电磁冶金原理与工艺概述及感应熔炼

1、1.概述2.电磁感应熔炼原理及应用3.电磁搅拌原理及应用4.电磁场在冶金及材料领域的其他应用5.电磁冶金研究方法2021年11月6日11.1电磁冶金发展概况1.2电磁冶金技术分类1.3电磁冶金技术应用及发展前景2021年11月6日2l电磁冶金学：电磁冶金学：以电磁以电磁热热流体力学为基础，流体力学为基础，研究冶金与材料制备过程电磁研究冶金与材料制备过程电磁场应用的工程科学，是电磁学、场应用的工程科学，是电磁学、热力学、流体力学相互交叉的热力学、流体力学相互交叉的学科。学科。l电磁冶金技术：电磁冶金技术：以电磁以电磁热热流体力学为指导，流体力学为指导，采用电磁场对金属材料进行制采用电磁场对金属材

2、料进行制取、凝固、成型及处理的新型取、凝固、成型及处理的新型工程技术。工程技术。2021年11月6日31819年丹麦奥斯特电流的磁效应1831年法国法拉第电磁感应现象1833年德国楞茨楞茨定律十九世纪末感应熔炼雏形出现二十世纪四十年代开始电磁冶金应用研究（英国）1982年第一届磁流体力学在冶金中应用大会（英国）1985年确定了材料电磁工艺名称（Electromagnetic processing of materials 简称EPM）2021年11月6日42021年11月6日52021年11月6日62021年11月6日7基本原理基本原理材料处理的功能材料处理的功能工艺工艺电磁体积力电磁体积力形

3、状控制形状控制冷态坩埚，悬浮熔炼，立式电磁铸造，金属薄膜冷态坩埚，悬浮熔炼，立式电磁铸造，金属薄膜的磁成型，塑性变形（由非均匀磁场形成的变形）的磁成型，塑性变形（由非均匀磁场形成的变形）驱动液体驱动液体电磁搅拌，电磁泵电磁搅拌，电磁泵抑制流动抑制流动卓克拉尔斯基磁力法，磁力制动，薄带的边部磁卓克拉尔斯基磁力法，磁力制动，薄带的边部磁控制，抑制波动控制，抑制波动悬浮悬浮水平式电磁铸造，非金属夹杂物的电磁分离水平式电磁铸造，非金属夹杂物的电磁分离雾化雾化电磁雾化电磁雾化焦耳热量焦耳热量热量生成热量生成冷态坩埚，悬浮熔炼，磁场加热冷态坩埚，悬浮熔炼，磁场加热楞次定律楞次定律探测探测传感器传感器综合功

4、能综合功能精炼精炼电磁精炼，非金属夹杂物的电磁分离电磁精炼，非金属夹杂物的电磁分离凝固组织的控制凝固组织的控制晶粒细化，晶粒粗化，单晶生长，非晶态金属物晶粒细化，晶粒粗化，单晶生长，非晶态金属物的生成的生成2021年11月6日8过程过程电磁力电磁力感应搅拌感应搅拌感应加热感应加热检测检测/分析分析制铁制铁选矿机磁力制动选矿机磁力制动制钢制钢连铸铸型流动控制连铸铸型流动控制浇包内熔钢的搅拌浇包内熔钢的搅拌中间包内熔钢的加中间包内熔钢的加热热转炉内氧质量分数的测转炉内氧质量分数的测量量超导电磁场连铸铸型流超导电磁场连铸铸型流动控制动控制连铸铸型内熔钢的搅连铸铸型内熔钢的搅拌拌浇包内熔钢加热浇包内熔

5、钢加热感应法检测连铸铸型内感应法检测连铸铸型内的液面的液面施加交变磁场施加交变磁场初期凝固壳的控制初期凝固壳的控制中间包内夹杂物分离中间包内夹杂物分离的搅拌的搅拌冷坩埚内加热和熔冷坩埚内加热和熔化化连铸二冷水的流速检测连铸二冷水的流速检测热轧热轧板、棒的结合边角板、棒的结合边角加热，加热，ISPISP板坯加热板坯加热表面处理表面处理电磁制动电磁制动连续镀锌线的合金连续镀锌线的合金化处理化处理流动控制铸型流动控制铸型连续镀锌线干燥炉连续镀锌线干燥炉水平磁场水平磁场流动控制流动控制锌池加热锌池加热制管制管离心式流动中间包离心式流动中间包钢管电阻焊无缝钢钢管电阻焊无缝钢管热处理管热处理焊接焊接焊接熔

6、池的静磁场流动焊接熔池的静磁场流动控制控制质量控制质量控制感应电流法表面粗糙度感应电流法表面粗糙度检测，内部夹杂物检测检测，内部夹杂物检测材料开发材料开发强磁场微观组织的控制强磁场微观组织的控制2021年11月6日9按所施加磁场分类2021年11月6日101.3.1已成熟应用技术已成熟应用技术2021年11月6日11（1）电磁软接触连铸）电磁软接触连铸（2）金属熔体的电磁净化）金属熔体的电磁净化（3）凝固组织电磁控制）凝固组织电磁控制（4）薄带坯连铸电磁侧封）薄带坯连铸电磁侧封 2021年11月6日122.1感应加热概述2.2感应熔炼基本原理2.3中频感应炉设备与工艺2.4真空感应炉设备与工艺

7、2021年11月6日13l1890年瑞典发明了第一台感应熔炼炉年瑞典发明了第一台感应熔炼炉l20世纪初应用于工业领域世纪初应用于工业领域l20世纪世纪60年代大量应用年代大量应用2021年11月6日14l优点：优点：1.非接触式加热非接触式加热2.加热效率高加热效率高3.容易控制温度容易控制温度4.可实现局部加热可实现局部加热5.可实现自动化控制可实现自动化控制6.可减小占地可减小占地7.热辐射，噪声和灰尘热辐射，噪声和灰尘8.应用广泛应用广泛9.操作灵活操作灵活10.工艺适应性强工艺适应性强l应用：应用：1.金属熔炼金属熔炼2.铸造铸造3.金属压力加工金属压力加工4.金属焊接金属焊接5.金属

8、热处理金属热处理2021年11月6日15感应熔炼2021年11月6日162.2.1电磁感应现象：电磁感应现象：2021年11月6日172.2.2法拉第电磁感应定律：法拉第电磁感应定律：2021年11月6日182021年11月6日19闭合回路中感应电流的方向，总是使它产闭合回路中感应电流的方向，总是使它产生的磁场去阻碍引起感应电流的磁通量的生的磁场去阻碍引起感应电流的磁通量的变化。变化。NSG2021年11月6日202021年11月6日212.2.4感应熔炼热量的产生l交变电流产生交变磁场l交变磁场产生感生电流2021年11月6日22热量的产生：热量的产生：l焦耳焦耳-楞茨定律楞茨定律当回路电阻

9、为当回路电阻为R时时, ,电流电流I I: :tRIdd1 2021年11月6日232.2.5感生电流特征涡流l涡流：当块状导体处于变化磁场中时，导涡流：当块状导体处于变化磁场中时，导体内产生电流且自行闭合，称为涡流。体内产生电流且自行闭合，称为涡流。l三种效应：三种效应：（1）集肤效应）集肤效应（2）邻近效应）邻近效应（3）圆环效应）圆环效应2021年11月6日24（1）集肤效应2021年11月6日25透入深度：2021年11月6日26l炉料表面得到的单位有功功率：炉料表面得到的单位有功功率：2021年11月6日27不同材料在不同频率的透入深度不同材料在不同频率的透入深度2021年11月6日

10、28l电流透入深度影响熔炼效率电流透入深度影响熔炼效率2021年11月6日29l炉料尺寸应为电流透入深度的36倍2021年11月6日30频率与炉容2021年11月6日31l两根通有交流电的导体靠近时，两导体中两根通有交流电的导体靠近时，两导体中的电流重新分布。的电流重新分布。2021年11月6日32l当交流电通过环形线圈时，最大电流密度当交流电通过环形线圈时，最大电流密度出现在线圈内侧。出现在线圈内侧。2021年11月6日332.2.6电磁力的作用（1）“驼峰驼峰”的形成的形成2021年11月6日34（2）“驼峰驼峰”的作用的作用l均匀温度均匀温度l均匀成份均匀成份l促进反应进行促进反应进行2

11、021年11月6日35（3）“驼峰驼峰”的危害的危害l冲刷炉衬冲刷炉衬l二次氧化二次氧化l炉衬增厚炉衬增厚2021年11月6日36l按使用频率分：按使用频率分：1.工频感应炉：使用工业频率（工频感应炉：使用工业频率（50Hz）电源）电源2.中频感应炉：使用频率为中频感应炉：使用频率为15010000Hz电源，电源，常用频率常用频率1502500Hz；3.高频感应炉：高频感应炉：10kHz75kHz；l按是否抽真空：按是否抽真空：1.非真空感应炉非真空感应炉2.真空感应炉真空感应炉l按是否有铁芯：按是否有铁芯：1.有芯感应炉有芯感应炉2.无芯感应炉无芯感应炉2021年11月6日37（1）中频电源

12、及供电控制）中频电源及供电控制（2）中频感应炉炉体）中频感应炉炉体（3）配套设施）配套设施2021年11月6日38（1）中频电源及供电控制）中频电源及供电控制l性能稳定性能稳定l操作方便操作方便l自动化程度高自动化程度高l体积小体积小l维护方便维护方便l保证设备安全保证设备安全2021年11月6日392021年11月6日40框架框架炉壳炉壳炉盖炉盖炉衬炉衬倾动机构倾动机构感应圈感应圈磁轭磁轭2021年11月6日41l结构稳固结构稳固钢和铝钢和铝l切断磁路切断磁路不能形成回路不能形成回路l减轻重量减轻重量倾动方便倾动方便l重心合理重心合理安全安全l便于观察便于观察安全安全2021年11月6日42

13、倾动机构倾动机构l形式形式液压式液压式机械式机械式l技术要求技术要求平稳平稳操作灵活操作灵活2021年11月6日43l电阻小电阻小l绝缘性能好绝缘性能好l通水冷却通水冷却l设计合理设计合理l拆装方便拆装方便2021年11月6日44l材料材料无氧铜（无氧铜（99.99%）l绝缘绝缘耐高温高压绝缘涂层耐高温高压绝缘涂层l感应圈直径感应圈直径l感应圈高度感应圈高度l铜管形状铜管形状矩形或圆形矩形或圆形2021年11月6日452021年11月6日46l作用作用减少漏磁减少漏磁提高效率提高效率防止炉壳发热防止炉壳发热支撑感应圈支撑感应圈l材质材质硅钢片硅钢片l安装安装覆盖感应圈面积覆盖感应圈面积60%2

14、021年11月6日47l水冷电缆水冷电缆重量轻重量轻电流密度大电流密度大温升少温升少损耗低损耗低安装方便安装方便2021年11月6日48l循环水系统循环水系统设置软水或纯水系统设置软水或纯水系统双路供水双路供水应急供水系统应急供水系统保证水压与流量保证水压与流量出水温度小于出水温度小于50C设置水压、水温和流量保护设置水压、水温和流量保护2021年11月6日49l排烟除尘系统排烟除尘系统大型感应炉配置侧排烟罩大型感应炉配置侧排烟罩中小型感应炉设置车间排烟系统中小型感应炉设置车间排烟系统2021年11月6日50l碱性炉衬 碱性法冶炼 钢及合金氧化镁氧化钙氧化锆l酸性炉衬 酸性法冶炼 铸铁石英砂l

15、中性炉衬高合金钢及有色金属刚玉石墨2021年11月6日51l炉内打结炉内打结镁砂打结石英砂打结l炉外预制炉外预制耐火材料预制石墨2021年11月6日52l耐火度与工作温度耐火度与工作温度2021年11月6日53l物化稳定性抗熔渣侵蚀抗钢水侵蚀l耐急冷急热l高温强度高l绝缘性能好l导热性差l无污染l成本低2021年11月6日542021年11月6日55预制坩埚预制坩埚人工打结人工打结机械打结机械打结2021年11月6日562021年11月6日572021年11月6日582021年11月6日59（1）感应熔炼基本特点：）感应熔炼基本特点：2021年11月6日60l优点：优点：-品种多品种多-冶炼灵

16、活冶炼灵活-工艺配套方便工艺配套方便l缺点缺点-原料要求高原料要求高-脱磷脱硫困难脱磷脱硫困难-脱碳困难脱碳困难2021年11月6日61l铸钢铸钢铸造、机械加工行业铸造、机械加工行业l铸铁铸铁铸造、机械加工行业铸造、机械加工行业l精密合金精密合金航空、电子航空、电子l高温合金高温合金航空、电子航空、电子l有色金属有色金属有色冶金有色冶金l科学研究科学研究2021年11月6日62l原料种类原料种类1.钢铁料纯铁、返回料等2.纯金属Ni板、金属Cr、金属Mn等3.铁合金Cr-Fe、Ti-Fe、W-Fe等4.造渣材料石灰、萤石、镁砂等5.脱氧剂Al块、Si-Fe、Mn-Fe等6.脱磷剂氧化铁皮、矿石

17、等7.脱硫剂CaC2、CaO等2021年11月6日63l原料要求：原料要求：1.化学成分准确不易调整无脱碳手段2.硫磷含量低无高效脱硫脱磷手段3.清洁无污染缺乏高效精炼手段4.适当的尺寸提高熔化效率5.干燥避免吸氢与发生危险6.无密闭容器避免发生危险2021年11月6日642021年11月6日65l四脱四脱(C、P、S、O)、二去二去(气气、夹夹)、升温、升温、合金化合金化l脱脱C：C ，硬度、强度、脆性硬度、强度、脆性 l脱脱S、P：有害元素，有害元素，S热脆，热脆，P冷脆冷脆l脱脱O：钢中氧含量过多变脆钢中氧含量过多变脆l去气、夹杂：气去气、夹杂：气(H、N)，非金属夹杂非金属夹杂(氧、硫

18、、氮、硫、磷化合物氧、硫、氮、硫、磷化合物)l升温、合金化升温、合金化 完成任务措施完成任务措施：l供氧供氧、造渣、升温、加脱氧剂、加合金料造渣、升温、加脱氧剂、加合金料2021年11月6日66使用低碳原材料使用低碳原材料 纯铁纯铁、 Ni板、金属Cr等等利用碳氧反应利用碳氧反应 矿石、氧化铁皮等矿石、氧化铁皮等无有效手段无有效手段 一般无法实施吹氧等手段一般无法实施吹氧等手段主要靠烧损主要靠烧损 高碳钢时考虑烧损高碳钢时考虑烧损增碳增碳 靠高碳铁合金和石墨靠高碳铁合金和石墨l脱磷反应脱磷反应 2P+5(FeO)+4(CaO) = (4CaOP2O5)+5Fe+Ql脱脱P有利条件：有利条件：

19、a.提高炉渣碱度提高炉渣碱度： (CaO) b.提高炉渣氧化性提高炉渣氧化性： (FeO) c.较低熔池温度较低熔池温度：脱磷为放热反应脱磷为放热反应 d.加大渣量加大渣量：降低渣中降低渣中(P2O5)浓度浓度。l脱脱P地点：地点： 炉渣炉渣 金属界面金属界面 2021年11月6日67l脱硫反应脱硫反应 FeS + (CaO) = (CaS) + (FeO) - Ql脱硫有利条件：脱硫有利条件： a.提高碱度：提高碱度： 但需保证炉渣具有良好的流但需保证炉渣具有良好的流动性动性 b.高温：脱硫为吸热反应高温：脱硫为吸热反应 c.低低(FeO)：平衡向右进行：平衡向右进行 d.大渣量大渣量：大渣

20、量或多次放渣造新渣，稀释大渣量或多次放渣造新渣，稀释(CaS)浓度浓度l脱脱硫地点：硫地点： 炉渣炉渣 金属界面金属界面 2021年11月6日68l与氧亲和力顺序与氧亲和力顺序CaBaZrAlTiSiVCrMnFeCoSnNiCu2021年11月6日691.沉淀脱氧：沉淀脱氧：直接向钢液中加入与氧亲和力比铁亲和力大的元素(脱氧剂)，使它夺取溶解于钢中的氧，生成不溶于钢液的氧化物，上浮进入炉渣，从而降低钢中的含氧量，又叫直接脱氧。 xMe+yO=(MexOy)特点特点: 操作简便，脱氧速度快，时间短缺点缺点: 钢中含有脱氧产物，形成非金属夹杂物，影响质量。方式方式: 将铁合金或纯金属直接加入盛钢

21、桶内或在炉内预脱氧脱氧剂脱氧剂: 硅铁，锰铁，铝及硅钙等复合脱氧剂2021年11月6日702.扩散脱氧扩散脱氧 根据：根据：氧在金属液和炉渣间的分配定率 操作：操作：将脱氧剂均匀铺撒在渣面 优点：优点：钢液较纯净 缺点：缺点：操作复杂，脱氧速度慢，时间长2021年11月6日71通常无有效去除手段，避免吸入通常无有效去除手段，避免吸入原料及工具要干燥原料及工具要干燥利用碳氧反应利用碳氧反应降低熔炼温度降低熔炼温度及时熔渣覆盖及时熔渣覆盖吹气吹气2021年11月6日72原料清洁，硫、磷、氧含量低原料清洁，硫、磷、氧含量低熔化过程中减少氧化熔化过程中减少氧化采用合理有效的脱氧制度采用合理有效的脱氧制度调整熔渣成分利于吸收夹杂物调整熔渣成分利于吸收夹杂物夹杂物变性处理利于夹杂物脱除夹杂物变性处理利于夹杂物脱除浇铸过程中的夹杂物控制浇铸过程中的夹杂物控制2021年11月6日73l冶炼前准备冶炼前准备确定冶炼方法确定冶炼方法选择原料（钢铁料、合金料、脱氧剂选择原料（钢铁料、合金料、脱氧剂、渣料等）、渣料等）配料计算配料计算原料准备原料准备浇铸系统的准备浇铸系统的准备2021年11月6日74l补炉补炉出钢后对坩埚进行清理出钢后对坩埚进行清理补渣线补渣线补出钢槽补出钢槽快补、薄补快补、薄补2021年11月6日75l铺底渣铺底渣提前化渣脱磷提前化渣脱磷预装预装Si-Fe等以减