【正文】 效率較低，應取 小值 。 τR——爐料的熔煉時間，小時；在這取 小時。小時電能相當于 860 千卡熱量； qJ——爐料在澆注時的熱含量，千卡 /公斤。 查表得， 00Cr18Ni9 在澆注溫度 1535 ℃ 時的含熱量為 千卡 /公斤。對中頻感應爐通常讓感應器完全包圍爐料，即選用 H1=(~)H 式（ ） XXXXXXXXXXXXXX（論文） 3 10kg 真空中頻感應爐設計理論 計算 14 按上式得到的 H1 值，對融鋁、鎂、鋅 感應 爐取小值，熔銅、鋼、鑄鐵 感應 爐取較大值。 圖 感應器用銅材截面形狀 無芯真空感應爐一般采用密繞的圓筒形狀。 感應線圈銅管匝數(shù)的計算 感應器傳遞功率的能力取決于電流通過感應器所產(chǎn)生的磁場強度，也即感 應線圈的匝數(shù)。 這一部分損失將變?yōu)楹艽蟮臒?，加上由被熔金屬通過爐襯傳來的熱量，就使得在一般情況下必須對感應器進行強制冷卻。 感應器在工作時，由于集膚效應，電流大部分集中在向著爐料的一側(cè)。各種頻率下銅管壁厚的最佳值和一般選用值見下表。應為 XL=ωL=R=ρl/d0，銅 管的長度為 [2]： ? ?厘米 . ...ρπ fLdρωLdl 61601750 1053250014329612 400 ????????? ? 式 （ ） 式中 d0——銅管的直徑， 厘米； L——諧振電路的電感， 104哼； ρ——銅管的電阻率，為 歐姆 則銅線圈內(nèi)水流股的半徑： （厘 米） ????? jRr ? 下面計算感應線圈的匝數(shù)，感應線圈匝數(shù)為 1 2 . 31 3 . 9 7 )0 . 9 8(23 . 1 4 616 )Dπ( 2 RN 1 ??????? l 式 （ ） 因為感應器的每一匝之間并不是緊挨著的，所以匝數(shù)應該小于 ，在這匝數(shù)取為 12 圈。 電源頻率的選擇 真空感應 爐 加熱的電流頻率可在 50Hz~10MHz范圍內(nèi)，工頻真空感應爐頻率在XXXXXXXXXXXXXX（論文） 3 10kg 真空中頻感應爐設計理論 計算 16 50Hz以下，中頻真空感應爐平率在 50~10000Hz內(nèi)，高頻真空感應爐頻率在 10000Hz以上。熔煉工藝要求加熱溫度均勻，同時 考慮功率密度和攪拌力。因此，選擇電源頻率最終需要考慮綜合經(jīng)濟技術指標。 I——感應器中的電流， A； ω——感應器 1cm 長度上的匝數(shù)； k——小于 1 的修正系數(shù)； μ——被加熱物體的相對磁導率； ρ——被加熱物體電阻率， cmΩ? ； f——電流頻率， Hz。 K與 D/2δC 成正比關系?？傻?， k=。當感應加熱圓柱形導體時由于集膚 效應，只有表面會快速升溫，兒中心部分則需要靠熱傳導，從表面高溫區(qū)向內(nèi)部低溫區(qū)傳導熱量。K）； XXXXXXXXXXXXXX（論文） 3 10kg 真空中頻感應爐設計理論 計算 17 Kt——小于 1 的修正系數(shù)； P0——被加熱物體表面功率， W/cm2； Pr——被加熱物體的散熱損失， W/cm2。 ΔT越小，工作溫度越趨于平均，有利于提高電效率。這種關系列于表 。這種關系見下表。 電流的滲透深度計算： 冷態(tài)時 )厘米1 . 7 7 (2 5 0 0 . 0 0 1 35 0 3 0μfρ5 0 3 0δ 1 ????? 式（ ） 熱 態(tài)時 )厘米2 .1 5 (005253 0 .0 1 65030μfρ5030δ 2 ????? 式（ ） 式中 ρ——被加熱物體的電阻率，歐姆 磁軛 在中頻感應器的外部，常 常 裝設用 或 毫米厚硅鋼片疊成的磁軛，磁軛主要 起 屏蔽作用， 以 約束感應器的漏磁通向外發(fā)散， 以 防止爐殼、爐架和其他金屬結構發(fā)熱的作用。磁軛的形狀有 L 形， ［ 形和 丨 形。目前更多采用形 L 和 丨 形磁軛。 磁軛的形狀、長度、根數(shù)以及排列位置的確定，應主要根據(jù)磁軛在感應器周圍布置和制造的方便，以及感應器和爐架的結構及傳熱效果，此外，還應考慮避免爐料或?qū)щ娵釄宓鹊镁植窟^熱，此外一般都選多個磁軛。 φ m 8m1i W U因 為 ??? ? 式 （ ） 18im 4 . 4 4 f W10U 故 ??? 式 （ ） 2. 磁通量的總截面積 AF[1] )厘米(fWB4 .4 4 k 10UkBk φkA 21mF8ilmFmlF ??? 式 （ ） 式中 Kl——漏磁系數(shù)，其值取決于感 應器外側(cè)磁通通過磁軛部分的多少，一般 可取 ~； kF——硅鋼片的疊片系數(shù)，一般為 ~； Ui——感應器兩端的電壓，伏； Bm——磁軛內(nèi)磁感應強度的大小，對于中頻來說，可取 500~4000 高斯，頻 率高者取小值； Wl——感應器每一并聯(lián)路的匝數(shù)，若并聯(lián)組數(shù) NZ=1，則 Wl 就是感應器的 總匝數(shù)，即 Wl=W。 )(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。國產(chǎn)的 250 公斤爐的磁軛個數(shù)為7，因此，本課題取磁軛個數(shù)為 5 個。 水冷系統(tǒng) 感應爐所需冷卻的主要部位是感應線圈。爐料也向感應線圈傳遞熱量。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%。 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(nèi)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(zhì)量熱熔， 103 J/(kg 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(nèi)表面溫度取 50℃ ，環(huán)境溫度取 30℃ ，則 ΔT=感應器線圈內(nèi)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(tǒng)的熱計算 進行感應器 與 爐料系統(tǒng)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。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。 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(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℃ 。一般水冷感應器可取 50~55℃ ，取 50℃ ； λG——坩堝導熱系數(shù)，可根據(jù)打結坩堝所用的材料確定，為 千卡 /米 度； λZ——隔熱層和絕熱層的導熱系數(shù)，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 度； D1——感應器內(nèi)徑，為 厘米； D3——坩堝外徑，為 厘米。通常可先假設為 200~300℃ ， 在這取 250℃ ； t2——坩堝底的溫度， ℃ 。 一般 可取 30~40℃ ， 這 取 30℃ 。 D——坩堝口內(nèi)徑，一般可按直徑計算 ， 厘米。因此，為了使計算結果更符合實際，可以根據(jù)操作情況，把計算結果乘以系數(shù)（ ~）。 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。 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。 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。 傾爐機構 傾爐機構的設計一般應根據(jù)承受載荷的情況，計算爐體傾側(cè)力矩，來設計出軸承，在選擇其動力系統(tǒng)，在這本課題就不去計算這些，直接選擇常用的傾爐機構。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。 ② 蝸輪蝸桿機構傾爐。 ③ 壓裝置傾爐。 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。按照壓強的大小劃分真空度，列于下表 [2,6]。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。真空感應爐中常用的真空泵類型及使用范圍如下表。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。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。 爐殼 爐殼 有 固定爐殼 和 可動爐殼。小型真空感應爐爐殼采用雙層結構，內(nèi)層用無磁不銹鋼板，外層用普通鋼板。 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(nèi)，由于坩堝在熔煉室內(nèi)翻轉(zhuǎn)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(nèi)空間 。對于這類真空感應爐裝置，內(nèi)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(jīng)算的感應器線圈的直徑為 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。 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。 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(shù)，并且經(jīng)過數(shù)據(jù)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(chǎn)奠定了基礎，主要技術經(jīng)濟指標如下： （ 1）電源電壓： 220V；