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2019年12月20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2019年12月20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。2019年12月20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）2019年12月20日42019年12月20日52019年12月20日61.2电磁冶金技术分类2019年12月20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2019年12月20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2019年12月20日9•按所施加磁场分类2019年12月20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2019年12月20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……2019年12月20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2019年12月20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2019年12月20日14优点：1.非接触式加热2.加热效率高3.容易控制温度4.可实现局部加热5.可实现自动化控制6.可减小占地7.热辐射，噪声和灰尘8.应用广泛9.操作灵活10.工艺适应性强应用：1.金属熔炼2.铸造3.金属压力加工4.金属焊接5.金属热处理2019年12月20日15•感应熔炼2019年12月20日162.2.1电磁感应现象：2.2感应熔炼基本原理2019年12月20日172.2感应熔炼基本原理2.2.2法拉第电磁感应定律：2019年12月20日182019年12月20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。2019年12月20日20•对于多匝线圈2019年12月20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2019年12月20日22•热量的产生：焦耳-楞茨定律当回路电阻为R时,电流I:tRIdd12019年12月20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2019年12月20日24（1）集肤效应2019年12月20日25•透入深度：2019年12月20日26炉料表面得到的单位有功功率：2019年12月20日27•不同材料在不同频率的透入深度2019年12月20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2019年12月20日29炉料尺寸应为电流透入深度的3~6倍2019年12月20日30•频率与炉容2019年12月20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。2019年12月20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。2019年12月20日332.2.6电磁力的作用（1）“驼峰”的形成2019年12月20日34（2）“驼峰”的作用均匀温度均匀成份促进反应进行2019年12月20日35（3）“驼峰”的危害冲刷炉衬二次氧化炉衬增厚2019年12月20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：1.工频感应炉：使用工业频率（50Hz）电源2.中频感应炉：使用频率为150~10000Hz电源，常用频率150~2500Hz；3.高频感应炉：10kHz~75kHz；按是否抽真空：1.非真空感应炉2.真空感应炉按是否有铁芯：1.有芯感应炉2.无芯感应炉2019年12月20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2019年12月20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2019年12月20日39•一拖二电源2019年12月20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2019年12月20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2019年12月20日42•倾动机构形式——液压式——机械式技术要求——平稳——操作灵活2019年12月20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2019年12月20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2019年12月20日45•磁轭2019年12月20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%2019年12月20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2019年12月20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2019年12月20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2019年12月20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2019年12月20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2019年12月20日52•炉衬的质量要求耐火度与工作温度2019年12月20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2019年12月20日54•感应炉用主要耐火材料2019年12月20日55•炉衬的成型预制坩埚人工打结机械打结2019年12月20日56•耐火材料的配比2019年12月20日572019年12月20日58•使用中的炉衬结构2019年12月20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：2019年12月20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2019年12月20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2019年12月20日62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、矿石等7.脱硫剂——CaC2、CaO等（3）感应炉冶炼主要原料2019年12月20日63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2019年12月20日64（4）感应熔炼的主要任务2019年12月20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2019年12月20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2019年12月20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2019年12月20日68•脱氧与氧亲和力顺序CaBaZrAlTiSiVCrMnFeCoSnNiCu2019年12月20日69•方法:沉淀脱氧，扩散脱氧，真空脱氧1.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2019年12月20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2019年12月20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2019年12月20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2019年12月20日73冶炼前准备——确定冶炼方法——