真空熔炼炉设计

1、上海大学 1 绪 论毕业设计论文学 院 机电工程与自动化学院专 业 机械制造及自动化(专升本)学 号 124A1144 姓 名 郭利娜指导教师 任伯航日 期 二一五年 九月十三日摘要目前，随着航天、航空、军工、核电、能源、化工等领域的不断向前发展，不仅特殊钢、精密合金、电热合金、高温合金等特殊合金的需求量越来越大，而且对其质量要求更加苛刻，这就促进了真空感应炉的发展与研究.与其他冶炼方法相比，真空感应熔炼炉能更精确的控制所炼钢种或合金的成分；钢或合金中气体和非金属夹杂物的含量水平圆圆低于其他熔炼方法；真空熔炼炉的温度相对来来说比较容易控制，而控制压力水平就是真空感应熔炼炉最显著的特点。本设计研

2、究的对象是25KG的真空感应熔炼炉装置的设计，包括此炉的总功率的热工计算、中频电源的电参数技术计算，坩埚材质的选择以及坩埚尺寸的设计，感应器材料的选择与机构设计，真空系统泵阀的选择以及真空管的布置，炉壳的强度校核，冷却系统的设计等，本课题的设计论述出来各部分的设计方法与原则以及计算设计过程和必要的强度校核。关键词 真空 感应炉 设计ABSTRACTAt present，with the continuous development of some areas，suchas acrospace，avaiation，military industry ，nuclear power，energy a

3、ndchemical area，not only the demand of special alloy heat resisting alloy，high temperature alloy， corrosion resistant alloyareas increasing，but the quality requirements of this special alloy are becoming more stringent.All of this promoted the development and research of vaccum induction furnace. Co

4、mpared with other smelting method, vaccum induction smelting furnace is able to precisely control composition of steel or alloy, and gas and nonmetallic inclusions in steel or alloy are far below other smelting method.The temperature of the vacuum induction furnace is relatively easy to control, and

5、 control the pressure level is the most distinguishing feature of vacuum induction furnace. This research sets the target of 10 kg vacuum intermediate frequency induction furnace。 This research sets the target of 25 kg vacuum intermediate frequency induction furenace equipment design，including therm

6、al calculation ofPower，electric paremeters calculation of medium frequency power supply， The selection of crucible material and size design ，material selection and structure design of sensors，selection of vacuum pump valve and the arrangement of vacuum line，strength check of shell，cooling system des

7、ign.The topics addressed in the design of the various components of the design principles and calculation methods and design process and the necessary degree of intensity.Key words vacuum，induction furenace，design第一章 绪 论1. 真空中频感应炉概述真空感应熔炼（VIM）就是在真空条件下，利用电磁感应在金属液导体内产生涡流加热炉料进行熔炼的方法。一般应用于金属及合金的冶炼、提纯、精炼

8、及处理。真空冶金可保护金属液不被大气中氧等气体物质污染、分离沸点不同的物质并可降低金属中的气体或其他杂质含量等，可以实现在大气压下无法实行的冶炼过程，提高冶炼金属及合金的质量。随着科学技术的进步，对材料的性能要求越来越高，真空感应炉冶炼为新材料的生产提供了保证，满足了市场需求。为了适应尖端技术对高性能及新型金属材料的需求，真空冶金已成为现代冶金的一个重要领域。第二次世界大战期间和战后，正是由于各国对高性能金属材料及新型金属材料的需求，真空冶金技术的到了快速的发展。中国的真空冶炼在20世纪50年代后期开始的，到目前，我国的真空冶金已经处在快速发展阶段。新型真空感应炉熔炼又称为真空感应脱气浇铸VI

9、DP（vacuum induction degassing pouring）,其具有熔炼室体积小，抽真空时间和熔炼周期短，便于温度压力控、回收易挥发元素和准确控制合金成分等特点。2. 3. Hhh4.第二章 Hh第三章第四章 绪 论。1) 国内外真空感应炉使用状况及发展趋势真空感应炉是特殊钢、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，在航天、航空、军工、核电等领域的材料生产中起着重要的作用。近年来，我国铸件常量一直位居世界首位，连续几年位居世界第一。我国的钢产量和铸件产量都位居世界前列，但优质钢，高档铸件尚需从国外进口。因此，多方面提高我国冶炼设备的装备水平及其技术水

10、平是十分必要的。多功能真空感应炉，有利于提高铸造用钢的质量，增加铸造钢和合金的品种，最终目的是为了提高现有冶金装备与技术水平以及材料质量，得到高水平的优质产品。真空感应炉随着高产量、高生产率、高质量的要求，冶炼过程和操作又都需要在真空室内完成，容积和体积就越来越大，功能也越来越完善，加上计算机软降的发展，自动化程度也越来越高，即出现了多功能真空感应炉。很多国内钢铁公司、铸造企业乃至高校和研究院，都在增添多功能真空感应炉，可以认为，多功能真空感应炉具有广泛的应用前景。紧凑型真空感应炉( VIDP) 在与其他浇注系统组合方面, 有很强的适应性, 从而扩展了真空感应炉的功能, 实现了一机多用, 提高

11、了综合经济效益。2) 真空感应熔炼炉设计特点在设计、制造和使用真空感应炉时，应紧紧抓着“真空”这一特性。选择炉体内部件的材料时，应注意这些材料在真空中的性质，不要选择容易“放气”的材料。在感应器的结构中应尽量避免出现尖角、锐棱等部位，位于炉内的所有带电体的表面都应该圆滑并经绝缘处理，以避免真空放电。电极引线可用同轴线，但必须考虑密封。坩埚材料应根据被熔炼金属性质选定，可以 使用由于容易氧化而一般不在空气中熔炼时使用的材料。例如，石墨作坩埚材料。为加速真空除气，坩埚深度与平均内径之比值应比非真空感应熔炼炉的相应值小，一般取坩埚深度与平均内径相等。真空熔炼的目的，主要在于能使液态金属得以充分脱气，

12、儿熔体又不会被氧化，因此应使被熔炼金属液得到足够强的搅拌力，从而应选择较非真空炉低的工作平率。如果采用石墨坩埚，那么选择的工作频率应使电流在石墨中的投入深度等于坩埚厚度的1.52倍。3) 本课题研究的目的及意义本课题，通过查阅有关资料，了解国内外真空感应炉发展状况，设计真空感应炉装置，有益于我们利用所学的专业知识解决实际问题，对真空中频感应炉的工作原理、构造、工作流程等有更深入的认识和理解，为今后从事相关的工作或进一步深造打下扎实基础。此外，随着我国对真空冶炼的研究，提高铸造用钢合金钢产品的质量，得到高水平的产品，从而提高国防事业以及人民生活质量，因此研究真空冶金具有很多实际意211. Kk2

13、.3. 真空中频感应炉冶炼工艺真空感应炉熔炼的整个周期可以分为以下几个五主要阶段，即装料、熔炼、精炼、合金化和脱氧浇注等。1) 装料真空感应炉所用的炉料，一般都是经过表面去锈和去油污后的清洁干燥原料，而大部分合金元素以纯金属形式加入。加料时，严禁使用潮湿的炉料，以免影响成品的质量和在熔炼时发生喷溅。装料时，应做到上松下紧，以防止熔化过程中上部炉料因卡住或焊接住而出现“架桥”；高熔点又不易氧化的炉料，应装在坩埚的中、下部高温区。大炉子装料时，应分几次加入，而且要注意炉料对坩埚壁的冲击。易氧化的的炉料，应在金属液脱氧良好的条件下加入；为减少易挥发元素的挥发损失，可以以合金的形式加入金属熔池中，或在

14、熔炼池中充入一定量的惰性气体（如氦气），以保持一定的炉内压力。对于大容量的炉子，可以采用热装，热装料法是将炉料预先在感应炉或电弧炉中按成分要求熔化，然后将钢液注入真空感应炉内进行冶炼。这种热装料法的优点是可以用较差的炉料，在熔炼炉内可以除磷和硫等杂质，感应炉内省去了熔炼期，总的冶炼时间可以缩短1/3，大大提高了大型真空感应炉的生产效率。2) 熔化期对于连续式生产真空感应炉，装料完后，即可送电进行熔化。熔化期的主要任务是熔化炉料。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物，所以熔化期要保持较高真空度和缓慢的融化速度。熔化期由于有大量的气体析出，要

15、保证真空系统有足够的抽气速度。如果熔化速度过快，气体将急剧地从钢液析出，容易引起钢液喷溅。喷溅的钢液会使上部未熔化的炉料粘结在一起，出现架桥现象。不同容量真空感应炉熔化速度见表2.1。当金属液全部熔化，熔池表面无气泡逸出的时候，熔炼就进如精炼期。表2.1 不同容量真空感应炉熔化速度容量/t0.20.5122760熔化速度/t·h-10.10.22.2.73.153) 精炼期精炼期的主要任务是提高金属液的纯度以及进行合金化操作。同时，还要调整熔池的温度和进行合金化。随着精炼期的延长，熔体中氧含量氧迅速降低，沸腾慢慢地减弱，最后钢液面处于平静状态。这时微量有害杂质元素继续挥发，夹杂物部分

16、分解去除。精炼后期，在充分脱氧和脱氮条件下，钢液中气体及夹杂物含量降低到较低水平时，加入活泼元素和微量元素，使钢液成分达到出钢要求。活泼元素的加入顺序为Al、Ti、Zr、B、Re。加入是温度要调整到结膜温度，防止这些元素与钢液中的氧反应，大量放热，使钢液过热。加入活泼元素时。应做到均匀、缓慢，以免钢液产生喷溅，加入后用大功率搅拌钢液12min，以加速合金的熔化和分布均匀。由于锰的挥发性很强，一般在出钢前35min加入。镁和钙要以中间合金形式加入，这样可以大大提高回收率。精炼期的主要工艺参数有精炼温度、精炼时间、精炼真空度。为了顺利完成精炼期的任务，必须控制好这些工艺参数。a) 精炼温度精炼温度

17、影响坩埚内所进行的所有的反应。升高温度有利于氮氧化物的分解，可以降低钢液中的氮含量。升高温度有利于脱氮反应的进行，也有利于微量有害杂质元素的挥发。但精炼期的温度不能过高，防止钢液与坩埚之间反应加剧。同时，高温还会加速合金成分的挥发损失。因此，在精炼期应严格控制熔池温度，通常合金钢的精炼温度控制在所炼合金熔点以上100。熔点tR的计算公式如下：tR=1535-65C+30P-25S-20Ti-8Si-7Cu-5Mn-2.5Ni-2.7Al-2V-1.7Mo- 1.5Cr-1.7Co-1W-1300H-90N-80B-80O-5Ce-6.5Nib) 真空度真空熔炼的精炼期，提高真空度将促进碳的脱氧

18、反应。随着一氧化碳气泡从金属熔池中的上浮排除，有利益N、H的析出，以及非金属夹杂的上浮，所以真空度的高低直接影响着所炼产品的纯净度。但是，过高的真空度将会导致坩埚耐火材料与金属液相互作用的加剧，合金元素的损失增大。所以，精炼期的真空度并非越高越好。对大型真空感应炉，精炼期真空度通常控制在12150Pa范围内。而对于小型炉，一般控制在0.11Pa范围内。c) 精炼时间所有精炼反应都有一定的速度，所以精炼时间越长，反应进行就越趋于平衡。当被脱出的元素在精炼过程中没有来源时，则随着精炼时间的延长，这些元素的含量就会越来越低，只是脱除的速度越来越小。对于O含量，因为有坩埚材料的供氧，所以金属熔池中的氧

19、含量随着精炼时间的变化取决于脱氧速度与供氧速率之和 。在真空保持的最初阶段，脱氧速率大于供氧速率，所以氧的含量是下降的，到一定时间后，供氧速率就大于脱氧速率，氧降到最低值的时间也就是精炼时间。4) 出钢和浇注合金化结束后，坩埚中金属液达到目标成分和温度后，真空室内的真空度也符合技术要求的规定，即可以出钢。浇注到保温帽时，及破真空，立即打开真空室加发热剂和保温剂。对于成分复杂的高温合金，浇注后在真空下停留1520min，再破真空。对于大型连续式真空感应炉，铸锭可以让它在真空下冷却。4. 结构组成1) 炉体 采用双层水夹层结构内壁为不锈钢（SUS304）抛光，外壁为优质碳钢与法兰组焊成筒型结构，法

20、兰平面开设密封槽，采用“O”型圈真空密封并设水冷装置（防止因温度过高“O”型圈老化），设抽气孔与真空机组连接。炉体设有台阶方便操作。2) 炉盖采用双层水夹层封头结构与法兰组焊成整体，内壁为不锈钢抛光，外壁为碳钢设有水冷装置、加料装置（容装多种合金辅料）、多工位旋转式观察窗、锁紧装置等。炉盖采用手动弹簧翻转打开、手动关闭，工作时手动锁紧。3) 炉底同样采用双层水夹层封头结构与筒体组焊为一体，内设浇铸平台或孔（浇铸长锭用）并设水冷装置，炉底外壁焊有立柱支撑炉体。4) 炉架由型钢钢板组焊成柜架结构，炉体安置在炉架上5) 水冷系统由冷却塔、各种阀、压力表、进出水管道等相关装置组成并有报警和切断加热电源

21、功能。6) 感应线圈由优质矩型紫铜管绕制成内通冷却水，外设接管联接装置。借鉴国外感应器结构，操作方便，功率配合好，寿命长不易变形。7) 中频电源与控制柜：采用100KVA、KGPS中频电源和水冷电缆。最大功率在100kVA，采用KGPS可控硅变频电源，三相整流导通，能保持较高直流电压。相应操作简单，维修方便。中频电源通过同轴电极送入炉内感应器，同轴电极与炉外水冷电缆联接供电。 8) 主电极及回转轴承操作机构由电极、弯电极等与感应线圈联为一整体，通过手柄操作机构来翻转坩埚完成浇铸过程。9) 真空系统采用三级泵配置，由壹台2X-70旋片式机械泵配真空压差阀（防止真空泵油因突然停电而倒灌），壹台K-

22、300扩散泵配真空冷阱（防油蒸汽进入炉腔）、壹台ZJP-150罗茨泵、一个过滤器、手动高真空蝶阀、手动真空蝶阀、充气阀（熔炼过程中可充惰性气体）、放气阀等组成，泵与真空管道的联接采用金属波纹软管快速联接（减缓震动），真空度的测量由数显复合真空计执行。我公司采用国内最先进的氦质谱真空检漏仪进行压升率检测，可保证技术指标的可信和准确，压升率指标优于国标的最小值。5. 25KG熔炉的温场及熔炉电参数计算1) 炉子的容量与坩埚几何尺寸的确定无芯感应熔炼炉的坩埚的主要部分几何尺寸见图示4-1.再设计该炉子之前，首先要确定的是炉子的熔炼GL.一般情况下，25KG真空感应炉是为了科研单位做研究或者小企业做研

23、发作用，25KG真空熔炼炉的需要熔化金属或每小时需要熔化金属的量是已知的，则炉子融化率N(kg/h)为 或 炉子输入功率越大，融化时间越短，炉子的生产率也相应提高，但是无芯感应熔炼炉中由于电磁力的作用，在金属液内产生强烈的搅拌如图10-2电磁搅拌力 即电磁搅拌力F与炉料的吸收功率P成正比，与电流f的平方根成反比。因此，中频无芯感应熔炼炉的功率越大，电磁搅拌力就越大，如果搅拌力过大，搅拌作用过于剧烈，讲加速炉衬的侵蚀，影响炉衬的的寿命，同时与空气接触的金属液容易氧化，因此感应器的输入功率受到一定的限制，除有特殊要求外，25KG熔炼炉一般按45min-1h左右熔炼一炉金属来考虑。则 GL=NX1金

24、属液体积V(cm3) V=GLX103/r式中r-液态金属的密度（g/cm3）坩埚平均直径d2（cm）与金属溶液的高度h2（cm）之比h2/d2=y，25KG熔炉的容量，按表4-1选用 表10-1 y值得选用表容量GL/kg 500500-30003000y=h2/d22.01.51.51.21.2左右 h2=yd2线圈感应器内径d1（cm）d1=d2+2式中-坩埚壁厚，按表10-2选用表10-2 坩埚壁厚的选用表容量GL/kg500500-30003000壁厚/cm（0.250.2）d2（0.20.15）d2（0.150.1）d2钢液密度为7.2g/cm3，金属液态体积V=G/r=25x10

25、3/7.2(cm3)=3.472x103（cm3）坩埚的平均直径d2与液体炉料高度h2取h2/d2=2d2= =33.472x103/4X1.5(cm)=14cmh2=28cm坩埚的几何尺寸如图10-7所示感应器尺寸：感应器内径d1=d2+2=14+2x3=20cm(取坩埚壁厚为3cm)感应线圈高度：h1=1.1xh2=1.1x28=30.8cm2) 电流频率的选择无芯感应熔炼炉电流频率的选择，目的是为了获得最小的投资费用与运营的经济性。在电源容量相同的条件下，随着电流频率的增高，其投资费用也相应增大。在两种电流频率都可以使用的情况下，选择较低的电流频率，可以省一次投资费用。设备运行经济性的指

26、标是总的功率，包括电源设备的效率与感应熔炼炉的效率。电源的效率是指变压器、调压器、可控硅变频装置等的效率。感应熔炼炉的效率包括热效率与电率，热效率与电流频率无关，而感应器炉料系统的电效率随着电流频率的增加而增加。由于熔炼炉与感应加热炉不同，没有径向温差的限制，故其电流频率可去高些，一般取d2/210时，其电效率已基本达到极限值。从d2/210导出的电流频率的下限为 f25x1082/d22式中2炉料电阻率（.cm） d2坩埚平均直径（cm） 2炉料的电流穿透深度（cm）综上所述,25KG真空感应炉频率f25x1082/d22=（5x108x110x10-6）/28X28=2750HZ3) 炉料

27、熔化所需的功率要计算炉料熔化所需的功率，也就是说变压器的熔炼，所需的电容的容量和电容的件数根据f=2/LC 式10-1电感L=(k*U0*Us*N2*S)/h2 式10-2式中f：电流的频率C:电容的总容量L:电感K:R/l值进行查表h2：线圈的高度S:线圈的横截面积N2：线圈圈数U0：真空磁导率=4×3.14×10-7US=线圈内部磁芯的相对磁导率（空心线圈=1）其中K值表K值表10-32R/l0.10.20.30.40.60.81.01.52.03.04.05.01020K根据式10-1，式10-2电感L=4) 电参数的计算a) 感应器的电流穿透深度1（cm）式中1在工

28、作温度下纯铜的电阻率，一般工作温度为50，1=2x10-6.cm25kg感应器的电流穿透深度1=0.14cmb) 炉料的电流穿透深度2（cm）式中式中2在工作温度下钢液的电阻率，一般工作温度为1600，1=110x10-6.cm25kg钢液的电流穿透深度2=1.06cmc) 计算电参数感应线圈的计算直径d1=d1+1=20+0.14=20.14cm炉料的计算直径d2=d2+2=14+1.06=15.06cm炉料的计算高度h2,即被感应器所包围的炉料高度（见图10-1）电感修正系数参见图10-3图10-3 电感校正系数KK1=f（d1/h1）电感校正系数，查图10-1K2=f（d2/h2）电感校

29、正系数，查图10-1Am=f（d1/h1* d2/h2）感应线圈与炉料的互感校正系数，查图10-4电感修正系数K1=f（20.14/30.8）= f (0.654)=0.7745d) Ffe)f)g) CVCCh)5) 感应器的水冷计算6)6. 25Kg真空感应熔炼炉的基本计算1) 真空室壳体的强度计算大多数真空室的壳体都是圆筒形的，原因是制造容易而且强度好。真空室除用板材制造外，对于直径较小的真空室筒体亦是可用热轧无缝钢管制造。圆筒体焊接后应进行整形和矫直。根据需要可以做成立式或者卧式。由于本课题的体积小，卧式真空熔炼炉占地面积大，加工和装配比较复杂，所以选择立式真空感应熔炼炉，这样的结构操

30、作方便，结构简单，占地面积相对较小。圆筒体的内径DB建议选用表5-1中的数值. 表4-1 圆筒体内径DB (单位：mm)400 500 600 800 900 1000 1200 14002000 2400 2600 3000 3200 3400 3600 3800表4-2 各种温度下材料的许用应力材料工作温度/20200240250260280300320350360380400A3 A3F137123113108103897715 15g 139128117111106979286817720 20g153139129122117105100948984不锈钢144137133132表4-

31、3 材料的安全系数安全系数碳钢、合金钢奥氏体不锈钢有色金属及合金nb3.03.03.0 ns1.61.51.5nD1.61.6nn1.01.0对于直接受火焰或用电加热器辐射加热的容器，则需要将上述许用应力乘以减弱系数0.85.碳钢和合金钢工作温度超过420，低合金铬钼钢的工作壁温超过450，不锈钢的工作温度壁温超过550，必须进行持久极限的验算；无持久极限时可以按蠕变极限验算。 图4-1 弹性模量的计算与温度的关系（奥氏体钢）2) 圆筒形壳体计算a) 按计算公式确定外圆筒形壳体壁厚圆筒壳体只承受外压时，可按稳定条件计算，其壁厚为 (4-1)式中 S0圆筒计算壁厚（mm） DB圆筒内径（mm）P

32、外压设计压力（MPa），真空容器选择P=0.1MPaL圆筒计算长度（mm）Et材料温度为t时的弹性模量（MPa），图4-1给出了奥氏体钢在各种温度下的Et值圆筒的实际壁厚应为 S=S0+C (4-2) 壁厚的附加量按下式确定： C=C1+C2+C3 (4-3)上式中 S圆筒实际壁厚（mm）； S0圆筒计算壁厚（mm）； C壁厚附加量 （mm）； C1钢板的最大负公差附加量（mm），见表4-4，一般情况下均取0.5mm ； C2腐蚀裕度（mm） C3封头冲压时拉伸减薄量（mm）表4-4 碳钢及低碳钢板的最大负公差附加量钢板厚度/mm2.5344.5 5682526303234最大负公差/mm0.

33、20.220.40.50.50.60.80.91.0当介质对容器材质的腐蚀速度0.05mm/年时，其腐蚀裕度应根据腐蚀速度和设计的使用寿命来决定。当介质对容器材料的腐蚀速度0.05mm年时（包括大气腐蚀），单面腐蚀取C2=1mm，双面腐蚀取C2=2mm。在一般情况下，C3取计算厚度的10%，并且不大于4mm；对于需要加热手工敲打的封头，根据加工具体情况，考虑增加由于氧化及拉伸所减薄的厚度，并表明在图纸上；对于圆筒体等不经冲压的原件，取C2=0。计算公式（4-1）除了满足材料的泊松系数=0.3（实际上全部金属材料均可满足）外，还必须满足下面两个条件方可应用： 1L/DB8 (4-4a) （p/Et.L/DB）0.40.523 (4-4b)b) 查表确定圆筒形壳体壁厚表4-5给出了外压力为0.1MPa时圆筒壁厚，可供设计者参考。表4-5 圆筒壁厚（P=0.1MPa） 单位：mm400500600700800900100012001400160018001334444.55668823444.55668810103444.55688881012444.5568881010121454566881010121214注：本表适用于工作温度150，屈服限s为20