真空感应炉

2020/2/101真空应用VacuumApplication主讲：王晓冬[e-mail]ingResearchCenterofNortheasternUniversity,China2020/2/1022真空冶金2.1真空冶金的特点和分类√2.2钢液真空处理√2.3真空电炉的分类和组成√2.4真空感应熔炼2.5真空电弧熔炼2.6电子束熔炼VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China2.4真空感应熔炼2.4.1感应炉工作原理2.4.2真空感应炉的结构特点2.4.3感应炉的设计计算要点2.4.4感应器设计计算实例2.4.5大型真空感应熔炼炉2.4.6电磁悬浮熔炼VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China2.4.1感应炉工作原理炉子结构与组成1)炉体外壳、合金加料箱、观察、取样装置、测温装置、坩埚、感应器、铸锭系统、翻转机构2)真空系统泵、阀门、阱、管路、检测仪表3)电源电控系统变频电源、电控柜、汇流排4)冷却系统泵、阀门、管路、检测仪表VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China真空感应炉结构与组成VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China2020/2/106立式真空感应烧结炉VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,ChinaNdFeB合金熔炼速凝炉VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China2020/2/108NdFeB合金熔炼速凝炉VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China2020/2/109NdFeB感应熔炼炉VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China工作原理交变电流流经感应线圈，使坩埚内的冶炼物料之中产生感生电流；电流流过物料产生的电阻热使其被加热、熔化；物料在真空中除气、精炼、合金化；最终在真空中完成浇铸，获得高质量的材料。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China2020/2/1011电磁感应与涡流热1）电流产生磁场—电的磁效应导体中通有电流时，导体周围空间和内部产生磁场(比奥-萨法尔定律)。磁场满足叠加原理，方向遵守右手定则。2）交变磁场产生感生电场—交变磁场的电效应当通过回路所包围的面积的磁通量发生变化时，回路上产生感生电动势，其大小与磁通量变化率成正比(法拉第电磁感应定律)。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China2020/2/1012电磁感应与涡流热3)感生电流产生感生电阻热—电的热效应焦耳-楞次定律交变电流→交变磁场→感生电动势→感生电流→电阻热→材料冶金感生电流自己构成回路，如涡旋状，称为涡流，故感应加热为涡流加热。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China2020/2/1013电磁感应与涡流热4）感应加热与电阻加热的比较传播途径不同：导线传导电流电磁转换的位移电流；加热方式不同：加热体发热，靠辐射传热自身电阻发热。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China集肤效应导体通有交流电时，导体内电流密度重新分布，外大内小—即为集肤效应。集肤效应的强弱与电流频率密切相关；频率越高，集肤效应越明显；同时，导体直径越大，集肤效应越明显。集肤效应使得导体有效导电面积减少，电阻增大。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China集肤效应VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China2020/2/1016电场衰减规律a—衰减系数，；；f—电流频率；μ—磁导率，，μr—相对磁导率，μ0—真空中磁导率ρ—导体的电阻率。电流密度按指数衰减：axxeEE02af20r70104axxe0VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China透入深度当此时，电流密度衰减到初值的36.78%，此x值称为透入深度，记为Δ：电流大部分在透入深度内流过，计算时看成是在Δ内有电流流过，且电流为均匀分布。由于加热功率正比与电流平方，在X=Δ时，发热量占总功率的86.5%。1xaax10103678.0ex2VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China2020/2/1018电流透入深度与电流密度分布VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China邻近效应与圆环效应（1）邻近效应当通有交流电的两个导体相互靠近时，由于相互作用，其中的电流重新分布。电流同向时，导体外侧电流密度内侧；电流反向时，导体内侧电流密度外侧。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China邻近效应VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China（2）圆环效应通以交流电的线圈，其内部电流重新分布，并且内侧电流密度大于外侧的电流密度。只有导体直径d足够大，而圆环直径D较小时，圆环效应才会明显表现出来。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China圆环效应VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China综合效应与熔材温度分布（1）综合效应感应器—圆环效应，电流集中在圆环内侧；熔材—集肤效应，电流集中在熔材的外侧；感应器与熔材—邻近效应，电流方向相反，使电流集中在两者靠近的一侧。综合效应—电流集中在感应器内侧和熔材的外侧。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China综合效应VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China（2）温度分布由于集肤效应，温度外高内低。由于热损失，温度上低下高。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China电动力效应与搅拌原理（1）电动力效应带电导体在磁场中受力（电动力）遵守左手定则，力的大小为：ffPKF12P2—炉料吸收的功率；f—电流频率；K—系数VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China(2)电搅拌原理感应线圈为短线圈，受端部影响，钢液受力两端小，中间大；故形成四个运动区，产生自搅拌现象。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China自搅拌的优缺点优点：加速熔炼中的物化反应；使合金成分均匀；使熔炼温度均匀；脱气充分；排出夹杂。缺点：冲刷坩埚,使用寿命缩短；坩埚材料被冲刷进入钢水中,污染被熔材料。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China感应熔炼过程与特点1)熔炼工艺流程装料→熔化→精炼→浇注1)装料—部分在大气下装入，另一部分装入合金料箱；2)熔化—真空度高,熔炼时间长；3)精炼—充分除气,调整成分,合金化；4)浇注—中温出钢,高于材料熔点60-80℃，带电浇注,保证合金均匀，保持真空,浇注5-15分钟后充气。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China2）感应熔炼的特点（1）整体保持液态便于加入合金元素,合金化方便便于搅拌,使温度均匀,物化反应充分（2）自搅拌（3）合金收得率高，烧损少（4）功率调节方便通过并联电容,改变功率因数,调节功率（5）熔炼成本偏高VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China2020/2/10312.4.2感应炉的结构特点感应炉的分类炉体坩埚感应器转轴VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China2020/2/1032感应炉的分类按结构分：1）卧式炉中、大型炉子，便于检修和操作2）立式炉中小型炉子,熔炼量=25公斤3）炉体倾动式坩埚与炉体无相对运动4）下铸式(底漏式)坩埚和炉体都静止VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China感应炉的分类（2）VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China感应炉的分类（3）VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China感应炉的分类（4）VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China2020/2/1036炉体1)炉体的作用及要求(1)作用提供工作空间和环境(2)要求强度和刚度：外压、开孔、外负荷、热强度气密性：漏空小、检漏容易、密封合理空间：坩埚、锭模安装和转动空间等操作维护方便VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China2020/2/1037炉体22)材料选用非磁性材料,不锈钢3)冷却盘管式或双层水套4)尺寸防磁：D0=(2-2.5)D1式中D0—炉体直径，D1—坩埚