【正文】 效率較低，應(yīng)取 小值 。 τR——爐料的熔煉時(shí)間，小時(shí)；在這取 小時(shí)。小時(shí)電能相當(dāng)于 860 千卡熱量； qJ——爐料在澆注時(shí)的熱含量，千卡 /公斤。 查表得， 00Cr18Ni9 在澆注溫度 1535 ℃ 時(shí)的含熱量為 千卡 /公斤。對(duì)中頻感應(yīng)爐通常讓感應(yīng)器完全包圍爐料，即選用 H1=(~)H 式（ ） XXXXXXXXXXXXXX（論文） 3 10kg 真空中頻感應(yīng)爐設(shè)計(jì)理論 計(jì)算 14 按上式得到的 H1 值，對(duì)融鋁、鎂、鋅 感應(yīng) 爐取小值，熔銅、鋼、鑄鐵 感應(yīng) 爐取較大值。 圖 感應(yīng)器用銅材截面形狀 無(wú)芯真空感應(yīng)爐一般采用密繞的圓筒形狀。 感應(yīng)線圈銅管匝數(shù)的計(jì)算 感應(yīng)器傳遞功率的能力取決于電流通過(guò)感應(yīng)器所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，也即感 應(yīng)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(guò)爐襯傳來(lái)的熱量，就使得在一般情況下必須對(duì)感應(yīng)器進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。 感應(yīng)器在工作時(shí)，由于集膚效應(yīng)，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(jiàn)下表。應(yīng)為 XL=ωL=R=ρl/d0，銅 管的長(zhǎng)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(jì)算感應(yīng)線圈的匝數(shù)，感應(yīng)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?yàn)楦袘?yīng)器的每一匝之間并不是緊挨著的，所以匝數(shù)應(yīng)該小于 ，在這匝數(shù)取為 12 圈。 電源頻率的選擇 真空感應(yīng) 爐 加熱的電流頻率可在 50Hz~10MHz范圍內(nèi)，工頻真空感應(yīng)爐頻率在XXXXXXXXXXXXXX（論文） 3 10kg 真空中頻感應(yīng)爐設(shè)計(jì)理論 計(jì)算 16 50Hz以下，中頻真空感應(yīng)爐平率在 50~10000Hz內(nèi)，高頻真空感應(yīng)爐頻率在 10000Hz以上。熔煉工藝要求加熱溫度均勻，同時(shí) 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(jì)技術(shù)指標(biāo)。 I——感應(yīng)器中的電流， A； ω——感應(yīng)器 1cm 長(zhǎng)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(duì)磁導(dǎo)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(guān)系?？傻茫?k=。當(dāng)感應(yīng)加熱圓柱形導(dǎo)體時(shí)由于集膚 效應(yīng)，只有表面會(huì)快速升溫，兒中心部分則需要靠熱傳導(dǎo)，從表面高溫區(qū)向內(nèi)部低溫區(qū)傳導(dǎo)熱量。K）； XXXXXXXXXXXXXX（論文） 3 10kg 真空中頻感應(yīng)爐設(shè)計(jì)理論 計(jì)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(guān)系列于表 。這種關(guān)系見(jiàn)下表。 電流的滲透深度計(jì)算： 冷態(tài)時(shí) )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(shí) )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(yīng)器的外部，常 常 裝設(shè)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(yīng)器的漏磁通向外發(fā)散， 以 防止?fàn)t殼、爐架和其他金屬結(jié)構(gòu)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(zhǎng)度、根數(shù)以及排列位置的確定，應(yīng)主要根據(jù)磁軛在感應(yīng)器周圍布置和制造的方便，以及感應(yīng)器和爐架的結(jié)構(gòu)及傳熱效果，此外，還應(yīng)考慮避免爐料或?qū)щ娵釄宓鹊镁植窟^(guò)熱，此外一般都選多個(gè)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(yīng)器外側(cè)磁通通過(guò)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(yīng)器兩端的電壓，伏； Bm——磁軛內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，對(duì)于中頻來(lái)說(shuō)，可取 500~4000 高斯，頻 率高者取小值； Wl——感應(yīng)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(yīng)器的 總匝數(shù)，即 Wl=W。 )(182 則 218F 厘米????? ??? 3. 確定磁軛個(gè)數(shù) NF 確定磁軛個(gè)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(guó)產(chǎn)的 250 公斤爐的磁軛個(gè)數(shù)為7，因此，本課題取磁軛個(gè)數(shù)為 5 個(gè)。 水冷系統(tǒng) 感應(yīng)爐所需冷卻的主要部位是感應(yīng)線圈。爐料也向感應(yīng)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(yīng)器 每 1h 所需 冷卻 水量（ kg）的計(jì)算 [2]： ）（ 366 ??? ?????? S SS TC PG 式 （ ） 式中 PS——為感應(yīng)器有用功損耗和坩堝內(nèi)融化爐料通過(guò)坩堝壁向感應(yīng)器熱傳 導(dǎo)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(yīng)爐設(shè)計(jì)理論 計(jì)算 20 本課題感應(yīng)器線圈內(nèi)表面溫度取 50℃ ，環(huán)境溫度取 30℃ ，則 ΔT=感應(yīng)器線圈內(nèi)表面溫度 環(huán)境溫度 =5030=20℃ 且 （千瓦） ??????? RCS PPP 下面計(jì)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(yīng)器與爐料系統(tǒng)的熱計(jì)算 進(jìn)行感應(yīng)器 與 爐料系統(tǒng)的熱計(jì)算目的在于確定爐子的熱損失和熱效率，以便和前面假設(shè)的熱效率進(jìn)行比較，如果實(shí)際計(jì)算值與假設(shè)值相差太大，則應(yīng)對(duì)前面確定的坩堝尺寸、感應(yīng)器尺寸及爐襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的修正。通常按爐料達(dá)到最終溫度，即澆注溫度 tJ 時(shí)的熱穩(wěn)定狀態(tài)計(jì)算。 1）通過(guò)爐底和爐襯的傳導(dǎo)熱損失 計(jì)算時(shí)，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(dǎo)熱損失 PC可以由下式計(jì)算 [1]： )千瓦(PPP ccc ????? 式（ ） 式中 PC——爐子的傳導(dǎo)熱損失功率，千瓦； cP? ——通過(guò)爐襯的傳導(dǎo)熱損失功率，千瓦； cP? ——通過(guò)爐底的傳導(dǎo)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(yīng)爐設(shè)計(jì)理論 計(jì)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(yīng)器可取 50~55℃ ，取 50℃ ； λG——坩堝導(dǎo)熱系數(shù)，可根據(jù)打結(jié)坩堝所用的材料確定，為 千卡 /米 度； λZ——隔熱層和絕熱層的導(dǎo)熱系數(shù)，這兩層因?yàn)檩^薄，可以看成一層，要 想計(jì)算的更精確，則應(yīng)將他們分成兩層計(jì)算，為 千卡 /米 度； D1——感應(yīng)器內(nèi)徑，為 厘米； D3——坩堝外徑，為 厘米。通?？上燃僭O(shè)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(jì)算 ， 厘米。因此，為了使計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際，可以根據(jù)操作情況，把計(jì)算結(jié)果乘以系數(shù)（ ~）。 應(yīng)該指出，熱量常常是通過(guò)輻射、對(duì)流、傳導(dǎo)三種形式散失的，兒前面的計(jì)算中，都只考慮通過(guò)主要的熱傳導(dǎo)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(yīng)爐的實(shí)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(shí)際熱效率 與前面假設(shè)的熱效率 相差很小，因此坩堝尺寸、感應(yīng)器尺寸及爐襯結(jié)構(gòu)比較合理。 傾爐機(jī)構(gòu) 傾爐機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)一般應(yīng)根據(jù)承受載荷的情況，計(jì)算爐體傾側(cè)力矩，來(lái)設(shè)計(jì)出軸承，在選擇其動(dòng)力系統(tǒng)，在這本課題就不去計(jì)算這些，直接選擇常用的傾爐機(jī)構(gòu)。利用電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器帶動(dòng)絲桿升降裝置，完成爐體XXXXXXXXXXXXXX（論文） 3 10kg 真空中頻感應(yīng)爐設(shè)計(jì)理論 計(jì)算 23 的傾動(dòng)過(guò)程。 ② 蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)傾爐。 ③ 壓裝置傾爐。 本課題設(shè)計(jì)的真空感應(yīng)爐容量為 10kg，因此本課題的輕料機(jī)構(gòu)選擇絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。按照壓強(qiáng)的大小劃分真空度，列于下表 [2,6]。從感應(yīng)爐爐體中排除氣體獲得真空，是專門(mén)的真空機(jī)組進(jìn)行的。真空感應(yīng)爐中常用的真空泵類型及使用范圍如下表。常見(jiàn)的配置一種為兩級(jí)真空泵配置，前級(jí)使用機(jī)械泵，后級(jí)使用羅茨泵或油擴(kuò)散泵；另一種為三級(jí)真空泵配置，機(jī)械泵 —羅茨泵 —油擴(kuò)散泵。對(duì)于真空度，一般10Pa 以下就足夠了，因?yàn)橹饕歉艚^氧氣，這樣 的真空度足夠了。 爐殼 爐殼 有 固定爐殼 和 可動(dòng)爐殼。小型真空感應(yīng)爐爐殼采用雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層用無(wú)磁不銹鋼板，外層用普通鋼板。 本課題設(shè)計(jì)的真空裝置感應(yīng)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(jī)械和液壓機(jī)構(gòu)，感應(yīng)圈的冷卻水管線和電纜也占用室內(nèi)空間 。對(duì)于這類真空感應(yīng)爐裝置，內(nèi)層爐殼尺寸設(shè)計(jì)一般取爐殼高度為感應(yīng)器線圈高度的 3~4 倍，直徑也為感應(yīng)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(yīng)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(yīng)爐外形 ； ； ； ； ； ； ； 00000 結(jié) 論 25 結(jié) 論 本設(shè)計(jì)是將本科四年中所學(xué)的冶金專業(yè)所學(xué)理論知識(shí)與實(shí)踐環(huán)節(jié)相結(jié)合的一次設(shè)計(jì)。 通過(guò)對(duì)真空感應(yīng)爐的理論研究和計(jì)算，得到了本次真空感應(yīng)爐設(shè)計(jì)的各項(xiàng)參數(shù)，并且經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)驗(yàn)算它們符合理論和實(shí)踐要求，為該模型真空感應(yīng)爐實(shí)際生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)，主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如下： （ 1）電源電壓： 220V；