真空熔炼炉设计分析解析.docx
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真空熔炼炉设计分析解析
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
ABSTRACT
Atpresent，withthecontinuousdevelopmentofsomeareas，such
asacrospace，avaiation，militaryindustry，nuclearpower，energyand
chemicalarea，notonlythedemandofspecialalloy–heatresistingalloy
，hightemperaturealloy，corrosionresistantalloy—areasincreasing，butthequalityrequirementsofthisspecialalloyarebecomingmorestringent.Allofthispromotedthedevelopmentandresearchofvaccuminductionfurnace.Comparedwithothersmeltingmethod,vaccuminductionsmeltingfurnaceisabletopreciselycontrolcompositionofsteeloralloy,andgasandnonmetallicinclusionsinsteeloralloyarefarbelowothersmeltingmethod.Thetemperatureofthevacuuminductionfurnaceisrelativelyeasytocontrol,andcontrolthepressurelevelisthemostdistinguishingfeatureofvacuuminductionfurnace.Thisresearchsetsthetargetof10kgvacuumintermediatefrequencyinductionfurnace。
Thisresearchsetsthetargetof25kgvacuumintermediatefrequencyinductionfurenaceequipmentdesign，includingthermalcalculationof
Power，electricparemeterscalculationofmediumfrequencypowersupply，
Theselectionofcruciblematerialandsizedesign，materialselectionandstructuredesignofsensors，selectionofvacuumpumpvalveandthearrangementofvacuumline，strengthcheckofshell，coolingsystemdesign.
Thetopicsaddressedinthedesignofthevariouscomponentsofthedesignprinciplesandcalculationmethodsanddesignprocessandthenecessarydegreeofintensity.
Keywordsvacuum，inductionfurenace，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VIDP（vacuuminductiondegassingpouring）,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.Hhh
4.
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，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1.5~2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
1.Kk
2.
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/t
0.2
0.5
12
27
60
熔化速度/t·h-1
0.1
0.2
2.
2.7
3.15
3）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1~2min，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3~5min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=1535-65[C]+30[P]-25[S]-20[Ti]-8[Si]-7[Cu]-5[Mn]-2.5[Ni]-2.7[Al]-2[V]-1.7[Mo]-
1.5[Cr]-1.7[Co]-1[W]-1300[H]-90[N]-80[B]-80[O]-5[Ce]-6.5[Ni]
b）真空度
真空熔炼的精炼期，提高真空度将促进碳的脱氧反应。
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12~150Pa范围内。
而对于小型炉，一般控制在0.1~1Pa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15~20min，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-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10-1y值得选用表
容量GL/kg
＜500
500-3000
＞3000
y=h2/d2
2.0～1.5
1.5～1.2
1.2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/kg
＜500
500-3000
＞3000
壁厚△/cm
（0.25～0.2）d2
（0.2～0.15）d2
（0.15～0.1）d2
钢液密度为7.2g/cm3，
金属液态体积V=G/r=25x103/7.2（cm3）=3.472x103（cm3）
坩埚的平均直径d2与液体炉料高度h2
取h2/d2=2
d2=
=3∫3.472x103/Π/4X1.5（cm）=14cm
h2=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=30.8cm
2）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/△2≥10时，其电效率已基本达到极限值。
从d2/△2≥10导出的电流频率的下限为
f≥25x108ρ2/d22
式中ρ2—炉料电阻率（Ω.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
f≥25x108ρ2/d22=（5x108x110x10-6）/28X28=2750HZ
3）炉料熔化所需的功率
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=2Π/∫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^-7
US=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10-3
2R/l
0.1
0.2
0.3
0.4
0.6
0.8
1.0
1.5
2.0
3.0
4.0
5.0
10
20
K
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ρ1—在工作温度下纯铜的电阻率，一般工作温度为50℃，ρ1=2x10-6Ω.cm
25kg感应器的电流穿透深度△1=0.14cm
b）炉料的电流穿透深度△2（cm）
式中式中ρ2—在工作温度下钢液的电阻率，一般工作温度为1600℃，ρ1=110x10-6Ω.cm
25kg钢液的电流穿透深度△2=1.06cm
c）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K
K1=f（d1’/h1）电感校正系数，查图10-1
K2=f（d2’/h2’）电感校正系数，查图10-1
Am=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）=0.7745
d）Ff
e）
f）
g）CVCC
h）
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）
400500600800900100012001400
20002400260030003200340036003800
表4-2各种温度下材料的许用应力
材料
工作温度/℃
20
200
240
250
260
280
300
320
350
360
380
400
A3A3F
137
123
113
108
103
89
77
1515g
139
128
117
111
106
97
92
86
81
77
2020g
153
139
129
122
117
105
100
94
89
84
不锈钢
144
137
133
132
表4-3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
nb
3.0
3.0
3.0
ns
1.6
1.5
1.5
nD
1.6
1.6
nn
1.0
1.0
对于直接受火焰或用电加热器辐射加热的容器，则需
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