电磁冶金原理与工艺概述及感应熔炼

主要内容：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2023年2月2日11.概述1.1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2023年2月2日21.1电磁冶金发展概况电磁冶金学：以电磁热流体力学为基础，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、热力学、流体力学相互交叉的学科。电磁冶金技术：以电磁热流体力学为指导，采用电磁场对金属材料进行制取、凝固、成型及处理的新型工程技术。2023年2月2日3发展概况1819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（Electromagneticprocessingofmaterials简称EPM）2023年2月2日42023年2月2日52023年2月2日61.2电磁冶金技术分类2023年2月2日7基本原理材料处理的功能工艺电磁体积力形状控制冷态坩埚，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）驱动液体电磁搅拌，电磁泵抑制流动卓克拉尔斯基磁力法，磁力制动，薄带的边部磁控制，抑制波动悬浮水平式电磁铸造，非金属夹杂物的电磁分离雾化电磁雾化焦耳热量热量生成冷态坩埚，悬浮熔炼，磁场加热楞次定律探测传感器综合功能精炼电磁精炼，非金属夹杂物的电磁分离凝固组织的控制晶粒细化，晶粒粗化，单晶生长，非晶态金属物的生成电磁功能与冶金材料工艺过程的对应关系2023年2月2日8过程电磁力感应搅拌感应加热检测/分析制铁选矿机磁力制动制钢连铸铸型流动控制浇包内熔钢的搅拌中间包内熔钢的加热转炉内氧质量分数的测量超导电磁场连铸铸型流动控制连铸铸型内熔钢的搅拌浇包内熔钢加热感应法检测连铸铸型内的液面施加交变磁场初期凝固壳的控制中间包内夹杂物分离的搅拌冷坩埚内加热和熔化连铸二冷水的流速检测热轧板、棒的结合边角加热，ISP板坯加热表面处理电磁制动连续镀锌线的合金化处理流动控制铸型连续镀锌线干燥炉水平磁场流动控制锌池加热制管离心式流动中间包钢管电阻焊无缝钢管热处理焊接焊接熔池的静磁场流动控制质量控制感应电流法表面粗糙度检测，内部夹杂物检测材料开发强磁场微观组织的控制2023年2月2日9按所施加磁场分类2023年2月2日101.3电磁冶金技术应用及发展前景1.3.1已成熟应用技术2023年2月2日111.3.2正在开发的技术（1）电磁软接触连铸（2）金属熔体的电磁净化（3）凝固组织电磁控制（4）薄带坯连铸电磁侧封

……2023年2月2日122.感应熔炼原理与应用2.1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2023年2月2日132.1感应加热概述1890年瑞典发明了第一台感应熔炼炉20世纪初应用于工业领域20世纪60年代大量应用2023年2月2日14优点：非接触式加热加热效率高容易控制温度可实现局部加热可实现自动化控制可减小占地热辐射，噪声和灰尘应用广泛操作灵活工艺适应性强应用：金属熔炼铸造金属压力加工金属焊接金属热处理2023年2月2日15感应熔炼2023年2月2日162.2.1电磁感应现象：2.2感应熔炼基本原理2023年2月2日172.2感应熔炼基本原理2.2.2法拉第电磁感应定律：2023年2月2日182023年2月2日192.2.3楞茨定律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变化。NSG2023年2月2日20对于多匝线圈2023年2月2日212.2.4感应熔炼热量的产生交变电流产生交变磁场交变磁场产生感生电流2023年2月2日22热量的产生：焦耳-楞茨定律当回路电阻为R时,电流I:2023年2月2日232.2.5感生电流特征——涡流涡流：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。三种效应：（1）集肤效应（2）邻近效应（3）圆环效应2023年2月2日24（1）集肤效应2023年2月2日25透入深度：2023年2月2日26炉料表面得到的单位有功功率：2023年2月2日27不同材料在不同频率的透入深度2023年2月2日28电流透入深度的实际意义电流透入深度影响熔炼效率2023年2月2日29炉料尺寸应为电流透入深度的3~6倍2023年2月2日30频率与炉容2023年2月2日31（2）邻近效应两根通有交流电的导体靠近时，两导体中的电流重新分布。2023年2月2日32（3）圆环效应当交流电通过环形线圈时，最大电流密度出现在线圈内侧。2023年2月2日332.2.6电磁力的作用（1）“驼峰”的形成2023年2月2日34（2）“驼峰”的作用均匀温度均匀成份促进反应进行2023年2月2日35（3）“驼峰”的危害冲刷炉衬二次氧化炉衬增厚2023年2月2日362.3中频感应炉设备及工艺

2.3.1感应熔炼分类按使用频率分：工频感应炉：使用工业频率（50Hz）电源中频感应炉：使用频率为150~10000Hz电源，常用频率150~2500Hz；高频感应炉：10kHz~75kHz；按是否抽真空：非真空感应炉真空感应炉按是否有铁芯：有芯感应炉无芯感应炉2023年2月2日372.3.2中频感应炉设备（1）中频电源及供电控制（2）中频感应炉炉体（3）配套设施2023年2月2日38（1）中频电源及供电控制性能稳定操作方便自动化程度高体积小维护方便保证设备安全2023年2月2日39一拖二电源2023年2月2日40（2）中频感应炉炉体框架炉壳炉盖炉衬倾动机构感应圈磁轭2023年2月2日41框架与炉壳结构稳固——钢和铝切断磁路——不能形成回路减轻重量——倾动方便重心合理——安全便于观察——安全2023年2月2日42倾动机构形式——液压式——机械式技术要求——平稳——操作灵活2023年2月2日43感应圈电阻小绝缘性能好通水冷却设计合理拆装方便2023年2月2日44材料——无氧铜（99.99%）绝缘——耐高温高压绝缘涂层感应圈直径感应圈高度铜管形状——矩形或圆形2023年2月2日45磁轭2023年2月2日46作用——减少漏磁——提高效率——防止炉壳发热——支撑感应圈材质——硅钢片安装——覆盖感应圈面积60%2023年2月2日47（3）附属设施水冷电缆——重量轻——电流密度大——温升少——损耗低——安装方便2023年2月2日48循环水系统——设置软水或纯水系统——双路供水——应急供水系统——保证水压与流量——出水温度小于50°C——设置水压、水温和流量保护2023年2月2日49排烟除尘系统——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2023年2月2日50（4）炉衬耐火材料碱性炉衬碱性法冶炼钢及合金——氧化镁——氧化钙——氧化锆酸性炉衬酸性法冶炼铸铁——石英砂中性炉衬—高合金钢及有色金属——刚玉——石墨2023年2月2日51炉衬炉内打结——镁砂打结——石英砂打结炉外预制——耐火材料预制——石墨2023年2月2日52炉衬的质量要求耐火度与工作温度2023年2月2日53物化稳定性—抗熔渣侵蚀—抗钢水侵蚀耐急冷急热高温强度高绝缘性能好导热性差无污染成本低2023年2月2日54感应炉用主要耐火材料2023年2月2日55炉衬的成型预制坩埚人工打结机械打结2023年2月2日56耐火材料的配比2023年2月2日572023年2月2日58使用中的炉衬结构2023年2月2日59炉衬的烘烤与烧结2.3.3感应炉熔炼工艺（1）感应熔炼基本特点：2023年2月2日60优点：-品种多-冶炼灵活-工艺配套方便缺点-原料要求高-脱磷脱硫困难-脱碳困难2023年2月2日61（2）冶炼的主要品种及应用铸钢——铸造、机械加工行业铸铁——铸造、机械加工行业精密合金——航空、电子高温合金——航空、电子有色金属——有色冶金科学研究2023年2月2日62原料种类钢铁料——纯铁、返回料等纯金属——Ni板、金属Cr、金属Mn等铁合金——Cr-Fe、Ti-Fe、W-Fe等造渣材料——石灰、萤石、镁砂等脱氧剂——Al块、Si-Fe、Mn-Fe等脱磷剂——氧化铁皮、矿石等脱硫剂——CaC2、CaO等（3）感应炉冶炼主要原料2023年2月2日63原料要求：化学成分准确——不易调整无脱碳手段硫磷含量低——无高效脱硫脱磷手段清洁无污染——缺乏高效精炼手段适当的尺寸——提高熔化效率干燥——避免吸氢与发生危险无密闭容器——避免发生危险2023年2月2日64（4）感应熔炼的主要任务2023年2月2日65四脱(C、P、S、O)、二去(气、夹)、升温、合金化脱C：C，硬度、强度、脆性脱S、P：有害元素，S热脆，P冷脆脱O：钢中氧含量过多变脆去气、夹杂：气(H、N)， 非金属夹杂(氧、硫、氮、硫、磷化合物)升温、合金化完成任务措施：供氧、造渣、升温、加脱氧剂、加合金料脱碳与增碳2023年2月2日66——使用低碳原材料

纯铁、Ni板、金属Cr等——利用碳氧反应矿石、氧化铁皮等——无有效手段

一般无法实施吹氧等手段——主要靠烧损

高碳钢时考虑烧损——增碳靠高碳铁合金和石墨脱磷脱磷反应2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+5[Fe]+Q脱P有利条件：

a.提高炉渣碱度： (CaO) b.提高炉渣氧化性： (FeO) c.较低熔池温度： 脱磷为放热反应

d.加大渣量：降低渣中(P2O5)浓度。脱P地点：炉渣金属界面

2023年2月2日67脱硫脱硫反应 [FeS]+(CaO)=(CaS)+(FeO)-Q脱硫有利条件：

a.提高碱度：但需保证炉渣具有良好的流动性

b.高温：脱硫为吸热反应

c.低(FeO)：平衡向右进行

d.大渣量：大渣量或多次放渣造新渣，稀释(CaS)浓度脱硫地点：炉渣金属界面

2023年2月2日68脱氧与氧亲和力顺序Ca>Ba>Zr>Al>Ti>Si>V>Cr>Mn>Fe>Co>Sn>Ni>Cu2023年2月2日69方法:沉淀脱氧，扩散脱氧，真空脱氧沉淀脱氧：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。x[Me]+y[O]=(MexOy)特点:操作简便，脱氧速度快，时间短缺点:钢中含有脱氧产物，形成非金属夹杂物，影响质量。方式:将铁合金或纯金属直接加入盛钢桶内或在炉内预脱氧脱氧剂:硅铁，锰铁，铝及硅钙等复合脱氧剂2023年2月2日702.扩散脱氧

根据：氧在金属液和炉渣间的分配定率

操作：将脱氧剂均匀铺撒在渣面优点：钢液较纯净

缺点：操作复杂，脱氧速度慢，时间长2023年2月2日71去气（H、N）——通常无有效去除手段，避免吸入——原料及工具要干燥——利用碳氧反应——降低熔炼温度——及时熔渣覆盖——吹气2023年2月2日72去非金属夹杂物——原料清洁，硫、磷、氧含量低——熔化过程中减少氧化——采用合理有效的脱氧制度——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——浇铸过程中的夹杂物控制2023年2月2日73冶炼前准备——确定冶炼方法——选择原料（钢铁料、合金料、脱氧剂、渣料等）——配料计算——原料准备——浇铸系统的准备2023年2月2日74（5）冶炼过程补炉——出钢后对坩埚进行清理——补渣线——补出钢槽——快补、薄补2023年2月2日75装料铺底渣——提前化渣脱磷——预装Si-Fe等以减少元素氧化烧损装金属料——下紧上松——底部优先装入低熔点原料——中部高温区加高熔点合金料——大尺寸先加——碎料填空隙及开始熔化后加入——易氧化炉料根据实际情况加入2023年2月2日76冶炼过程熔化期