铸造合金及其熔炼第十章感应电炉熔炼.ppt
第十章 感应电炉熔炼,第一节 概述,感应电炉熔炼是利用交流电感应的作用，使坩埚内金属炉料本身发出热量，将其熔化，并进一步使液体金属过热的一种熔炼方法。感应电炉依其构造分为无芯式和有芯式两种类型。炼钢用的是无芯式感应电炉，其工作原理示如图10-1。,在一个耐火材料筑成的坩埚外面，有螺旋形的感应器(感应线圈)。在炼钢过程中，盛装在坩埚内的金属炉料(或熔化成的钢液)，尤如插在线圈中的铁芯。当往线圈中通以交流电时，由于感应作用，在炉料(或钢液)内部产生感应电动势，并因此感生感应电流(涡流)。由于炉料(或钢液)本身有电阻，故在涡流通过时会发出热量。感应电炉炼钢所需的热量就是利用这种原理产生的。,感应炉熔炼特点：1、加热速度快 特别是液体后，增温快2、氧化烧损轻，吸气少3、工艺简单生产灵活4、炉渣的化学活泼性较弱，调节成分能力差5、吨位小，大多数用于小件生产,第二节 无芯感应炉的构造,无芯感应电炉主要由两个部分构成：炉体部分和电气部分。炉体部分的构造如图10一2所示。,当交流电通过感应器时，在感应器的内部空间中便产生了交变磁通。交变磁通在金属护料(或钢液)内引起感应电动势，在垂直于磁通的平面上产生涡流，从而起加热作用。感应电动势的大小与磁通及电流频率有关，其关系式如下E=4.44 Nf,集肤效应 在炉料(钢液)内部，磁通的分布并不是冷匀的，而是愈靠近外层(坩埚壁)，磁通密度愈大，愈靠近坩埚的中心线，磁通密度愈小，因此在外层中产生的感应电动势和电流比里层来得大，这就是所谓的“集肤效应”。,由于这种电流密度不均匀现象的存在，使得坩埚内炉料(钢液)外层的发热量大于里层。采用的电流颇率愈高，“集肤效应”愈显著，则发热愈是集中于外层。因此，对于大直径(大容量)的坩埚来说，如果采用高颇率，则在炉料中将只有一个筒状的外层中发出较多的热量，而里层发热很少(图10-3)。,在这种情况下，加热的效果低。为此应使电流频率与坩埚直径(炉子容量)相适应。即炉子的容量大时，所以采用的电流频率应该低些。这即是感应电炉的用电频率与其容量之间有一定对应关系的道理。,常用感应炉类型：1、高频感应炉 200-300KHz 10-60KG2、中频感应炉 1000-2500Hz 500-1000KG3、工频感应炉 50Hz 500-10000KG,感应电炉在熔炼过程中，感应器受到高温炉衬的强烈加热。为了避免温度过高，一般都将感应器的铜导线设计成中空式的。制成异形铜管，以便通水冷却。为了倾炉出钢的需要，感应炉的炉体是通过转轴装在护架上，用机械或液压方式驱动，使炉体倾转。,感应电炉的电气部分的作用是供给感应器所需要的电流。高频电炉和中频电炉的电气部分都包括有变频的装置。变频可以采用不同的方法:高频感应电炉采用的是电子管振荡装置。中频感应电炉采用中频发电机或晶闸管变频装置。近年来，晶闸管变频的应用有了很大的发展。用晶闸管变频不仅电能的利用效率较高，而且结构较紧凑，噪声低，使用效果良好。,由于感应电炉的感应器是一个很大的电感，再加上磁通是经过空气而闭合的，所以感应电炉的无功功率相当大.功率因数（cos）相当低，其值一般只有0.10-0.11。因此必须采用相应的电容器与感应器并联，以补偿无功功率，提高功率因数。感应电炉的功率愈大，则所需配上的电容器的容量也愈大。,第三节 感应炉炼钢工艺,由于感应电炉炼钢中炉渣温度较低，化学反应能力较弱，故多采用不氧化法炼钢。一般情况下，待炉料全部熔化后，即行脱氧、调整化学成分和出钢。同样是由于炉渣化学反应能力较弱的原因，在炼钢过程中一般不进行脱磷和脱硫。在生产中，酸性炉衬和碱性炉衬都有采用的。本节中将综合地论述碱性感应电炉不氧化法和酸性感应电炉不氧化法的炼钢工艺。,一、炉衬材料和筑炉1、酸性感应炉 酸性感应电炉的炉衬所用的耐火材料为硅砂。粘结剂一般使用硼酸和水玻璃。硅砂的成分应符合以下要求：SiO299%，杂质含量:Fe2O30.5%，CaO0.25%，A12O30.2%，以及极微量的其它氧化物。硼酸应符合以下要求B2O3%，粒度小于0.5mm。,打结坩埚所使用的材料一般为两种:一种是用于打结增祸的下部(与钢液接触的部分)，另一种是用于打结坩埚的上部（称为炉口部分或炉领部分）。这两种炉衬材料的质量配比如下：炉衬材料:粒度5-6mm 硅砂25%；2-3mm 硅砂20%；0.5-1mm 硅砂30%；硅石粉25%；外加硼酸1.5%-2.0%。炉领材料:粒度1-2mm 硅砂30%；0.2-0.5mm 硅砂50%；硅石粉20%；外加水玻璃10%。,2、碱性感应炉 碱性感应电炉所用的耐火材料为镁砂。镁砂成分的要求:MgO87%；SiO2 4%；CaO5%。应特别注意尽量减少氧化铁的含量，因为氧化铁具有一定的导电性。如果打结用的材料中混有氧化铁时，炉衬就有导电性，易发生漏电(电流穿过炉衬)，甚至造成炉衬被击穿的事故。,碱性感应电炉的坩埚材料是用硼酸和水玻璃作为粘结剂的。坩埚材料也分为两种：材料和炉领材料。它们的质量配比如下:炉衬材料:粒度2-4mm 镁砂15%；0.8-lmm 镁砂55%；外加硼酸1.5%1.8%。炉领材料:粒度1-2mm 镁砂40%；小于lmm镁砂40%；耐火粘土20%。外加适量的水玻璃。上述两种材料在性能方面的特点是:炉衬材料的耐火度较高，而炉领材料的烧结强度较高。,3、筑炉 炉衬的打结方法如下:在打结炉衬以前，先在炉底板上和感应器内面铺一层玻璃丝布(或石棉板)，以起绝缘和隔热作用。然后打结坩埚底，坩埚底打结好后，放上坩埚模型(用5-7mm厚的钢板焊成坩埚的内部形状)，找正位置，并加以固定。然后用捣固叉分几层进行坩埚壁的打结。在打结到感应器以上的高度后，换用炉领材料继续打结。在坩埚打结完后，不必将坩埚模型取出，在通电烘烤炉衬的过程中，它能起到感应加热的作用，并在熔炼第一炉钢液时，随同炉料一起熔化。,坩埚打结好后，首先进行自然干燥，然后进行烘烤。烘烤方法可以用火烘烤或通电烘烤，火烘是将焦炭装入钢板焊制的空心模型内，点火缓慢烘烤。通电烘烤也要缓慢，以免将炉衬烘裂。为此，可以采取间断通电的方法。烘烤的时间一般应不少于8h。,二、炉料和装料1、炉料 酸性感应电炉由于不能脱磷和脱硫，因此所用的炉料必须是低磷和低硫的。在碱性感应电炉炼钢条件下，通过造碱性炉渣，能起到一些脱磷、脱硫的作用，所以对炉料的适应性较强，炉料的平均含磷量和含硫量允许稍高一些。但就脱磷和脱硫能力而言，碱性感应电炉远低于碱性电弧炉。,感应电炉炼钢一般不采用氧化法。由于没有氧化脱碳沸腾精炼的手段，故应尽量减少气体和夹杂物的来源。在这方法，炉料是否洁净是重要的因素。应要求炉料表面无锈、油，炉料的化学成分应该明确、并要求精确地进行配料。炉料的尺寸应该根据坩埚的大小来考虑，不要过大或过小，原则是使炉料能装得紧实，以利导磁和导电。,2、装料 为了加速炉料的熔化，应该注意装料的方法。一般说来，大块的炉料应该装在坩埚壁的附近，小块料装在中间部分和炉底，因为靠坩埚壁处炉温高，而中心部分和炉底部分的炉温较低。在大块炉料的空隙中间用小块料充填。炉料装得紧密，则熔化得快，耗电量也少.装料时必须停电操作，以免发生人身事故。,三、熔化 炉料装好后开始通电熔化。大约在通电开始后10min内用较小的40%-60%)功率通电，以防电流波动太大。过了这段时间以后，电流趋于稳定，就可以使用大功率熔化，直至炉料熔清为止。熔化期中应经常调整电容器的容量，以保证得到最大的功率因数。在熔化过程中应经常用炉钎捅料，注意避免炉料互相挤住而发生“搭桥”。当大部分炉料熔化以后，加入造渣材料。,酸性造渣材料：造型用新砂65%，碎石灰15%，氟石粉20%。也可以用碎玻璃造渣。碱性造渣材料用石灰和氟石，其质量比大约是石灰80%,氟石20%。当炉料中含磷、硫量较高时，在炉料熔清时，可扒除大部分炉渣，更换新渣.,四、脱氧出钢 采用不氧化法炼钢时，炉料熔清后就可以进行脱氧。一般采用将脱氧剂(锰铁、硅铁)直接加入钢液中进行脱氧(沉淀脱氧)的方法。脱氧以后，进行化学成分的调整，然后插铝进行终脱氧。终脱氧后，停电，倾炉出钢。应该注意，在炼钢过程中，所有加入炉中的材料都必须是干燥的。其中造渣材料及铁合金应经过高温烘烤，以免材料中含有水分，加入钢液中会产生气体。,五、合金钢的冶炼 感应电炉不氧化法炼钢由于不进行钢液的氧化，所以钢中合金元素的氧化烧损较少，适宜于冶炼合金钢。酸性感应电炉不氧化法适于冶炼除了含高锰成分的钢种以外的各种合金钢。不适于冶炼含高锰成分的钢种，是因为含高锰成分的钢液中含有大量的MnO，而MnO是碱性氧化物，会严重腐蚀酸性炉衬。碱性感应电炉不氧化法适于冶炼各种合金钢。,用酸性感应电炉不氧化法和碱性电炉不氧化法冶炼合金钢时，合金元素的收得率见表10-2。,第四节 真空感应炉,一、电炉的构造和工作原理 真空感应电炉的炉体部分构造见图10-4。感应器、坩埚及待浇注的铸型是安装在用不锈钢制成的炉壳内。炉料装在柑涡内，在真空条件下熔化。待炉料熔清、钢液温度达到要求后，即可倾炉出钢，将钢液浇入炉内的铸型中。炉内熔炼过程的情况，可从炉盖上的观察窗看到。,二、真空感应炉炼钢的优点1、能比较彻底的清除钢液中的气体 气体在钢液中的溶解量 H=k1(pH)1/2 N=k2(pN)1/2 式中H N 氢和氮在钢液中的溶解量；pH pN炉气中氢和氮的分压力；k1、k2平衡常数。,由上式可见，当降低炉气中氢气和氮气的分压力时，钢液中的气体含量就会随之减少。如炉中的真空度很高时，则钢液中的含气量可以降到很低的程度。例如，当真空度达到1.33Pa(10umHg)时，钢液中氢的含量可降低至 ppm以下。2、钢中元素氧化轻微 由于炉料的熔化和钢液的过热是在真空条件下进行，故钢中元素的氧化程度很轻微。极少生成夹杂物。因此，只要炉料清洁，炼得的钢液就很纯净。,3、钢液中含氧量极低 在真空条件下，碳的脱氧能力强，这是因为碳的氧化反应 C+FeOCO+Fe所生成的一氧化碳被抽走，故而使得反应进行得很彻底。因此，即使钢液由于某种原因(例如炉料不很洁净)而受到氧化时，也会在破的作用下将暇脱得干净。实际上，在真空感应炼钢中，无须加其它脱氧剂进行脱氧。4、炼钢工艺简单 不进行氧化脱氧，过程简单，实际就是重熔,三、真空感应电炉炼钢中存在的问题1、金属元素的蒸发 钢液中每种元素都有它一定的蒸气压，当蒸气压超过外界压力时，元素即会蒸发。在常压下进行的炼钢过程中，并不发生显著的蒸发现象。但在真空条件下冶炼时，钢中某些蒸气压较高的元素(主要是锰)就会发生显著的蒸发现象，从而导致化学成分控制的困难。在真空度为1.33Pa(10mmHg)条件下炼钢时，锰的损耗曲线如图10-5所示。,由此可见，在真空条件下炼钢时，锰的损耗是很显著的，且其损耗量与时间成近于直线的关系。从图上也可看出，温度对于蒸发速度有重要的影响。其原因在于，钢液中锰的蒸气压随温度的上升而增高。除锰以外，铜也比较容易蒸发，但蒸发速度则比锰小得多。铬、铁等元素蒸发甚微，实际上可以忽略不计。,2、钢液的玷污 在真空冶炼条件下，炉衬耐火材料会被钢液所浸蚀，这种浸蚀表现为耐火材料中的SiO2成分被钢液中的碳所还原。其结果是还原产物Si进入钢液，使钢液的化学成分发生变化，这种现象称为钢液的沾污。其反应式可写为 2C+SiO2 Si+2CO 这一反应在大气冶炼条件下，由于炉气中CO的分压力较高，故反应速度受到限制。而在真空条件下，反应程度显著。其结果是使钢的含碳量降低，而含硅量则增高。在真空条件下，用SiO2-Al2O3材质坩埚熔炼C 0.2%的钢时，含碳量与含硅量的变化示如图10-6。,由于铝与氧之间的化学亲和力很强，故炉衬材料中的另一种成分Al2O3基本上不被还原，即不会发生钢液增铝的现象。在真空感应电炉炼钢中，对上述钢液化学成分变化的现象，应给予重视。,
