【正文】 耐蝕合金等特殊合金生產(chǎn)的重要工序之一，在航天、航空、軍工、核電等領(lǐng) 域的材料生產(chǎn)中起著重要的作用。我國(guó)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(guó)外進(jìn)口。多功能真空感應(yīng)爐，有利于提高鑄造用鋼的質(zhì)量，增加鑄造鋼和合金的品種，最終目的是為了提高現(xiàn)有冶金裝備與技術(shù)水平以及材料質(zhì)量，得到高水平的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。 很多國(guó)內(nèi)鋼鐵公司、鑄造企業(yè)乃至高校和研究院，都在增添多功能真空感應(yīng)爐，可以認(rèn)為，多功能真空感應(yīng)爐具有廣泛的應(yīng)用前景。 主要有以下幾種： XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX 1 緒 論 2 ① 真空感應(yīng)爐與粉末霧化和吹氬工藝的組合 ； ② 真空感應(yīng)爐與鑄錠 、 電極鑄造 、 垂直連鑄 和 粉末霧化的多重組合 ； ③ 真空感應(yīng)爐與鑄錠 、 電極鑄造和水平連鑄的組合。選擇爐體內(nèi)部件的材料時(shí)，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。電極引線可用同軸線，但 必須 考慮密封。例如，石墨作坩堝材料。 真空熔煉的目的，主要在于能使液態(tài)金屬得以充分脫氣，兒熔體又不會(huì)被氧化，因此應(yīng)使被熔煉金屬液得到足夠強(qiáng)的攪拌力，從而應(yīng)選擇較非真空爐低的工作平率。 本課題研究的目的及意義 本課題，通過(guò)查閱有關(guān)資料，了解國(guó)內(nèi)外真空感應(yīng)爐發(fā)展?fàn)顩r，設(shè)計(jì)真空感應(yīng)爐裝置，有益于我們利用所學(xué)的專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，對(duì)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(rèn)識(shí)和理解，為今后從事相關(guān)的 工作或進(jìn)一步深造打下扎實(shí)基礎(chǔ)。 XXXXXXXXXXXXXXXXXXX 2 真空中頻感應(yīng)爐冶煉工藝 3 2 真空中頻感應(yīng)爐冶煉工藝 真空感應(yīng)爐熔煉的整個(gè)周期可以分為以下幾個(gè) 五 主要階段，即裝料、熔煉、精煉、合金化和脫氧澆注等 [1,2,11]。加料時(shí)，嚴(yán)禁使用潮濕的爐料，以免影響成品的質(zhì)量和在熔煉時(shí)發(fā)生噴濺 。大爐子裝料時(shí)，應(yīng)分幾次加入，而且要注意爐料對(duì)坩堝壁的沖擊。 對(duì)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(jìn)行冶煉。 熔化期 對(duì)于連續(xù)式生產(chǎn)真空感應(yīng)爐，裝料完后，即可送電進(jìn)行熔化。熔化初期，由于感應(yīng)電流的集膚效應(yīng)，爐料逐層熔化。熔化期由于有大量的氣體析出，要保證真空系統(tǒng)有足夠的抽氣速度。噴濺的鋼液會(huì)使上部未熔 化的爐料粘結(jié)在一起，出現(xiàn)架橋現(xiàn)象。當(dāng)金屬液全部熔化，熔池表面無(wú)氣泡逸出的時(shí)候，熔煉就進(jìn)如精煉期。h1 2. 精煉期 XXXXXXXXXXXXXXXXXXX 2 真空中頻感應(yīng)爐冶煉工藝 4 精煉期的主要任務(wù)是提高金屬液的純度以及進(jìn)行合金化操作。隨著精煉期的延長(zhǎng)，熔體中氧含量氧迅速降低，沸騰慢慢地減弱，最后鋼液面處于平靜狀態(tài)。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(shí)，加入活潑元素和微量元素，使鋼液成分達(dá)到出鋼要求。加入是溫度要調(diào)整到結(jié)膜溫度，防止這些元素與鋼液中的氧反應(yīng)，大量放熱，使鋼液過(guò)熱。應(yīng)做到均勻、緩慢，以免 鋼液 產(chǎn)生噴濺，加入后用大功率攪拌鋼液 1~2min，以加速合金的熔化和分布均勻。 鎂和鈣要以中間合金形式加入，這樣可以大大提高回收率。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)。升高溫度有利于氮氧化物的分解，可以降低鋼液中的氮含量。但精煉期的溫度不能過(guò)高，防止鋼液與坩堝之間反應(yīng)加劇。因此，在精煉期應(yīng)嚴(yán)格控制熔池溫度，通常合金鋼的精煉溫度控制在所煉合金熔點(diǎn)以上 100℃ 。隨著一氧化碳?xì)馀輳慕饘偃鄢刂械纳细∨懦欣?[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。所以，精煉期的真空度并非越高越好。而對(duì)于小型爐，一般控制在 ~1Pa 范圍內(nèi)。當(dāng)被脫出的元素在精煉過(guò)程中沒有來(lái)源時(shí)，則隨著精煉時(shí)間的延長(zhǎng)，這些元素的含量就會(huì)越來(lái)越低，只是脫除的速度越來(lái)越小。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(shí)間后，供氧速率就大于脫氧速率，氧降到最低值的時(shí)間也就是精煉時(shí)間。澆注到保溫帽時(shí)，及破真空，立即打開真空室加發(fā)熱劑和保溫劑。對(duì)于大型連續(xù)式真空感應(yīng)爐，鑄錠可以讓它在真空下冷卻 。 為了簡(jiǎn)化這以所煉鋼種的成分代替爐料成分計(jì)算熔點(diǎn)，根據(jù)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(diǎn)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(shí)的熱含量 qJ= 千卡 /公斤； ③ 常溫時(shí)爐料的比熱 qB=103千卡 /公斤 厘米 [7]； XXXXXXXXXXXXXX（論文） 3 10kg 真空中頻感應(yīng)爐設(shè)計(jì)理論 計(jì)算 7 ⑤ 爐料在熱態(tài)（融化或澆注）時(shí)電阻率 ρR= 歐姆 2）爐子容量， GG=10 公斤；和熔煉時(shí)間 τR= 小時(shí)。 配料計(jì)算 在真空感應(yīng)爐熔煉中，要將多余的元素（包括磷、硫等雜質(zhì)）去除，要比電弧爐熔煉時(shí)困難的多。 全部使用新料 下面以 100kg 爐料為基準(zhǔn)進(jìn)行配料計(jì)算。在 100kg 爐料中，合金元素的需要量 m? 為： P100Am?? 式 （ ） 式中 A 為計(jì)算成分。鋼種成分選用爐料，爐料種類及其成分列于表 中。%＝ (kg) 由此帶入的碳、硫、磷量為： C %＝ (kg) ； S %＝ (kg)； P %＝ (kg) 鉻鐵 247。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(yīng)爐設(shè)計(jì)理論 計(jì)算 8 的量按照估計(jì)值帶入，則硅鐵量為 : [（ ） %]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(jì)算所得工業(yè)純鐵量帶回上述硅鐵、電解錳計(jì)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(jì)算內(nèi)容逐項(xiàng)填入配料平衡表中。 表 100kg 爐料的配料計(jì)算平衡 爐料 加入量 /kg 化學(xué)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(yīng)爐設(shè)計(jì)理論 計(jì)算 9 合計(jì)（不含呂） 100 9 表中，碳的含量大于 %，但由于真空感應(yīng)爐冶煉的鋼種碳回收率遠(yuǎn)小于50%，因此符合要求。 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(shí)利用返回料進(jìn)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(yīng)成分低于熔煉鋼； ③ 返回料成分高于相應(yīng)成分。 真空感應(yīng)爐爐襯耐火材料 真空感應(yīng)爐用耐火材料的工作條件和特點(diǎn) 在冶煉過(guò)程中 爐襯耐火材料反復(fù)受到急冷急熱 ， 金屬液對(duì)爐襯耐火材料產(chǎn)生強(qiáng)烈的機(jī)械沖刷， 而且 爐襯材料的溫度梯度非常大 。 ② 具有良好的熱震穩(wěn)定性。 ④ 材料的施工性能良好，填充密度高，不易被熔液潤(rùn)濕和滲透，不易產(chǎn)生爐內(nèi)結(jié)瘤，維修方便，具有良好的隔熱性和絕緣性。 感應(yīng)爐坩堝材質(zhì) 真空感應(yīng)爐坩堝有 三 種類型，即堿性坩堝、酸性坩堝和中性坩堝。Al2O3復(fù)合氧化物、石墨等 ，但 用于制作酸性坩堝的材料 只有 氧化硅。 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(diǎn) /℃ 最高工作溫度 /℃ 備注 鋯英石 ZrO2SiO2≥95 2550 1650 中性 尖晶石 MgO70,Al2O330 2135 1800 弱堿性 真空感應(yīng)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 。cm3 MgO CaO SiO2 Fe2O3+Al2O3 1 97~98 ≤ ≤ ≤ ≤ 2 96~97 ≤ ≤ ≤ ≤ 3 94~96 ≤ ≤ ≤ ≤ 4 92~94 ≤ ≤ ≤ ≤ 表 ， 2級(jí)產(chǎn)品可用作真空感應(yīng)爐坩堝材料 ,本設(shè)計(jì)選擇 2級(jí)電熔鎂砂。 坩堝制作方法 坩堝制作方法有 3種： 爐 外成形預(yù)制坩堝是將砂料裝入磨具內(nèi)加壓制成，適用于容量 較 小的感應(yīng)爐；爐內(nèi)成形坩堝時(shí)利用手工或機(jī)械的方法在爐內(nèi)打結(jié)制成，適用于中小型感應(yīng)爐；砌筑式坩堝時(shí)用耐火材料磚和填料在爐內(nèi)砌筑而成，適用于大容量感應(yīng)爐。 坩堝尺寸計(jì)算 確定坩堝的總體積和金屬液的體積 實(shí)際上，由于金屬液的攪動(dòng)和可能的超裝，坩堝的裝料體積應(yīng)比有效容積大25%~30%。 XXXXXXXXXXXXXX（論文） 3 10kg 真空中頻感應(yīng)爐設(shè)計(jì)理論 計(jì)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。對(duì)于真空感應(yīng)爐來(lái)說(shuō)，則要求有較大的爐室容積。 3） 打結(jié)坩堝時(shí)，為了便于拔出模具，坩堝必須具有一定錐度。 4） 本課題設(shè)計(jì)的熔煉爐采用圓無(wú)芯形坩堝，其各部分尺寸如圖所示： 圖 圓形無(wú)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(gè)合適比值 A=D/H。設(shè)計(jì)可參考下表來(lái)確定 A 值。 感應(yīng)器 感應(yīng)器（感應(yīng)線圈）是真空感應(yīng)爐的關(guān)鍵部分，電源通過(guò)感應(yīng)器把功率傳遞到冶煉的金屬爐料中。同時(shí)，絕緣層應(yīng)保證能耐受線圈的工作電壓，由于隔熱層太薄會(huì)帶來(lái)大量的熱損失，且對(duì)感應(yīng)線圈的工作不利，所以 δz也不能太小。 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 。 一般可以參照表 ，分別確定 δG、 δz的值 取 δz=， δC/D= XXXXXXXXXXXXXX（論文） 3 10kg 真空中頻感應(yīng)爐設(shè)計(jì)理論 計(jì)算 13 則 δC=== （厘米） δG=δCδZ== (厘米 ) 則感應(yīng)爐內(nèi)徑， D1 =D+2δC=+2= (厘米 ) 坩堝外徑， D3 =D+2δG=+2= （厘米） 感應(yīng)器內(nèi)徑， D2=D+2d0=+2= （厘米） 其中， d0是銅管的外徑，根據(jù)后面 節(jié)計(jì)算得 d0= 厘米。 PR 值決定于生產(chǎn)、金屬的熱容量及爐子的熱效率。 已知爐子額定容量 GG=10（公斤），則 )千瓦( τ8 6 0η qGP RR JGR ? （ ） 式中 ηR——爐子的熱效率，通?？扇?~ 爐料的能量被利用的程度，一般，爐子容量小，熱