82北京科技大学铸造合金及制备工艺2.5-铸铁熔炼-感应炉熔炼

铸造合金及制备工艺北京科技大学材料成形与控制工程系毛卫民2.5.2铸铁的感应电炉熔炼¦铸铁的感应电炉熔炼就是利用电磁感应现象实现铸铁的熔炼。无芯感应电炉出铁过程¦铸铁感应熔炼的特点f铸铁的感应电炉熔炼工艺是一种先进的熔炼工艺，电炉功率易于控制，因此，铁水的熔化温度易于调整；f铁水的成分波动小，调整成分容易；f容易实现机械化操作，劳动条件好；f对环境的污染小；f电炉坩埚容量范围大，从10kg到270,000kg不等。¦感应电炉种类：分无芯感应电炉和有芯感应电炉两大类。f无芯感应电炉主要用于铸铁的熔化，有时也用做铸铁的保温、或升温和调整成分；f有芯感应电炉主要用于铸铁的保温、升温和调整成分，尤其是与冲天炉组成双联铸铁熔化系统，冲天炉主要负责熔化铁水，而有芯感应电炉负责铁水的升温和调整成分，有芯感应电炉也可以用于熔化铸铁。2.5.2.1无芯感应电炉熔炼2.5.2.1.1无芯感应电炉的工作原理¦电磁感应现象与加热f法拉第电磁感应定律：导体回路中感应电动势ε的大小与穿过回路的磁通量的变化率dΦ/dt成正比，可表示为下式:ε=-kdΦ/dt感应电流的方向f楞次定律：闭合回路中的感应电流的方向总是使得它所激发的磁场来阻止引起感应电流的磁通量的变化，如左图所示。f大块金属的电阻很小，当它位于交变磁场中时，其中产生的感应电流很大，称为涡电流，简称为涡流，如左图所示。涡电流f当强大的涡电流在大块金属中流动时，会释放出大量的焦耳热，使大块金属的温度上升，这就是电磁感应加热的基本原理。¦无芯感应电炉的工作原理f无芯感应电炉熔炼铁水就是利用了电磁感应加热的基本原理，如左图所示。无芯感应电炉熔化原理示意图f金属炉料的熔化过程将空心铜管绕制成感应器，耐火材料制成的坩埚位于感应器的里面，金属炉料盛放在坩埚内；当感应器内通入交流电源时，坩埚内将产生交变磁通，在金属炉料表面一定深度内产生感应电动势和感应电流，并继而产生焦耳热使金属炉料熔化。在整个金属炉料的熔化过程中，热量从金属炉料表面向中心传递。感应熔炼还伴随以下两个现象：f漏磁现象：无芯感应电炉的漏磁通很大，电路的功率因子很低，只有0.15∼0.25(对铸铁而言)，因此，无芯感应电炉的无功功率很大，一般通过大容量的电容器进行补偿，使电路的功率因子接近1(感应电炉的电源控制柜较大的主要原因就是需要安装电容器)。无芯感应电炉内铁水的受力分析f搅拌现象：在无芯感应电炉内，铁水受到电磁力的作用会产生强烈的搅拌，这是感应电炉熔炼的一大特点。根据邻近效应，感应线圈中的电流方向与铁水中的感应电流方向相反，感应圈与铁水之间产生斥力，感应圈受到向外的推力，铁水则受到向坩埚中心的径向推力，如左图所示。铁水之间可以看成很多同方向的平行载流导线，相互间存在压缩力，压缩力方向如左图所示。铁水受到斥力和压缩力的共同作用，使铁水产生如右图所示的搅拌运动。无芯感应电炉内铁水的受力与搅拌运动电磁搅拌力的计算式中Fj⎯电磁搅拌力，Pa；P2⎯感应圈的输入功率，kW；ρ2⎯铁水的电阻率，Ω⋅cm；f⎯电源的频率，Hz；S⎯感应圈包围的铁水的表面积，cm2。SPfFj22131600ρ=.从上式看，搅拌力与输入功率成正比，与电源频率的平方根成反比，因此，工频无芯感应电炉中的搅拌力比中频无芯感应电炉中的搅拌力大得多。.为了限制搅拌力，在一定的电源频率下应限制电炉单位容量的输入功率；下图给出了一般情况下的不同电源频率、不同容量GL时的电炉最大输入功率Pg。不同电源频率时的感应电炉的功率界限¦无芯感应电炉主要参数的确定f电炉容量及坩埚尺寸的确定电炉容量选择.选择原则：根据熔化率或过热能力、单个铸件重量、经济性等因素决定；.电炉的熔化率越高，生产效率也就越高，但需要输入更高的功率，而电炉的输入功率受到限制，不能无限制提高，所以，在考虑电炉容量时，一般工频感应电炉按1.5∼2.5h、中频感应电炉按1.0∼1.5h熔化一炉铁水来安排熔化周期。.需要的铁水可由一台电炉提供，也可由几台电炉提供；铁水需求量大，又需连续提供时，通常选择几台电炉同时运行；若铁水需求量不大或间断提供，则采用单台电炉运行。.感应电炉容量Ni=An/(0.75×8bc)式中Ni⎯电炉生产率，吨/小时；An⎯年需铁水数量，吨/年；b⎯工作班数(b=1、或b=2、或b=3)；c⎯年工作日，天；0.75⎯系数，考虑到熔化所需的工艺停顿时间(加料、补炉等)。若采用1台电炉熔炼，电炉容量应以1.5小时熔化1炉铁水为准，则GL=1.5Ni若采用m台电炉熔炼，则每台电炉的容量为GL=1.5Ni/m坩埚有效容积按下式计算干果的有效容积：VL=(GL×106)/ρy式中VL⎯坩埚有效容积，cm3;GL⎯电炉容量，吨；ρy⎯铁水的密度，g/cm3。坩埚与感应器的几何尺寸.坩埚内经d2以下式计算：324yVdLπ=式中y⎯铁水高度h2与坩埚内径d2的比值,一般在1.3∼1.6之间变化。.感应器内径d1按下式计算：d1=d2+2⊿12式中⊿12⎯坩埚壁厚，包括电绝缘层、绝热层及炉衬厚度。增加坩埚壁厚会降低感应电炉的电效率、输入功率、功率因子，所以坩埚壁厚要适当，不可过厚，也不可过薄，否则寿命不长；坩埚壁厚可参见下表。感应电炉容量与坩埚壁厚的关系容量(吨)＜0.50.5∼3.0＞3(0.2∼0.25)d2坩埚壁厚(mm)(0.1∼0.15)d2(0.15∼0.2)d2f电源频率的选择主要考虑电费、炉衬费和操作性电效率：为了获得最高的电效率，不同容量的电炉应选择适当的频率；HenryRowan根据多年经验作出了感应电炉频率的选择图，可供参考。感应电炉的频率选择图搅拌：适当的搅拌可以均匀铁水的温度和成分，但强烈的搅拌会使炉衬快速磨损、增加铁水氧化。设备投资：中频感应电炉的炉体尺寸较小、占地少、土建费用低，而且不需要三相平衡和功率因子补偿装置，因而中频感应电炉的建设投资比工频感应电炉的建设投资占有优势。操作性能.中频感应电炉无需启熔体也能顺利启熔，铁水可以倒空，更换铁水品种容易，而工频感应电炉需要启熔体才能顺利启熔；.感应电炉在运行时，电抗会发生变化，导致谐振回路失调，工频感应电炉采用接触器切换电容器进行调谐，因而调节精度差；中频感应电炉采用改变频率进行调谐，因而调节精度高；.中频感应电炉采用无级调节功率，改变功率容易，而工频感应电炉往往采用有级调节。f感应电炉变压器输入功率的确定感应电炉变压器输入功率是一个重要参数，决定了熔化车间的电力负荷；P1=1.1Pg。2.5.2.1.2无芯感应电炉的结构¦无芯感应电炉的炉型f立式无芯感应电炉：这是最常见的炉型，主要用于铁水的熔化作业，感应器的高度略为低于铁水的液面，根据电压、频率、功率及搅拌强度，感应器可以由一个、两个或数个感应线圈构成，如下图所示。无芯感应电炉结构示意图感应器无芯感应电炉结构示意图1-炉盖部分，2-坩埚，3-转动炉架，4-冷却水系统，5-磁轭，6-感应器，7-倾动油缸，8-固定炉架，9-电缆¦无芯感应电炉的结构f感应线圈感应线圈是无芯感应电炉的心脏，通过感应线圈将电能转换为热能，使坩埚中的固态金属炉料熔化；感应线圈呈圆柱形，采用空心纯铜管绕制而成，空心纯铜管的横截面形状如下图所示。感应线圈用空心纯铜管的横截面形状(a)方管(b)矩形管(c)(d)焊接异形管(e)焊接异形管(f)带槽异形管由于电流的集肤效应，感应线圈在工作时，电流大部分集中在面向炉料的一侧；加之工作电流很大，如3吨感应电炉的工作电流达4000A，感应线圈内侧的壁厚bopt(cm)要适当，与电源频率f有关，按下式计算：bopt=11.54/(f)0.5.当电源频率分别为50、400、1000、2500Hz时，最佳的线圈内侧壁厚分别为16、5.8、3.6、2.3mm。无芯感应电炉的感应线圈举例。FUJI牌无芯感应电炉的坩埚f坩埚这是无芯感应电炉的重要组成部分。熔化铁水的坩埚可分为整体捣制、整体砖砌和复合炉衬；熔化铁水的坩埚常采用硅砂(SiO2≥98wt%)或电熔硅砂(SiO2≥99wt%)整体捣制而成，也可采用镁砂(MgO≥85wt%)或刚玉(Al2O3≥90wt%)整体捣制而成。f磁轭这是无芯感应电炉的一个重要部件，即磁屏蔽部件，加强感应线圈对炉料的功率传递，约束感应线圈的漏磁向外发散，减少炉架等金属构件的发热。支撑感应线圈，承受坩埚升温时的作用于线圈的热膨胀力和线圈向外的电磁斥力，以及炉体侧倾时的重力。磁轭通常由厚度为0.28∼0.35mm的硅钢片叠制而成，常用形状为“[”、“L”、“I”，磁轭形状如下图所示。无芯感应电炉常用磁轭的形状(a)”[”形磁轭(b)”L”形磁轭(c)”I”形磁轭.磁轭均匀布置在感应线圈的一周；“[”形磁轭约束漏磁向外发散的能力最强，但其叠制、安装和更换线圈比较麻烦，除短线圈感应保温炉外，其它感应炉多采用“L”、“I”形的磁轭；.近年来，磁轭的横截面向“月牙”形状发展，其圆弧半径与其配合的感应线圈的外半径相同，改善了对感应线圈的支撑作用、提高了磁轭的导磁性能；“月牙”形状的磁轭如下图所示。月牙形状横截面的磁轭月牙形f炉盖及启闭机构炉盖的开闭状态对感应电炉所需的功率影响很大，如左图所示。无芯感应电炉开盖和闭盖时的热损失1-开盖时的热损失2-闭盖时的热损失无芯感应电炉的炉盖一般由型钢或耐热钢框架和耐火材料组成，耐火材料有耐火砖或不定形耐火材料，现多用浇灌型耐热混凝土制作炉盖衬里；炉盖启闭机构：常用回转式、平移式、翻转式、四连杆式等；回转式炉盖启闭机构如下图所示。回转式炉盖启闭机构(a)液压式(b)手动式f倾炉机构这是无芯感应电炉的一个重要机构，关系到无芯感应电炉的操作性能；常用的倾炉机构：手动式、吊车起重式、机械传动式、液压式等，目前以液压式倾炉机构为主，尤其是大中型感应电炉更是如此。2.5.2.2有芯感应电炉熔炼2.5.2.2.1有芯感应电炉的工作原理¦有芯感应电炉的工作原理与变压器的工作原理类似，如下图所示；立式有芯感应电炉的工作原理示意图熔沟f有芯感应电炉的熔沟处设置了一个导磁的铁芯，其上环绕有空心纯铜管，即感应线圈，它相当于变压器的一次绕组；二次绕组就是熔沟里的铁水，它环绕感应线圈；当感应线圈通入交流电源时，铁芯中就建立了一个交变磁场，在熔沟的铁水中就产生了感应电动势和感应电流，该电流的电阻热使铁水发热；f注意：只有当熔沟充满铁水时，有芯感应电炉才能工作，因此，这种感应炉只适合于连续熔化铁水，不可任意停炉。¦应用：有芯感应电炉的电效率和功率因子均比无芯感应电炉的高，因为感应线圈与熔沟之间的电磁耦合很好，能量传递效率高，炉体炉衬的绝热层厚，散热能耗低；有芯感应电炉中铁水的搅拌作用很小，铁水成分波动很小，如Junker公司介绍：30吨铁水即使连续保温25天，铁水的含碳量仅从3.45wt%降到3.01wt%(平均1天仅波动0.018wt%)，含硅量仅从2.33wt%降到2.2wt%。所以，有芯感应电炉适合于铁水保温(如东风48厂的80吨有芯感应保温炉)、过热和浇注。2.5.2.2.2有芯感应电炉的结构¦有芯感应电炉的炉型f立式：左图是典型的立式有芯感应电炉的结构示意图；立式有芯感应电炉的工作原理示意图立式有芯感应电炉的优点.立式有芯感应电炉的炉体金属构件重量比卧式轻30%；.耐火材料的用量比卧式少25%；.保温功率比比卧式少25%；.炉膛密封性好，扒渣方便；.占地面积小。Æ立式有芯感应电炉因而获得广泛应用f卧式：左图是典型的卧式有芯感应电炉的结构示意图；感应炉可向左右倾动完成出铁或扒渣；感应体布置在两侧，便于炉内有铁水时更换感应体；铁水熔池较浅，减轻对熔沟炉衬的静压力，有利于提高炉衬寿命。卧式有芯感应电炉结构示意图1-渣口盖，2-装料孔，3-出液口，4-可拆卸感应器，5-回转支架¦感应体f感应体是有芯感应电炉的心脏；f感应体是一个独立的部件，同一功率的感应体可以配置在不同容量和形式的感应炉上，以适应不同的熔炼、保温和过热能力的要求；如瑞典ASEA公司设计了100kW、200kW、300kW、400kW、500kW、700kW、1000kW七种规格的标准感应