【正文】 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。外層爐殼直徑和高度我們分別取 71 厘米和 98 厘米。另外，保養(yǎng)、更換和維修操作都在熔煉室內(nèi)進行。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。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。因此，本課題設(shè)計的真空感應(yīng)爐的工作真空度為 1Pa，極限真空度 為 。 本課題選第一種，即前級使用機械泵，后級使用羅茨泵。 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。真空機組有不同的真空泵組成。 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(yīng)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(shè)施，如真空閥門和密封原件等。 真空系統(tǒng) 表征真空感應(yīng)爐爐內(nèi)真空狀態(tài)的量用壓強，也稱為真空度。適用于大中型爐。將蝸輪蝸桿安裝在使?fàn)t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。這種機構(gòu)適用于小容量感應(yīng)爐。真空中頻感應(yīng)爐的容量大部分在 1t 以下，中小型真空中頻感應(yīng)爐的傾爐機構(gòu)有如下三種 [14,15]： ① 絲杠傳動機構(gòu)傾爐 ?？偟墓β时菊n題就取 P=31 千瓦。 P——為感應(yīng)器傳給爐料的總功率，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%。在這我們系數(shù)取 ，得到 Pf= 千瓦。 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。 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 。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(yīng)爐設(shè)計理論 計算 22 )千(1002733010027315359 . 3 30 . 8104 . 4 6 4427瓦??????? ?????? ???????? ????? ? 式中 t0——環(huán)境溫度， ℃ 。 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， ℃ 。 時 時 tx——感應(yīng)器內(nèi)表面溫度， ℃ 。有時，為更精確，則按加熱過程的平均值計算。 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?！?)； ΔT——冷卻水進出口溫度差。 冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計要點是：對大功率感應(yīng)爐，每一循環(huán)水回路應(yīng)設(shè)置 2 臺水泵， 1 臺備用；為確保安全運行，應(yīng)采用如下措施： （ 1）設(shè)置高位應(yīng)急水箱，以備斷電后用水； （ 2）與自來水管路構(gòu)成自動切換； （ 3）冷卻水流速一般小于 4m/s，水溫應(yīng)小于 80℃ ； （ 4）冷卻水流路中應(yīng)設(shè)有壓力、水溫和流量保護。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。感應(yīng)線圈電阻發(fā)熱相當(dāng)可觀，約占電爐 有用 功率的 20%左右。 1FA )(5182 21 厘米??? FFF NAA 式 （ ） XXXXXXXXXXXXXX（論文） 3 10kg 真空中頻感應(yīng)爐設(shè)計理論 計算 19 根據(jù)每個磁軛的面積和感應(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 。為了減少漏磁，則磁軛個數(shù)越多越好。 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)強度的大小取 1000， W1=10。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]。 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)計理論 計算 18 松動。 ［ 形約束外散磁 通的效果很好，但裝卸感應(yīng)器較難，多用于中小型爐子。設(shè)置磁軛后，爐子的電效率和功率因數(shù)均有所改善。厘米； μ——被加熱物體的相對磁導(dǎo)率； f——電流頻率， Hz。 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)計爐子容量為 10kg，因此感應(yīng)爐頻率選擇 2500Hz，電壓選擇 220V。 表 感應(yīng)爐頻率與爐子容量關(guān)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(guān)系。 因為 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，頻率與爐容有個合適的關(guān)系。 從上式中可知， ΔT與 Kt 有關(guān)， Kt 與 D/2δc 的值有關(guān)，當(dāng) D/2δc 增大， Kt 值迅速增大。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 在考慮熱效率的同時，也要考慮加熱時的溫度分布。 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。 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。 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。但頻率高的電源設(shè)備價格較貴。選擇頻率的重要依據(jù)是加熱效率和溫度分布。為了簡便，本 課題 取感應(yīng)線圈的聯(lián)組數(shù) NZ=1。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。 表 感應(yīng)線圈銅管的內(nèi)側(cè)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(shè)計的真空感應(yīng)爐頻率為 2500Hz，所以選擇壁厚 δj= 感應(yīng)器銅管的長度與諧振電路的電感 L 有關(guān)。從經(jīng)濟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，實際上XXXXXXXXXXXXXX（論文） 3 10kg 真空中頻感應(yīng)爐設(shè)計理論 計算 15 一般可取 δj 即可。因此，感應(yīng)器要用空心銅管制成，里面通水冷卻。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)器中的點損失可達到爐子有用功率的 20~30%。因此，本課題也選用圓筒形狀。對于本課題設(shè)計的真空感應(yīng)爐取， H1===（厘米） 坩堝的各項尺寸如下圖所示（單位：厘米）： 圖 圓形無芯坩堝各項具體尺寸 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。 )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。 為了簡化，在這直接用 00Cr18Ni9 不銹鋼代替爐料計算 qJ，通過表 計算00Cr18Ni9 的熔點，而澆注溫度一般在熔點以上 100℃ 左右。 860——電熱當(dāng)量，即每一千瓦 在這取 。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]。 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。 δC=δG+δz——爐襯厚度，厘米?？傊袘?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。 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(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 2