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.docx

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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，利用电磁感应在金属导体内产生涡流加热炉料进行熔炼的方法。

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、准确控制合金成分等特点。

由于以上特点，现在已发展为特殊钢、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方法。

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必须的石墨电极，从而杜绝了电极增碳的可能，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，可促进钢水成分和温度均匀，钢中夹杂合并、长大和上浮。

〔3〕熔池比外表积小。

优点是熔炼过程中容易控制气氛，无电弧及电弧下高温区，合金元素烧损少、吸气少，所以有利于成分控制、气体含量低和缩短熔炼时间；缺点是渣钢界面面积小，再加上熔渣不能被真空感应炉感应加热，渣温低，流动性差，反应力低，不利于渣钢界面冶金反应的进行，特别是脱硫、脱磷等，因而对原材料要求较为严格。

〔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主要依据两则电学基本定律。

一是法拉第电磁感应定律：

sin（）E:

B:

v:

（vB）:

EBLvvB=⨯⨯⨯∠∠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个交变磁场，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。

假设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，磁力线的交变就相当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〕，其大小通常以下式确定：

4.44:

Wbf:

Hzn:

n1EfnФ=Φ=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，通常。

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各种阻力，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:

JI:

AR:

t:

sQIRtQ=-Ω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势，由于金属炉料本身形成一闭合回路，所以在金属炉料中产生感应电流：

I=4.44Ф·f/R，〔R:

金属炉料的有效电阻，Ω〕。

该感应电流又依照二焦耳-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个化学反应的外部因素主要是：

温度、浓度和压力。

真空冶金就是通过改变外界压力对冶金过程中诸多化学反应中有气相参加的反应产生影响，当反应生成物中的气体摩尔数大于反应物中的气体摩尔数，减小系统的压力〔即增加真空度〕则可以使平衡反应向着增加气态物质的方向移动，促使反应进行的更完全。

以下几类反应器中发生的反应属于此类：

真空下的碳脱氧反应：

〔C〕+〔O〕→CO↑真空下的脱气反应：

2〔H〕→H2↑2〔N〕→N2↑金属中元素的挥发：

〔Me〕→Me↑〔1〕在真空环境下，碳的行为很有意思。

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，降低钢的纯洁度。

在一般条件下，当钢中〔C〕=0.20%，与之平衡的〔O〕=0.01%，当钢中〔C〕降低时，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要求又远低于0.01%，因而在一般条件下仅用碳来脱氧是达不到脱氧要求的。

7碳氧反应的平衡常数为：

/（）/（%%）KPaaPCfOf==COcOCOCO〔〕〔〕即：

%%/〔COPK〕〔〕=CO由于K值在某一温度下是一常数，当将炉内CO不断抽走，即降低炉内的PCO，〔%C〕·〔%O〕的数值也会同时降低，即在真空条件下，碳氧反应会进行的更完全。

当气相压力降至0.1atm时，碳的脱氧能力可超过硅；假设气相压力降至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，因为只有液气分界面的碳氧反应仅只遵循上述热力学原理，金属液体内部的碳氧反应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的生成压必须大于炉气压力、气泡产生处金属液柱的静压力和外表张力造成的压力之和。

因而仅减小炉气压力〔即增加真空度〕是不够的，此时限制碳脱氧的主要因素是外表张力和静压力。

此原理不仅能降低溶解于金属中的氧，还能复原金属夹杂中的氧,如：

MnO+〔C〕→〔Mn〕+CO↑SiO2+2〔C〕→〔Si〕+2CO↑Al2O3+3〔C〕→2〔Al〕+3CO↑同时，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，此时熔池处于高温、高真空下，炉衬中的氧化物及杂质会分解并与碳发生复原反应。

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〕，降低钢中的〔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。

22%%HHNNHKPNKP==〔〕〔〕

〔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，当熔室内压力降低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，促进杂质的挥发、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。

其整个周期可分为以下几个主要阶段，即装料、熔化、精炼、浇注。

84.1装料真空感应炉所用炉料一般都是经过外表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，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出现“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。

当真空室压强到达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，炉料逐层熔化。

这种逐层熔化非常有利于去气和去除非金属夹杂，所以熔化期要保持较高真空度和缓慢的熔化速度。

所以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，逐级增加输入功率，使炉料以适当的速度熔化。

假设熔化过快，则气体有可能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，可采取降低熔化速度〔减小输入功率〕或适当提高熔炼室压力〔关闭真空阀门或充入一定量的惰性气体〕的方法加以控制。

假设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，以免冷料突然加入而放出大量气体产生喷溅。

当金属全部熔化，熔池外表无气泡逸出时，熔炼进入精炼期。

真空感应炉感应加热精炼期

精炼期的主要任务是：

脱氧、去气、去除挥发性夹杂、调整温度、调整成分。

为完成上述任务必须控制好精炼温度、真空度和真空下保持时间等工艺参数。

a、精炼温度：

温度升高有利于碳氧反应的进行、夹杂的分解挥发；但温度过高会加剧坩埚与金属间的反应、增加合金元素的挥发损失，所以通常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：

真空度提高将促进碳氧反应，随着CO气泡的上浮排出，有利于〔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应、增加合金元素的挥发损失，所以对于大型真空感应炉，精炼期的真空度通常控制在15~150Pa；小型炉则控制在0.1~1Pa。

c、真空下保持时间：

金属液内氧含量是先降后升的，所以当氧含量到达最低值的时间就是精炼时间，500kg的炉子精炼时间为50~70min。

炉料熔清后，应立即加入适量的块状石墨或其他高碳材料进行碳氧反应。

精炼后期，充分脱氧、去气、挥发夹杂物时，加入活泼金属和微量添加元素，调整成分，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1~2min，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3~5min加入。

1.3中频电炉真空感应炉感应加热电源发展的主要因素

〔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相关，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技术分不开的。

可控硅出现后，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表达。

〔2〕单片机、微型电脑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可能，体积和重量明显减小，功率因素提高了，功率控制调节方便、准确。

〔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。

同时，一些相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。

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，必须处理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础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，在单机容量适当的情况下，可简单地通过串并联运行方式得到大容量装置，每台单机只是装置的一个单元（或一个模块）。

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，相互间的幅值，相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，到达多机并联扩容。

〔2〕目前，中频电炉真空感应炉感应加热电源在中频段主要采用晶闸管，超音频段主要是IGBT，而高频段，随着MOSFET和IGBT性能不断改良，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，但由于通常功率较大，对功率器件，无源器件，电缆，布线，接地屏蔽等均有很多特殊要求，尤其是高频电源。

因此，实现中频电炉真空感应炉感应加热电源高频化仍有许多应用基础技术需进一步探讨。

〔3〕中频电炉真空感应炉感应加热电源多应用于工业现场，其运行工况比较复杂，它与钢铁，冶金和金属热处理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行效率和可靠性。

对焊接，外表热处理等负载，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要求漏抗很小，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。

另外，从电路拓扑上负载结构以三个无源元件代替原来的二个无源元件，以代替匹配变压器实现高效，低成本隔离匹配。

〔4〕随着感应热处理生产线自动化程度及对电源高可靠性要求提高，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。

具有电脑智能接口、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标。

〔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要求。

但随着减少电网无功及谐波污染要求的提高，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今后发展趋势。

〔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个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要求更高。

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。

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利用导体处于交变电磁场中产生感应电流〔涡流〕所形成的热效应使导体本身发热。

根据不同的加热工艺要求，中频电炉真空感应炉感应加热采用的电源的频率有工频〔50～60Hz〕、中频（60～10000Hz）和高频（高于10000Hz）。

中频电炉真空感应炉感应加热的物体必须是导体，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〔包括外表加热〕。

中频电炉真空感应炉感应加热是利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。

假设线圈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，感应线圈与被加热金属不直接电接触，能量是通过电磁感应传递的。

BA

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，必须要求金属工件内有足够大的涡流，亦即要求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。

因为金属工件中的感应电动势

正比于磁通变化率，所以

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原因就在于此，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。