℃ 且 （千瓦） ??????? RCS PPP 下面計算冷卻水流速： 冷卻水流股的半徑 r=，水的密度， ρ=103kg/m3 m /s 0 . 5 2 3 8c m /s 5 2 . 3 80 . 7 63 . 1 4103600 103423600 ρ 6 010Gυ 23 626S ????? ???? 式 （ ） 感應器與爐料系統的熱計算 進行感應器 與 爐料系統的熱計算目的在于確定爐子的熱損失和熱效率，以便和前面假設的熱效率進行比較，如果實際計算值與假設值相差太大，則應對前面確定的坩堝尺寸、感應器尺寸及爐襯結構進行必要的修正。 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。通常按爐料達到最終溫度，即澆注溫度 tJ 時的熱穩(wěn)定狀態(tài)計算。有時，為更精確，則按加熱過程的平均值計算。 1）通過爐底和爐襯的傳導熱損失 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——爐子的傳導熱損失功率，千瓦； cP? ——通過爐襯的傳導熱損失功率，千瓦； cP? ——通過爐底的傳導熱損失功率，千瓦； 根據爐襯是由兩層組成，因此， （千瓦）31Z3GXJ631Z3GXJ6cDDlnλ1DDlnλ1)tH (t1073DDlnλ1DDlnλ1)tH (t1073P??????????? 式 （ ） )(11)501535( 6千瓦?????? ? XXXXXXXXXXXXXX（論文） 3 10kg 真空中頻感應爐設計理論 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℃ 。 tx——感應器內表面溫度， ℃ 。一般水冷感應器可取 50~55℃ ，取 50℃ ； λG——坩堝導熱系數，可根據打結坩堝所用的材料確定，為 千卡 /米 時 度； λZ——隔熱層和絕熱層的導熱系數，這兩層因為較薄，可以看成一層，要 想計算的更精確，則應將他們分成兩層計算，為 千卡 /米 時 度； D1——感應器內徑，為 厘米； D3——坩堝外徑，為 厘米。 爐底也可以看成是由兩層組成的，因此 ?????? ??????? ? 2221211 104)()(8601 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， ℃ 。通?？上燃僭O為 200~300℃ ， 在這取 250℃ ； t2——坩堝底的溫度， ℃ 。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， ℃ 。 一般 可取 30~40℃ ， 這 取 30℃ 。 ε——爐料的熱輻射系數，這以金屬熔渣的輻射系數代替爐料的輻射系 數，金屬熔渣的輻射系數為 。 D——坩堝口內徑，一般可按直徑計算 ， 厘米。 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爐蓋反射，少部分散損。因此，為了使計算結果更符合實際，可以根據操作情況，把計算結果乘以系數（ ~）。在這我們系數取 ，得到 Pf= 千瓦。 應該指出，熱量常常是通過輻射、對流、傳導三種形式散失的，兒前面的計算中，都只考慮通過主要的熱傳導方式散失的熱量。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%。 在這取 10%，因此，總的熱損耗功率為 )千瓦()()PP( fCS ?????? 式（ ） 真空感應爐的實際熱效率 2 1 . 9 4PPPP Pη RSR RR ?????? 式（ ） 式中 PR——把爐料加熱到澆注溫度所需要的電功率，千瓦。 P——為感應器傳給爐料的總功率，千瓦。 總功率 )千瓦( SR ????? 式 （ ） 從實際熱效率 與前面假設的熱效率 相差很小，因此坩堝尺寸、感應器尺寸及爐襯結構比較合理?？偟墓β时菊n題就取 P=31 千瓦。 傾爐機構 傾爐機構的設計一般應根據承受載荷的情況，計算爐體傾側力矩，來設計出軸承，在選擇其動力系統，在這本課題就不去計算這些，直接選擇常用的傾爐機構。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 。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 真空中頻感應爐設計理論 計算 23 的傾動過程。這種機構適用于小容量感應爐。 ② 蝸輪蝸桿機構傾爐。將蝸輪蝸桿安裝在使爐體轉動的水平軸上，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。 ③ 壓裝置傾爐。適用于大中型爐。 本課題設計的真空感應爐容量為 10kg，因此本課題的輕料機構選擇絲杠傳動機構。 真空系統 表征真空感應爐爐內真空狀態(tài)的量用壓強，也稱為真空度。按照壓強的大小劃分真空度，列于下表 [2,6]。 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。從感應爐爐體中排除氣體獲得真空，是專門的真空機組進行的。真空機組有不同的真空泵組成。真空感應爐中常用的真空泵類型及使用范圍如下表。 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。常見的配置一種為兩級真空泵配置，前級使用機械泵，后級使用羅茨泵或油擴散泵；另一種為三級真空泵配置，機械泵 —羅茨泵 —油擴散泵。 本課題選第一種，即前級使用機械泵，后級使用羅茨泵。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。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 。 爐殼 爐殼 有 固定爐殼 和 可動爐殼。爐殼必須承受因內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。小型真空感應爐爐殼采用雙層結構，內層用無磁不銹鋼板，外層用普通鋼板。因此，在本課題中我們選用固定爐殼，爐殼采用雙層結構，內層用無磁不銹鋼板，外層用普通鋼板，中間銅冷卻水。 本課題設計的真空裝置感應圈坩堝和錠模裝在同一熔煉室內，由于坩堝在熔煉室內翻轉澆注，熔煉石容納了機械和液壓機構，感應圈的冷卻水管線和電纜也占用室內空間 。另外，保養(yǎng)、更換和維修操作都在熔煉室內進行。對于這類真空感應爐裝置，內層爐殼尺寸設計一般取爐殼高度為感應器線圈高度的 3~4 倍，直徑也為感應器線圈半徑的 4~5 倍，在這我們高度取 4 倍直徑取 5 倍，前面已經算的感應器線圈的直徑為 厘米，高度為 厘米，因此爐殼內層的直徑和高度分別為 70 厘米和 97 厘米。外層爐殼直徑和高度我們分別取 71 厘米和 98 厘米。 其圖形如下圖 所示 [16]： 圖 真空感應爐外形 ； ； ； ； ； ； ； 00000 結 論 25 結 論 本設計是將本科四年中所學的冶金專業(yè)所學理論知識與實踐環(huán)節(jié)相結合的一次設計。本設計參考了很多關于真空感應爐的書籍與期刊等。 通過對真空感應爐的理論研究和計算，得到了本次真空感應爐設計的各項參數，并且經過數據驗算它們符合理論和實踐要求，為該模型真空感應爐實際生產奠定了基礎，主要技術經濟指標如下： （ 1）電源電壓： 220V；