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1、材料电磁加工技术 Electromagnetic Processing of Materials-EPM,2,第三讲,感应炉熔炼的基本原理及其工艺技术,3,各类感应炉，无论是有芯感应炉还是无芯感应炉，也不论工频、中频、还是高频，其基本电路都是由变频电源、电容器、感应线圈和坩埚中的金属炉料所组成(图4-1)。,图4-1 感应炉的基本电路,感应炉工作原理,4,（1）感应加热原理感应加热的原理是依据下述两则电学的基本定律：一是法拉第电磁感应定律另一条基本定律是焦耳楞茨定律。该定律又称为电流热效应原理。焦耳楞茨定律可写成式(4-3)的形式： Q = I2R t (4-2)式中：Q焦耳楞茨热，J； I电
2、流强度，A；R导体的电阻，； t导体通电的时同，s；,感应炉工作原理,(4-1),5,当一座无芯感应炉的感应线圈中通有频率为 f 的交变电流时，则在感应圈所包围的空间和四周产生一个交变磁场，该交变磁场的极性，磁感应强度和交变的频率，随着产生该交变磁场的交变电流而变化。若感应线圈内砌有坩埚并装满金属炉料，则交变磁场的一部分磁力线将穿过金属炉料，磁力线的交变就相当于金属炉料与磁力线之间产生的切割磁力线的相对运动。因此，在金属炉料中将产生感应电动势 (E)，其大小可用下式确定：E = 4.44 f n (4-3)式中：感应线圈中交变磁场的磁通量，Wb；f 交变电流的频率，Hz；n 炉料所形成回路的匝
3、数，通常n=1；,感应炉工作原理,6,由上式可知，若要使炉料中产生较大的感应电势，从理论上可以采用增加磁通量、频率以及匝数的方法，但是，由于感应线圈通电后所产生的磁力线被迫通过空气（指无芯感应炉），而空气有很大的磁阻，所以就使磁通量较小，增加磁通量有困难，而炉料的匝数一般来说总等于l，故为了提高感应电势，多用增加频率的方法。由于金属炉料本身形成一闭合回路 t ，所以在金属炉料中产生的感应电流（I）为：I = . A (4-4)式中：R一金属炉料的有效电阻，；炉料的加热速率，取决于感应电流、炉料的有效电阻以及通电时间。而感应电流又取决于感应电动势的大小，即穿过炉料的磁通量的大小和交变电流的频率。
4、而感应电流的大小取决于金属炉料料块的大小、炉料的导电性质以及装料的密实程度，不同炉料要求频率不同。,感应炉工作原理,7,（2）电磁搅拌作用当炉料中流过感应电流时，必然会受到电磁力的作用。使金属炉料产生定向运动，即“电磁搅拌”作用，它的作用如下：1）均匀金属液的温度； 2）使金属液均质； 3）改善了物化反应的动力学条件。,感应炉工作原理,8,感应炉可以分为有芯和无芯两种，有芯感应炉在炼钢中极少应用，这里不作介绍。 对于无芯感应炉，通常按照电源频率可以将感应炉分为三种类型:工频炉（频率50或60Hz），直接通过变压器与电网相连，主要用于熔炼铸铁；中频炉（频率150Hz10000Hz），所用电源为中
5、频发电机组、三倍频器或可控硅静止变频器；高频炉（频率10KHz300KHz），所用电源为高频电子管振荡器，主要用于小型试验室研究中频感应炉的成套设备包括：电源及电器控制部分、炉体部分、传动装置及水冷系统,感应炉工作设备,9,4.1 感应炉熔炼的特点,10,（1）电磁感应加热。由于加热方式不同，感应炉没有电弧加热所必须的石墨电极，也没有电弧下的局部过热区，从而杜绝了电极增碳的可能。感应炉可以熔炼电弧炉很难熔炼的含碳量极低的钢和合金，为获得气体含量低的产品创造了有利条件。 （2）熔池中存在着一定强度的电磁搅拌。电磁感应所导致的金属搅拌促进成分与温度均匀，钢中夹杂合并、长大和上浮。感应炉熔炼过程中合
6、金元素的烧损少，所以预测成分较为准确，有利于成分控制和缩短熔炼时间。（3）熔池的比表面积小。 这对减少金属熔池中易氧化元素的损失和减少吸气是有利的，所以感应炉为熔炼高合金钢和合金，特别是含钛、铝或硼等元素的品种，创造了较为良好的条件。但是容易形成流动性差，反应力低，不利于渣钢界面冶金反应的进行的“冷渣”。为此，感应炉熔炼对原材料的要求较为严格。,4.1 感应炉熔炼的特点,11,（4）输入功率调节方便。 感应炉熔炼过程中，可方便地调节输入功率。 因此可以较精确地控制熔池温度，在炉内保温，还可以分几次出钢，为一炉熔炼几种不同成分的产品创造条件。（5）同一电源可向几个不同容量的炉座供电(但是不能同时
7、)，所以在冶炼的容量方面，感应炉的灵活性较电弧炉大。（6）热效率高。 感应炉的加热方式以及比表面积小，散热少，故感应炉的热效率较电弧炉高。但是，感应炉的电效率较电弧炉低，所以两种电炉的总效率相差不多。（7）烟尘少，对环境的污染小。 感应炉熔炼时，基本上无火焰，也无燃烧产物。（8）耐火材料消耗较电弧炉高，坩埚寿命短。 对坩埚耐火材料的要求高，所以每吨钢的耐火材料费用也较电弧炉高。,4.1 感应炉熔炼的特点,12,4.2.1 元素的氧化与脱氧的基本原理氧在钢液中以两种状态存在。一种是溶解态的氧，以O表示，氧的溶解度随温度升高而增大。另一种是氧在钢液中以夹杂物形态存在，当钢液中存在脱氧元素时，溶解在
8、钢液中的氧就会与之结合而生成氧化物夹杂。钢液中氧的来源主要有3个方面，熔炼和浇注过程大气中氧的侵入、原材料带入、耐火材料中的氧进入。,4.2 感应熔炼过程中元素的氧化与脱氧,炼钢的基本任务：四脱二去，脱碳、磷、硫、氧，去气和非金属夹杂，合金钢合金化。 感应炉不具备脱碳、磷、硫的条件，其原材料必须使用返回料，或符合脱碳磷硫条件的金属料。熔化后进行脱氧、合金化，配以炉外精炼调整成分。,13,4.2 感应熔炼过程中元素的氧化与脱氧,(FeO)=O+Fe K=%O/a(FeO) (4-5) 式中，a(FeO)渣中氧化铁的活度，即渣的氧化性 分配系数K随温度的升高而增大， (FeO)一定，随温度升高，O
9、含量升高。4.2.1.1 钢液脱氧（1）氧在液体钢中溶解度较大，而固体钢中很小（如凝固后的奥氏体钢中氧的溶解度只有0.002%-0.003%） 危害：氧以氧化物夹杂形式存在于钢中，使钢的塑性韧性下降。 （2）氧在钢液中的溶解度随温度的降低而减小。 危害：当钢液在钢锭模内凝固时，选分结晶导致较纯的金属先结晶凝固，把杂质推向未凝固的钢液，使钢液中CO发生偏析而聚集，引起碳的再氧化，生成CO气体，使钢锭内部产生气泡，严重时造成钢锭冒涨甚至不能浇注，直接影响镇静钢的钢锭质量。 （3）钢锭中氧使硫的危害作用增加。 危害：FeO与FeS可以生成940低熔点共晶，造成钢锭轧制产生热脆。,14,4.2.1.1
10、 脱氧的基本任务去除钢中的过剩氧，同时完成调整钢的成分和合金化的任务。一次脱氧产物：钢液中加入脱氧剂进行脱氧时，产生的1-40m的细小夹杂物，以弥散方式存在与钢液中。危害：一次脱氧产物的夹杂物在之后的铸锭过程中，由于脱氧反应继续进行，会继续长大，必然影响钢的质量。所炼钢种不同，脱氧程度也有所区别。 例如，为了得到致密的镇静钢，钢锭模中钢液的含氧量应该很小，少到结晶时CO不能析出，实现平静的结晶凝固成锭，要求脱氧尽可能彻底。,4.2 感应熔炼过程中元素的氧化与脱氧,15,4.2.2各种脱氧方法的基本特点 4.2.2.1 沉淀脱氧1）沉淀脱氧的原理。沉淀脱氧是指向钢液中加入对氧亲合力大于铁的元素，
11、以期与钢液中的溶解氧发生化合，形成不溶于钢液的氧化物，该氧化物借助于浮力自钢液中排出，从而使钢液的含氧量降低的方法。2）沉淀脱氧剂的种类及使用范围：常用的沉淀脱氧剂，主要包括纯金属脱氧剂、镍基脱氧剂、铝基脱氧剂、硅锰基和硅钙基脱氧剂。从降低总氧量出发，使用含钙、钡、镁等强脱氧元素的复合脱氧剂，可以得到总氧量0.003%的钢液。不同脱氧剂的配合使用，才能得到纯净度很高的钢。 3）工艺过程：各种脱氧剂以铁合金或纯金属的方式直接加入刚钢包内的钢液中，或在炉内预先加入部分合金对钢液进行预脱氧。 4）优点：成本低，操作简便，对冶炼时间无影响 5）缺点：脱氧产物直接以氧化物或复合化物形态存在于钢液中，不可
12、避免地会污染钢液，影响钢液的纯度以及质量。,4.2 感应熔炼过程中元素的氧化与脱氧,16,4.2.2.1 沉淀脱氧1）扩散脱氧原理：能斯托分配定律，进行扩散脱氧时，能同时溶解于炉渣和钢液中氧，在温度一定时，氧在炉渣与钢液间的浓度比值应等于常数，即L0=a(FeO)/%O （4-6）式中， L0氧的分配系数，在碱性炉渣条件下一般为400-420a(FeO)渣中总氧化铁的活度。原理：向渣中加入脱氧剂，渣中（FeO）降低，渣钢两相间的浓度平衡破坏，而分配系数不变，钢中的氧必然会不断向渣中扩散。因此，不断降低渣中（FeO）就可以相应降低含氧量。电炉还原期常采用此方法脱氧。,4.2 感应熔炼过程中元素的
13、氧化与脱氧,17,例如：还原期（FeO）可以降至0.5%-1.0%以下，假如氧在渣钢间分配达到平衡，则钢中氧为：%O=0.5/400=0.00125实际由于O的扩散速度较慢，氧无法达到平衡，该方法只能将O降至0.005%-0.01%，比平衡状态的氧高5-10倍。2）影响扩散脱氧的因素a 温度对扩散脱氧效果的影响。铁液中的最大饱和含氧量对温度的影响具有双重性，关系式如下：Log %O饱和 = -6320/T + 2.734 （4-7） b 钢渣接触条件的影响。 c 炉渣成分的影响。优点：不易被脱氧产物污染，提高了钢的洁净度。 缺点：脱氧过程慢，还原时间长。,4.2 感应熔炼过程中元素的氧化与脱氧
14、,18,4.2.3 各元素单独脱氧和复合脱氧 元素的脱氧能力 各种元素被氧化的难易程度称为元素的氧化度，也叫脱氧能力。是指在一定温度、压力下，与一定浓度的脱氧元素呈平衡状态的溶解在钢中的残余氧含量。这部分氧含量越低，则这种元素的脱氧能力越强。元素的脱氧要求 1）元素对氧的亲和力必须大于铁对氧的亲和力。 2）脱氧元素一般应制成低熔点的合金，脱氧时溶解快，钢液成分均匀 3）生产的脱氧产物在钢中的溶解度应尽可能小，且易于从钢液中上浮排出 5）残留于钢中的脱氧元素对成品钢的性能不产生坏的影响。1600，元素的脱氧能力由强到弱的顺序为：Ti Al C Si P VMn Cr。 注意：随脱氧浓度增加，氧含
15、量的下降速度越来越慢。随着脱氧反应的进行，一是降低了氧的浓度，二是降低了氧的活度。,4.2 感应熔炼过程中元素的氧化与脱氧,19,4.2 感应熔炼过程中元素的氧化与脱氧,4.2.3.3 各元素单独脱氧的特点锰：弱脱氧元素 脱氧能力随温度降低而升高，但作用较弱；脱氧发生在锰铁熔化的局部区域；可复合脱氧，如可以与Si的产物SiO2结合，降低自身的活度，提高脱氧能力，与Si、Al共同脱氧，Mn可以增加Si、Al的脱氧能力。硅：镇静钢中不可缺少的强脱氧元素 脱氧能力随温度降低而增强；在碱性环境下脱氧完全（产物SiO2 与碱性氧化物作用，降低了自身在渣中的活度）；单用硅脱氧，其脱氧产物不易排出，与锰结合
16、可生成低熔点脱氧产物，便于排出；脱氧能力还与脱氧产物的成分相关，MnSi共同脱氧，Mn提高了Si的脱氧能力。铝：强脱氧元素，用于最终脱氧 与Mn结合可提高脱氧能力；可降低钢的时效倾向；细化钢的晶粒；降低硫化物在钢中的偏析，提高钢的塑性。,20,4.2.3.4 复合脱氧剂的特点1）铝脱氧和铝、锰或铝、硅、锰同时脱氧，铝是与氧亲和力很强的脱氧剂，其脱氧能力低于钙、镁、钡、稀土而高于硅、锰、钛等元素。2）钙及钙合金脱氧的特点。钙是很强的脱氧剂，也是极强的脱硫元素。钙是很强的脱氧剂，也是极强的脱硫元素。但是，由于钙的沸点低（1484），在铁液中呈蒸气状态，使它的效果降低。另外，钙在铁液中的溶解度很低，影响了钙的脱氧脱硫效果，使钙的利用率也降低。,
