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1、上海大学 1 绪 论毕业设计论文学 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
2、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ABSTRACTAt present，with the continuous development of some areas，suchas acrospace，avaiation，military industry ，nuclear power，energy a
3、ndchemical area，not only the demand of special alloy heat resisting alloy，high temperature alloy， corrosion resistant alloyareas increasing，but the quality requirements of this special alloy are becoming more stringent.All of this promoted the development and research of vaccum induction furnace. Co
4、mpared with other smelting method, vaccum induction smelting furnace is able to precisely control composition of steel or alloy, and gas and nonmetallic inclusions in steel or alloy are far below other smelting method.The temperature of the vacuum induction furnace is relatively easy to control, and
5、 control the pressure level is the most distinguishing feature of vacuum induction furnace. This research sets the target of 10 kg vacuum intermediate frequency induction furnace。 This research sets the target of 25 kg vacuum intermediate frequency induction furenace equipment design，including therm
6、al calculation ofPower，electric paremeters calculation of medium frequency power supply， The selection of crucible material and size design ，material selection and structure design of sensors，selection of vacuum pump valve and the arrangement of vacuum line，strength check of shell，cooling system des
7、ign.The topics addressed in the design of the various components of the design principles and calculation methods and design process and the necessary degree of intensity.Key words vacuum，induction furenace，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
8、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VI
9、DP（vacuum induction degassing pouring）,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. Hhh4.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
10、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
11、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，
12、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1.52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211. Kk2
13、.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
14、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
15、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/t0.20.5122760熔化速度/th-10.10.22.2.73.153) 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
