10kg真空中频感应炉装置设计毕业设计(编辑修改稿)

10kg真空中频感应炉装置设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

及其成分 [1] 炉料 化学成分 ω/% C Si Mn P S Cr Ni Al Fe 电解镍 其余 电解锰 其余 硅铁 其余 铬铁 其余 工业纯铁 其余 铝 ① 融化温度 tR=1435℃ ；浇注温度 tJ=1535℃。 为了简化这以所炼钢种的成分代替炉料成分计算熔点，根据表 得 [1]： tR=153565[C]+30[P]25[S]20[Ti]8[Si]7[Cu]5[Mn][Ni][Al]2[V][Mo] [Cr][Co]1[W]1300[H]90[N]80[B]80[O]5[Ce][Ni] =153565+30 59 =1435℃ 而浇注温度一般比熔点高 100℃ ，因此， tJ=tR+100=1435+100=1535 ℃ 式（ ） ② 查 [3]表 附表一得炉料在浇注温度时的热含量 qJ= 千卡 /公斤； ③ 常温时炉料的比热 qB=103千卡 /公斤 度 [7]； ④ 炉料在冷态（常温）时的电阻率 ρL= 欧姆 厘米 [7]； XXXXXXXXXXXXXX（论文） 3 10kg 真空中频感应炉设计理论 计算 7 ⑤ 炉料在热态（融化或浇注）时电阻率 ρR= 欧姆 厘米 [7]； ⑥ 相对导磁率：冷态 μrL=，热态 μrR=； ⑦ 炉料的比重：冷态 γL=，热态 γR=，克 /厘米 3。 2）炉子容量， GG=10 公斤；和熔炼时间 τR= 小时。 3）炉料粒度， 48~96mm。 配料计算 在真空感应炉熔炼中，要将多余的元素（包括磷、硫等杂质）去除，要比电弧炉熔炼时困难的多。 为此在真空感应炉熔炼时，就不安排去除多余元素的冶炼任务了，要求定量地知道入炉的每种炉料的成分，并通过计算以保证最终产品的成分达到预定的成分。 全部使用新料 下面以 100kg 炉料为基准进行配料计算。 根据熔炼 工艺特点确定元素回收率 P列于表 中。 在 100kg 炉料中，合金元素的需要量 m 为： P100Am 式 （ ） 式中 A 为计算成分。 计算结果列于表 中。 钢种成分选用炉料，炉料种类及其成分列于表 中。 表 合金元素回收率和需要量 [2] 计算内容 化学成分 ω/% C Si Mn Cr Ni S P 回收率 P/% ≤50 90 95 98 100 100 100 需要量 m /kg 9 各种炉料需要量计算如下： 电解镍 9247。 %＝ (kg) 由此带入的碳、硫、磷量为： C %＝ (kg) ； S %＝ (kg)； P %＝ (kg) 铬铁 247。 %＝ (kg) 由此带入的碳、硫、磷、硅量为： C %＝ (kg) ； S %＝ (kg)； P %＝ (kg)； Si %＝ (kg) 硅铁量 的计算。 铝、工业纯铁和铬铁中含有硅，忽略铝中的含量，工业纯铁XXXXXXXXXXXXXX（论文） 3 10kg 真空中频感应炉设计理论 计算 8 的量按照估计值带入，则硅铁量为 : [（ ） %]247。 %=(kg) 由硅铁带入的碳、硫、磷、锰量为： C %＝ (kg) ； S %＝ (kg)； P %＝ (kg)； Mn %＝ (kg) 同理，点解锰量为： [（ ） %]247。 %=(kg) 由电解锰带入的碳、硫、磷量为 : C %＝ (kg) ； S %＝ (kg)； P %＝ (kg) 则工业纯铁量为： =(kg) 由工业纯铁带入的碳、硅、锰、硫、磷量为： C %＝ (kg) ； S %＝ (kg)； P %＝ (kg)； Mn %＝ (kg)； Si %＝ (kg) 将计算所得工业纯铁量带回上述硅铁、电解锰计算式，再次核定硅铁、电解锰加入量，硅铁量为 (kg)，电解锰为 (kg)并再次核算工业纯铁量，核定为 (kg) 铝： 用铝终脱氧加 入量为 %，则： Al %100=(kg) 将以上计算内容逐项填入配料平衡表中。 表 表明， C、 S、 P 没有超标，其他合金元素量都满足要求。 表 100kg 炉料的配料计算平衡 炉料 加入量 /kg 化学成分 ω/% C Si Mn P S Cr Ni Al 电解镍 7 0 0 9 电解锰 48 2 1 硅铁 65 87 0 5 铬铁 5 0 0 工业纯铁 2 8 铝 100 XXXXXXXXXXXXXX（论文） 3 10kg 真空中频感应炉设计理论 计算 9 合计（不含吕） 100 9 表中，碳的含量大于 %，但由于真空感应炉冶炼的钢种碳回收率远小于50%，因此符合要求。 假设钢液浇注成 1 只重量为 9kg 的钢锭，并假设钢液在熔炼及浇注过程损失率为 10%，则装入量为： m=9= (kg) 当装入量为 时，平衡表中各种元素或特合金加入量乘以系数 ，则各种炉料量如表 所示。 表 各炉料量（ kg） 炉料 电解镍 电解锰 硅铁 铬铁 工业纯铁 加入量 使用部分返回料 有时利用返回料进行熔炼钢种，可分为 以下 三种情况： ① 返回料与熔炼 钢种的成分相似； ② 返回料中相应成分低于熔炼钢； ③ 返回料成分高于相应成分。 以上三种情况中，只有最后一种情况返回料的用量受到限制，在这 本课题 不对此作讨论。 真空感应炉炉衬耐火材料 真空感应炉用耐火材料的工作条件和特点 在冶炼过程中 炉衬耐火材料反复受到急冷急热 ， 金属液对炉衬耐火材料产生强烈的机械冲刷， 而且 炉衬材料的温度梯度非常大。 因此， 炉衬耐火材料必须具有以下特性 [10]： ① 具有足够高的耐火度和荷重软化温度，具有良好的化学稳定性，不易与金属熔渣及其熔化时所存在的成分等发 生反应。 ② 具有良好的热震稳定性。 ③ 具有高的高温机械强度。 ④ 材料的施工性能良好，填充密度高，不易被熔液润湿和渗透，不易产生炉内结瘤，维修方便，具有良好的隔热性和绝缘性。 ⑤ 资源丰富，便宜，而且材料要不容易 “放气 ”。 感应炉坩埚材质 真空感应炉坩埚有 三 种类型，即碱性坩埚、酸性坩埚和中性坩埚。 用于制作XXXXXXXXXXXXXX（论文） 3 10kg 真空中频感应炉设计理论 计算 10 碱性坩埚的 耐火 材料 一般 为氧化镁 ， 用于制作中性坩埚的材料有氧化铝、MgOAl2O3复合氧化物、石墨等 ，但 用于制作酸性坩埚的材料 只有 氧化硅。 常用坩埚材料的允许使用最高工作温度见 表。 表 常用坩埚耐火材料的允许使用的最高工作温度 [2] 坩埚材料 矿物成分 /% 熔点 /℃ 最高工作温度 /℃ 备注 锆英石 ZrO2SiO2≥95 2550 1650 中性 普通镁砂 MgO≥90 2020 1700 碱性 电容镁砂 MgO≥98 2300 1800 碱性 锆英石 ZrO2SiO2≥95 2550 1650 中性 尖晶石 MgO70,Al2O330 2135 1800 弱碱性 真空感应炉一般选择电熔镁砂作为坩埚材料，下表为电熔镁砂的成分和性能。 表 电熔镁 砂的成分和性能 [2] 等级 成 分 /% 灼烧减量/% 真密度/gcm3 MgO CaO SiO2 Fe2O3+Al2O3 1 97~98 ≤ ≤ ≤ ≤ 2 96~97 ≤ ≤ ≤ ≤ 3 94~96 ≤ ≤ ≤ ≤ 4 92~94 ≤ ≤ ≤ ≤ 表 ， 2级产品可用作真空感应炉坩埚材料 ,本设计选择 2级电熔镁砂。 隔热层材料本课题选 择石棉板。 坩埚制作方法 坩埚制作方法有 3种： 炉 外成形预制坩埚是将砂料装入磨具内加压制成，适用于容量 较 小的感应炉；炉内成形坩埚时利用手工或机械的方法在炉内打结制成，适用于中小型感应炉；砌筑式坩埚时用耐火材料砖和填料在炉内砌筑而成，适用于大容量感应炉。 本课题所设计的真空感应炉容量为 10kg，因此，本课题选择在炉外成形预制坩埚。 坩埚尺寸计算 确定坩埚的总体积和金属液的体积 实际上，由于金属液的搅动和可能的超装，坩埚的装料体积应比有效容积大25%~30%。 为了 简化运算 , 以所炼钢种固态体积代替钢液体积。 XXXXXXXXXXXXXX（论文） 3 10kg 真空中频感应炉设计理论 计算 11 金属液体积 )厘米( 1 2 7 3 . 8 9107 . 8 51010rGV 333mGg  式 （ ） 总体积 )厘米( 1 9 1 0 . 8 32 / 31 2 7 3 . 8 9KVV 3gG  式 （ ） 式中 rm——熔融金属比重，克 /厘米 3； GG——炉子额定容量，公斤； K——液态金属占坩埚体积率 ,一般为 2/3~3/4。 3G /,kg10G 其中 cmgK m  ，取 确定坩埚尺寸是，应考虑的一些主要因素如下 [3]： 1） 坩埚的高度和直径必须有一定比例，坩埚高度偏矮时，坩埚内的电磁场强度便分布不 均匀 ，而无法实现稳定熔炼，而且占地面积 比较 大。 对于真空感应炉来说，则要求有较大的炉室容积。 2） 坩埚的高度偏高时，线圈匝数增多，装料、浇注多有不便，而且 漏 磁通增加，效率降低。 3） 打结坩埚时，为了便于拔出模具，坩埚必须具有一定锥度。 坩埚内径应上大下小，一般锥度应大于 1%，但为增加坩埚强度及便于制作感应器， 坩埚外经应该大小一致。 4） 本课题设计的熔炼炉采用圆无芯形坩埚，其各部分尺寸如图所示： 图 圆形无芯坩埚 [1] 由于坩埚内径 D 和有效高度 H（即金属熔体高度）有一个合适比值 A=D/H。 一般可根据经验来确定 A 值，坩埚容积越小比值越小这样便有一定高度来布置线圈，因而小容量炉子的高度通常比直径大得多。 设计可参考下表来确定 A 值。 表 A 值和 δc/D值选择表 炉子容量，公斤 500 500~1500 1500~3000 3000 XXXXXXXXXXXXXX（论文） 3 10kg 真空中频感应炉设计理论 计算 12 A=D/H 值 ~ ~ ~ ~1 δc/D值 ~ ~ ~ ~ 0 .2 5/Dδ0 .5 ,A真空熔炉， 取 1 0 kg 为 由于本次 课 于本次 课题 C  均值）便可导出坩埚直径（平根据坩埚有效容积 H4πDV 2g  )( 9 . 3 3π1 2 7 3 . 8 90 . 54π4 A VD 33 g 厘米 式 （ ） （厘米）熔体高度 1 8 . 6 6D / AH  式 （ ） （厘米）坩埚高度 2 7 . 9 59 . 3 3π 1 9 1 0 . 8 34πD4VH 22GG  式 （ ） 式中 H——熔体高度，即坩埚有效高度； HG——坩埚的高度。 感应器 感应器（感应线圈）是真空感应炉的关键部分，电源通过感应器把功率传递到冶炼的金属炉料中。 确定感应器的直径 炉衬厚度与炉子 的 容量有关，确定 炉衬厚度 δC 值时，必须考虑两个因素：一是尽量减少炉子的无功损耗， δC 值越大，炉子的无用功损耗就越大， 从减少无用功损耗、提高炉子功率因素的角度出发， δC 值越小越好；二是坩埚必须具有足够的机械强度和一定的寿命，这显然 δC 值大一点好。 同时，绝缘层应保证能耐受线圈的工作电压，由于隔热层太薄会带来大量的热损失，且对感应线圈的工作不利，所以 δz也不能太小。 总之，感应器 线圈 与炉料之间的距离，即炉衬的厚度，应在。