真空感应炉熔炼原理与中频真空感应熔炼炉设计图需求分析

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1、真空感应炉熔炼原理与中频真空感应熔炼炉设计图需求分析真空感应熔炼（VIM）是在真空条件下，运用电磁感应在金属导体内产生涡流加热 炉料进行熔炼的措施。具有熔炼室体积小、抽真空时间和熔炼周期短、便于温度压力控 制、可回收易挥发元素、精确控制合金成分等特点。由于以上特点，目前已发展为特殊 钢、精密合金、电热合金、高温合金及耐蚀合金等特殊合金生产的重要工序之一。 真空感应熔炼的两个基本原理应用是：真空感应炉感应加热和真空环境。 真空感应炉真空感应炉感应加热原理 感应熔炼是除电弧炉以外较重要的一种电炉熔炼措施。与电弧炉相比，其特点有： （1）电磁真空感应炉感应加热。由于加热方式不同，感应炉没有电弧加热所

2、必须的石墨电极， 从而杜绝了电极增碳的也许，因而可以熔炼电弧炉很难熔炼的含碳量极低的钢和合金。 （2）熔池中存在一定强度的电磁搅拌，可增进钢水成分和温度均匀，钢中夹杂合 并、长大和上浮。 （3）熔池比表面积小。长处是熔炼过程中容易控制氛围，无电弧及电弧下高温区， 合金元素烧损少、吸气少，因此有助于成分控制、气体含量低和缩短熔炼时间；缺陷是 渣钢界面面积小，再加上熔渣不能被真空感应炉感应加热，渣温低，流动性差，反映力低，不利于 渣钢界面冶金反映的进行，特别是脱硫、脱磷等，因而对原材料规定较为严格。 （4）烟尘少对环境污染小。熔炼过程中基本无火焰，也无燃烧产物。 真空感应炉感应加热原理重要根据两则

3、电学基本定律。一是法拉第电磁感应定律： sin ( ) E : B : v : (v B) : E B L v v B = 导体两端所感应的电势； 磁感应强度； 相对速度； 磁感应强度的方向与速度方向之间的夹角。 当一座无芯感应炉的感应线圈中通有频率为 f 的交变电流时，则在感应圈所包围的 空间和四周产生一种交变磁场，该交变磁场的极性、磁感应强度与交变频率随着产生该 交变磁场的交变电流而变化。若感应线圈内砌有坩埚并装满金属炉料，则交变磁场的一 6 部分磁力线将穿过金属炉料，磁力线的交变就相称于金属炉料与磁力线之间产生了切割 磁力线的相对运动。因此，在金属炉料中将产生感应电动势（E），其大小一般

4、如下式 拟定： 4.44 : Wb f : Hz n : n 1 E f n = F = 感应线圈中交变磁场的磁通量， ； 交变电流的频率， ； 炉料所形成回路的匝数，一般 。 二是焦耳-楞茨定律，又称为电流热效应原理。当电流在导体内流动时，定向流动 的电子要克服多种阻力，这种阻力用导体的电阻来描述，电流克服电阻所消耗的能量将 以热能的形式放出。这就是电流的热效应： 2 : J I : A R : t : s Q I R t Q = - W 焦耳 楞茨热， ； 电流强度， ； 导体电阻， ； 导体通电时间。 当感应炉通以交流电后，在感应线圈内坩埚里的金属炉料由一法拉第电磁感应定律 产生感应电动

5、势，由于金属炉料自身形成一闭合回路，因此在金属炉料中产生感应电流： I=4.44f/R，（R:金属炉料的有效电阻，）。该感应电流又根据二焦耳-楞茨定律在炉 料中放出热量，使炉料被加热。 3.2 真空冶金的原理 影响一种化学反映的外部因素重要是：温度、浓度和压力。真空冶金就是通过变化 外界压力对冶金过程中诸多化学反映中有气相参与的反映产生影响，当反映生成物中的 气体摩尔数不小于反映物中的气体摩尔数，减小系统的压力（即增长真空度）则可以使平 衡反映向着增长气态物质的方向移动，促使反映进行的更完全。如下几类反映器中发生 的反映属于此类： 真空下的碳脱氧反映： C+OCO 真空下的脱气反映： 2HH2

6、 2NN2 金属中元素的挥发： MeMe （1）在真空环境下，碳的行为很故意思。在常压下，碳的脱氧能力较弱，因此常 用金属脱氧剂（如硅、铝等）来进行沉淀脱氧，但硅、铝脱氧后形成的氧化物夹杂会部 分残留在钢中，减少钢的纯洁度。在一般条件下，当钢中C=0.20%，与之平衡的O =0.01%，当钢中C减少时，与之平衡的O还要升高，而现今有些特殊用途的钢 和合金中的氧含量规定又远低于 0.01%，因而在一般条件下仅用碳来脱氧是达不到脱氧 规定的。 7 碳氧反映的平衡常数为： / ( ) / ( % % ) K P a a P C f O f = = CO c O CO C O 即： % % / C O

7、 P K = CO 由于 K 值在某一温度下是一常数，当将炉内 CO 不断抽走，即减少炉内的 PCO， %C%O的数值也会同步减少，即在真空条件下，碳氧反映会进行的更完全。 当气相压力降至 0.1atm 时，碳的脱氧能力可超过硅；若气相压力降至 133.322Pa 时，碳 的脱氧能力可超过铝。但碳的脱氧能力并不会随着真空度的提高而无限制的提高，由于 只有液气分界面的碳氧反映仅只遵循上述热力学原理，金属液体内部的碳氧反映不仅遵 循上述热力学原理，还要受到动力学条件的约束。金属液体内部如果要形成 CO 气泡， 那么 CO 的生成压必须不小于炉气压力、气泡产生处金属液柱的静压力和表面张力导致的 压力

8、之和。因而仅减小炉气压力（即增长真空度）是不够的，此时限制碳脱氧的重要因 素是表面张力和静压力。 此原理不仅能减少溶解于金属中的氧，还能还原金属夹杂中的氧,如： MnO+CMn+CO SiO2+2CSi+2CO Al2O3+3C2Al+3CO 同步，真空下碳这一特性也会作用于坩埚耐火材料。在真空熔炼的精炼期，此时熔 池处在高温、高真空下，炉衬中的氧化物及杂质会分解并与碳发生还原反映。因而坩埚 材料的选择很重要。 由于以上过程的存在，反过来也会消耗C，减少钢中的C。 （2）真空下的脱气。金属中的气体是指溶解在其中的氢和氮而言。氢和氮在空气 中以分子状态存在，在金属中则以单原子或离子状态存在，这种

9、双原子气体在金属中的 溶解度与气体分压力的平方根成正比。 2 2 % % H H N N H K P NKP = = （3）真空下杂质及合金元素的挥发。在真空条件下，金属中某些蒸气压较高的元 素，当熔室内压力减少至低于其蒸气压力时，这些元素就会从液态金属中挥发出来。因 而应合理制定工艺制度，增进杂质的挥发、减少有用元素的挥发。 4 真空感应炉工艺流程 就是结合真空冶金与感应熔炼的特点制定合理有效的工艺。其整个周期可分为如下 几种重要阶段，即装料、熔化、精炼、浇注。 8 4.1 装料 真空感应炉所用炉料一般都是通过表面除锈和油污后的高纯原料，有的合金元素还 以纯金属形式加入。严禁采用潮湿的炉料，

10、以免带入气体和在熔炼时产生喷溅。装料时， 应做到上松下紧，以防熔化过程中上部炉料因卡住或焊接而浮现“架桥”；在装大料前， 应先在炉底铺垫一层细小的轻料；高熔点不易氧化的炉料应装在坩埚的中、下部高温区； 易氧化的炉料应在金属液脱氧良好的条件下加入；易挥发的元素加入时，熔炼室应先充 以惰性气体 Ar 为好。熔化期 装料完毕后，应开始抽真空。当真空室压强达到 0.67Pa 时，便可送电加热炉料。熔 化初期，由于感应电流的集肤效应，炉料逐级熔化。这种逐级熔化非常有助于去气和去 除非金属夹杂，因此熔化期要保持较高真空度和缓慢的熔化速度。因此开始熔化时不要 求输入最大的功率，而是根据金属炉料的不同特点，逐

11、级增长输入功率，使炉料以合适 的速度熔化。若熔化过快，则气体有也许从金属液中急剧析出，这将会引起熔池的剧烈 沸腾，甚至产生喷溅。如果发生喷溅，可采用减少熔化速度（减小输入功率）或合适提 高熔炼室压力（关闭真空阀门或充入一定量的惰性气体）的措施加以控制。若采用两次 加料熔化时，第二次炉料应在坩埚炉料熔化 70%80%时加入，并等到补加料开始发红 后再提高输入功率，以免冷料忽然加入而放出大量气体产生喷溅。当金属所有熔化，熔 池表面无气泡逸出时，熔炼进入精炼期。 真空感应炉感应加热精炼期 精炼期的重要任务是：脱氧、去气、清除挥发性夹杂、调节温度、调节成分。为完 成上述任务必须控制好精炼温度、真空度和

12、真空下保持时间等工艺参数。 a、精炼温度：温度升高有助于碳氧反映的进行、夹杂的分解挥发；但温度过高会 加剧坩埚与金属间的反映、增长合金元素的挥发损失，因此一般合金钢的精炼温度控制 在所炼金属的熔点以上 100。 b、真空度：真空度提高将增进碳氧反映，随着 CO 气泡的上浮排出，有助于H 和N的析出、非金属夹杂的上浮、氮化物 的分解、微量有害元素的挥发。但过高的 真空度会加剧坩埚与金属间的反映、增长合金元素的挥发损失，因此对于大型真空感应 炉，精炼期的真空度一般控制在 15150Pa；小型炉则控制在 0.11Pa。 c、真空下保持时间：金属液内氧含量是先降后升的，因此当氧含量达到最低值的 时间就

13、是精炼时间，500kg 的炉子精炼时间为 5070min。 炉料熔清后，应立即加入适量的块状石墨或其她高碳材料进行碳氧反映。精炼后期， 充足脱氧、去气、挥发夹杂物时，加入活泼金属和微量添加元素，调节成分，加入顺序 一般为 Al、Ti、Zr、B、Re、Mg、Ca，应做到均匀、缓慢，以免产生喷溅，加入后用 大功率搅拌 12min，以加速合金的熔化和分布均匀，由于 Mn 的挥发性较强，一般在出 钢前 35min 加入。1.3 中频电炉真空感应炉感应加热电源发展的重要因素（1）中频电炉真空感应炉感应加热电源的发展与电力电子器件的发展密切有关，而电力电子器件的发展又是与半导体微机集成加工技术与功率半导体

14、技术分不开的。可控硅浮现后，一代又一代的电力半导体器件先后问世，性能不断改善，高耐压和高耐流，低损耗、高频率使得中频电炉真空感应炉感应加热电源的性能和实用性得到了体现。（2）单片机、微型计算机技术和集成芯片技术的发展使得对中频电炉真空感应炉感应加热电源的复杂控制成为也许，体积和重量明显减小，功率因素提高了，功率控制调节以便、精确。（3）中频电炉真空感应炉感应加热电源的发展离不开材料学的进步如磁性材料学。同步，某些有关的技术如磁通集中器，感应线圈的材料和设计，绝缘技术，故障诊断技术和远程控制、智能化技术等等也都影响其发展。可以说，中频电炉真空感应炉感应加热电源的发展是诸多学科和综合技术共同决定的

15、。1.4 中频电炉真空感应炉感应加热电源的发展趋势（1）从电路的角度，中频电炉真空感应炉感应加热电源的大容量化技术分两类:一是器件的串并联；二是多台电源的串并联。在器件的串并联方式中，必须解决好串联器件的均压问题和并联器件均流问题，由于器件制造工艺和参数的离散性，限制了器件的串并联数目，且装置的可靠性和串并联数目成反比。多台电源的串并联技术是在器件串并联技术基本上进一步大容量化的有效手段，借助于可靠的电源串并联技术，在单机容量合适的状况下，可简朴地通过串并联运营方式得到大容量装置，每台单机只是装置的一种单元(或一种模块)。串联逆变器输出可等效为低阻抗的电压源。当两电压源并联时，互相间的幅值，相

16、位和频率不同或波动时将导致很大的环流，以致逆变器件的电流产生严重不均。因此，串联逆变器存在并机扩容困难:而对并联逆变器，逆变器输入端的直流大，电抗器可充当各并联器之间的电流缓冲环节，使得输入端的AC/DC或DC/DC环节有足够的时间来纠正直流电流的偏差，达到多机并联扩容。（2）目前，中频电炉真空感应炉感应加热电源在中频段重要采用晶闸管，超音频段重要是IGBT，而高频段，随着MOSFET和IGBT性能不断改善，SIT将失去存在价值。中频电炉真空感应炉感应加热电源谐振逆变器可实现软开关，但由于一般功率较大，对功率器件，无源器件，电缆，布线，接地屏蔽等均有诸多特殊规定，特别是高频电源。因此，实现中频

17、电炉真空感应炉感应加热电源高频化仍有许多应用基本技术需进一步探讨。（3）中频电炉真空感应炉感应加热电源多应用于工业现场，其运营工况比较复杂，它与钢铁，冶金和金属热解决行业具有十分密切的联系，它的负载对象各式各样，而电源逆变器与负载是一有机的整体，负载直接影响到电源的运营效率和可靠性。对焊接，表面热解决等负载，一般采用匹配变压器连接电源和负载感应器，对高频，超音频电源用的匹配变压器规定漏抗很小，如何实现匹配变压器的效率，从磁性材料选择到绕组的设计已成为重要课题。此外，从电路拓扑上负载构造以三个无源元件替代本来的二个无源元件，以替代匹配变压器实现高效，低成本隔离匹配。（4）随着感应热解决生产线自动

18、化限度及对电源高可靠性规定提高，中频电炉真空感应炉感应加热电源正向智能化控制方向发展。具有计算机智能接口、远程控制、故障自动诊断等控制性能的中频电炉真空感应炉感应加热电源正成为下一代发展目的。（5）由于中频电炉真空感应炉感应加热用电源一般功率都很大，目前对它的功率因数，谐波污染指标还没有具体规定。但随着减少电网无功及谐波污染规定的提高，具有高功率因数(采用大功率三相功率因数校正技术)及低谐波污染电源必将成为此后发展趋势。（6）当今高新技术飞速发展，新材料、新工艺不断涌现，中频电炉真空感应炉感应加热是一种重要的研发和加工手段。因此，中频电炉真空感应炉感应加热电源是某些高新技术研发中心不可缺少的装

19、备。可以肯定的说，随着科学技术的发展，中频电炉真空感应炉感应加热电源在高新技术领域会有更广泛的应用。在这一领域，对中频电炉真空感应炉感应加热电源的可靠性和可控性规定更高。如何设计制造大功率超高频、高性能的中频电炉真空感应炉感应加热电源，是电力电子科技工作者的重要课题。2.中频电炉真空感应炉感应加热电源2.1 基本工作原理中频电炉真空感应炉感应加热是运用导体处在交变电磁场中产生感应电流（涡流）所形成的热效应使导体自身发热。根据不同的加热工艺规定，中频电炉真空感应炉感应加热采用的电源的频率有工频（5060Hz）、中频(6010000Hz)和高频(高于10000Hz)。中频电炉真空感应炉感应加热的物

20、体必须是导体，中频电炉真空感应炉感应加热能在被加热物体内部直接生热，因而热效率高，升温速度快，容易实现整体均匀加热或局部加热（涉及表面加热）。中频电炉真空感应炉感应加热是运用交流电建立交变磁场产生涡流对金属工件进行中频电炉真空感应炉感应加热的。基本工作原理如图1所示，图中A为感应线圈（也称负载线圈），B为被加热的金属工件。若线圈A中通以交流电流i1，则在线圈A内产生随时间变化的磁场，置于交变磁场中的被加热工件B要产生感应电动势e2，形成涡流i2，这些涡流使金属工件发热，消耗电能。由上可知，中频电炉真空感应炉感应加热是靠感应线圈把电能传递给要加热的金属工件，然后在金属内部转变为热能，感应线圈与被

21、加热金属不直接电接触，能量是通过电磁感应传递的。 B A 图1 中频电炉真空感应炉感应加热基本原理由电磁感应定律可知，感应电动势为： （2-1）设磁通对时间t按正弦规律变化，即则 （2-2）其中感应电动势的幅值为：2为了要使金属工件加热到一定的温度，必须规定金属工件内有足够大的涡流，亦即规定金属工件内有较大的电动势，从式（2-2）可知，要增大有如下两种途径：（1）增大线圈A中的电流。增大即增大金属工件中的交变磁通的最大值。（2）增大线圈中电流的频率。由于金属工件中的感应电动势正比于磁通变化率，因此的频率越高，感应电动势就越大。近代中频电炉真空感应炉感应加热广泛采用中频及高频电源的因素就在于此，也是成为中频电炉真空感应炉感应加热电源研究的方向和追求的必然。