電磁冶金原理與工藝概述及感應熔煉

1、主要內(nèi)容：1.概述2.電磁感應熔煉原理及應用3.電磁攪拌原理及應用4.電磁場在冶金及材料領域的其他應用5.電磁冶金研究方法2022年10月9日11.概述電磁冶金發(fā)展概況電磁冶金技術分類電磁冶金技術應用及發(fā)展前景2022年10月9日2電磁冶金發(fā)展概況電磁冶金學：以電磁熱流體力學為基礎，研究冶金與材料制備過程電磁場應用的工程科學，是電磁學、熱力學、流體力學相互交叉的學科。電磁冶金技術：以電磁熱流體力學為指導，采用電磁場對金屬材料進行制取、凝固、成型及處理的新型工程技術。2022年10月9日3發(fā)展概況1819年丹麥奧斯特電流的磁效應1831年法國法拉第電磁感應現(xiàn)象1833年德國楞茨楞茨定律十九世紀末

2、感應熔煉雛形出現(xiàn)二十世紀四十年代開始電磁冶金應用研究（英國）1982年第一屆磁流體力學在冶金中應用大會（英國）1985年確定了材料電磁工藝名稱（Electromagnetic processing of materials 簡稱EPM）2022年10月9日42022年10月9日52022年10月9日6電磁冶金技術分類2022年10月9日7基本原理材料處理的功能工藝電磁體積力形狀控制冷態(tài)坩堝，懸浮熔煉，立式電磁鑄造，金屬薄膜的磁成型，塑性變形（由非均勻磁場形成的變形）驅動液體電磁攪拌，電磁泵抑制流動卓克拉爾斯基磁力法，磁力制動，薄帶的邊部磁控制，抑制波動懸浮水平式電磁鑄造，非金屬夾雜物的電磁分離

3、霧化電磁霧化焦耳熱量熱量生成冷態(tài)坩堝，懸浮熔煉，磁場加熱楞次定律探測傳感器綜合功能精煉電磁精煉，非金屬夾雜物的電磁分離凝固組織的控制晶粒細化，晶粒粗化，單晶生長，非晶態(tài)金屬物的生成電磁功能與冶金材料工藝過程的對應關系2022年10月9日8過程電磁力感應攪拌感應加熱檢測/分析制鐵選礦機磁力制動制鋼連鑄鑄型流動控制澆包內(nèi)熔鋼的攪拌中間包內(nèi)熔鋼的加熱轉爐內(nèi)氧質量分數(shù)的測量超導電磁場連鑄鑄型流動控制連鑄鑄型內(nèi)熔鋼的攪拌澆包內(nèi)熔鋼加熱感應法檢測連鑄鑄型內(nèi)的液面施加交變磁場初期凝固殼的控制中間包內(nèi)夾雜物分離的攪拌冷坩堝內(nèi)加熱和熔化連鑄二冷水的流速檢測熱軋板、棒的結合邊角加熱，ISP板坯加熱表面處理電磁制動

4、連續(xù)鍍鋅線的合金化處理流動控制鑄型連續(xù)鍍鋅線干燥爐水平磁場流動控制鋅池加熱制管離心式流動中間包鋼管電阻焊無縫鋼管熱處理焊接焊接熔池的靜磁場流動控制質量控制感應電流法表面粗糙度檢測，內(nèi)部夾雜物檢測材料開發(fā)強磁場微觀組織的控制2022年10月9日9按所施加磁場分類2022年10月9日10電磁冶金技術應用及發(fā)展前景已成熟應用技術2022年10月9日11正在開發(fā)的技術（1）電磁軟接觸連鑄（2）金屬熔體的電磁凈化（3）凝固組織電磁控制（4）薄帶坯連鑄電磁側封 2022年10月9日122. 感應熔煉原理與應用感應加熱概述感應熔煉基本原理中頻感應爐設備與工藝真空感應爐設備與工藝2022年10月9日13感應加

5、熱概述1890年瑞典發(fā)明了第一臺感應熔煉爐20世紀初應用于工業(yè)領域20世紀60年代大量應用2022年10月9日14優(yōu)點：非接觸式加熱加熱效率高容易控制溫度可實現(xiàn)局部加熱可實現(xiàn)自動化控制可減小占地熱輻射，噪聲和灰塵應用廣泛操作靈活工藝適應性強應用：金屬熔煉鑄造金屬壓力加工金屬焊接金屬熱處理2022年10月9日15感應熔煉2022年10月9日16電磁感應現(xiàn)象：感應熔煉基本原理2022年10月9日17感應熔煉基本原理法拉第電磁感應定律：2022年10月9日182022年10月9日19楞茨定律閉合回路中感應電流的方向，總是使它產(chǎn)生的磁場去阻礙引起感應電流的磁通量的變化。NSG2022年10月9日20對

6、于多匝線圈2022年10月9日21感應熔煉熱量的產(chǎn)生交變電流產(chǎn)生交變磁場交變磁場產(chǎn)生感生電流2022年10月9日22熱量的產(chǎn)生：焦耳-楞茨定律當回路電阻為R時,電流I:2022年10月9日23感生電流特征渦流渦流：當塊狀導體處于變化磁場中時，導體內(nèi)產(chǎn)生電流且自行閉合，稱為渦流。三種效應：（1）集膚效應（2）鄰近效應（3）圓環(huán)效應2022年10月9日24（1）集膚效應2022年10月9日25透入深度：2022年10月9日26爐料表面得到的單位有功功率：2022年10月9日27不同材料在不同頻率的透入深度2022年10月9日28電流透入深度的實際意義電流透入深度影響熔煉效率2022年10月9日29

7、爐料尺寸應為電流透入深度的36倍2022年10月9日30頻率與爐容2022年10月9日31（2）鄰近效應兩根通有交流電的導體靠近時，兩導體中的電流重新分布。2022年10月9日32（3）圓環(huán)效應當交流電通過環(huán)形線圈時，最大電流密度出現(xiàn)在線圈內(nèi)側。2022年10月9日33電磁力的作用（1）“駝峰”的形成2022年10月9日34（2）“駝峰”的作用均勻溫度均勻成份促進反應進行2022年10月9日35（3）“駝峰”的危害沖刷爐襯二次氧化爐襯增厚2022年10月9日36中頻感應爐設備及工藝感應熔煉分類按使用頻率分：工頻感應爐：使用工業(yè)頻率（50Hz）電源中頻感應爐：使用頻率為15010000Hz電源，

8、常用頻率1502500Hz；高頻感應爐：10kHz75kHz；按是否抽真空：非真空感應爐真空感應爐按是否有鐵芯：有芯感應爐無芯感應爐2022年10月9日37中頻感應爐設備（1）中頻電源及供電控制（2）中頻感應爐爐體（3）配套設施2022年10月9日38（1）中頻電源及供電控制性能穩(wěn)定操作方便自動化程度高體積小維護方便保證設備安全2022年10月9日39一拖二電源2022年10月9日40（2）中頻感應爐爐體框架爐殼爐蓋爐襯傾動機構感應圈磁軛2022年10月9日41框架與爐殼結構穩(wěn)固鋼和鋁切斷磁路不能形成回路減輕重量傾動方便重心合理安全便于觀察安全2022年10月9日42傾動機構形式液壓式機械式技

9、術要求平穩(wěn)操作靈活2022年10月9日43感應圈電阻小絕緣性能好通水冷卻設計合理拆裝方便2022年10月9日44材料無氧銅（99.99%）絕緣耐高溫高壓絕緣涂層感應圈直徑感應圈高度銅管形狀矩形或圓形2022年10月9日45磁軛2022年10月9日46作用減少漏磁提高效率防止爐殼發(fā)熱支撐感應圈材質硅鋼片安裝覆蓋感應圈面積60%2022年10月9日47（3）附屬設施水冷電纜重量輕電流密度大溫升少損耗低安裝方便2022年10月9日48循環(huán)水系統(tǒng)設置軟水或純水系統(tǒng)雙路供水應急供水系統(tǒng)保證水壓與流量出水溫度小于50C設置水壓、水溫和流量保護2022年10月9日49排煙除塵系統(tǒng)大型感應爐配置側排煙罩中小型

10、感應爐設置車間排煙系統(tǒng)2022年10月9日50（4）爐襯耐火材料堿性爐襯 堿性法冶煉 鋼及合金氧化鎂氧化鈣氧化鋯酸性爐襯 酸性法冶煉 鑄鐵石英砂中性爐襯高合金鋼及有色金屬剛玉石墨2022年10月9日51爐襯爐內(nèi)打結鎂砂打結石英砂打結爐外預制耐火材料預制石墨2022年10月9日52爐襯的質量要求耐火度與工作溫度2022年10月9日53物化穩(wěn)定性抗熔渣侵蝕抗鋼水侵蝕耐急冷急熱高溫強度高絕緣性能好導熱性差無污染成本低2022年10月9日54感應爐用主要耐火材料2022年10月9日55爐襯的成型預制坩堝人工打結機械打結2022年10月9日56耐火材料的配比2022年10月9日572022年10月9日5

11、8使用中的爐襯結構2022年10月9日59爐襯的烘烤與燒結感應爐熔煉工藝（1）感應熔煉基本特點：2022年10月9日60優(yōu)點：-品種多-冶煉靈活-工藝配套方便缺點-原料要求高-脫磷脫硫困難-脫碳困難2022年10月9日61（2）冶煉的主要品種及應用鑄鋼鑄造、機械加工行業(yè)鑄鐵鑄造、機械加工行業(yè)精密合金航空、電子高溫合金航空、電子有色金屬有色冶金科學研究2022年10月9日62原料種類鋼鐵料純鐵、返回料等純金屬Ni板、金屬Cr、金屬Mn等鐵合金Cr-Fe、Ti-Fe、W-Fe等造渣材料石灰、螢石、鎂砂等脫氧劑Al塊、Si-Fe、Mn-Fe等脫磷劑氧化鐵皮、礦石等脫硫劑CaC2、CaO等（3）感應爐

12、冶煉主要原料2022年10月9日63原料要求：化學成分準確不易調(diào)整無脫碳手段硫磷含量低無高效脫硫脫磷手段清潔無污染缺乏高效精煉手段適當?shù)某叽缣岣呷刍矢稍锉苊馕鼩渑c發(fā)生危險無密閉容器避免發(fā)生危險2022年10月9日64（4）感應熔煉的主要任務2022年10月9日65四脫(C、P、S、O)、二去(氣、夾)、升溫、合金化脫C：C ，硬度、強度、脆性 脫S、P：有害元素，S熱脆，P冷脆脫O：鋼中氧含量過多變脆去氣、夾雜：氣(H、N)，非金屬夾雜(氧、硫、氮、硫、磷化合物)升溫、合金化 完成任務措施：供氧、造渣、升溫、加脫氧劑、加合金料脫碳與增碳2022年10月9日66使用低碳原材料 純鐵、 Ni板

13、、金屬Cr等利用碳氧反應 礦石、氧化鐵皮等無有效手段 一般無法實施吹氧等手段主要靠燒損 高碳鋼時考慮燒損增碳 靠高碳鐵合金和石墨脫磷脫磷反應 2P+5(FeO)+4(CaO) = (4CaOP2O5)+5Fe+Q脫P有利條件： a.提高爐渣堿度：(CaO) b.提高爐渣氧化性： (FeO) c.較低熔池溫度：脫磷為放熱反應 d.加大渣量：降低渣中(P2O5)濃度。脫P地點： 爐渣 金屬界面 2022年10月9日67脫硫脫硫反應 FeS + (CaO) = (CaS) + (FeO) - Q脫硫有利條件： a.提高堿度： 但需保證爐渣具有良好的流動性 b.高溫：脫硫為吸熱反應 c.低(FeO)：

14、平衡向右進行 d.大渣量：大渣量或多次放渣造新渣，稀釋(CaS)濃度脫硫地點： 爐渣 金屬界面 2022年10月9日68脫氧與氧親和力順序CaBaZrAlTiSiVCrMnFeCoSnNiCu2022年10月9日69方法: 沉淀脫氧，擴散脫氧，真空脫氧沉淀脫氧：直接向鋼液中加入與氧親和力比鐵親和力大的元素(脫氧劑)，使它奪取溶解于鋼中的氧，生成不溶于鋼液的氧化物，上浮進入爐渣，從而降低鋼中的含氧量，又叫直接脫氧。 xMe+yO=(MexOy)特點: 操作簡便，脫氧速度快，時間短缺點: 鋼中含有脫氧產(chǎn)物，形成非金屬夾雜物，影響質量。方式: 將鐵合金或純金屬直接加入盛鋼桶內(nèi)或在爐內(nèi)預脫氧脫氧劑:

15、硅鐵，錳鐵，鋁及硅鈣等復合脫氧劑2022年10月9日702.擴散脫氧 根據(jù)：氧在金屬液和爐渣間的分配定率 操作：將脫氧劑均勻鋪撒在渣面 優(yōu)點：鋼液較純凈 缺點：操作復雜，脫氧速度慢，時間長2022年10月9日71去氣（H、N）通常無有效去除手段，避免吸入原料及工具要干燥利用碳氧反應降低熔煉溫度及時熔渣覆蓋吹氣2022年10月9日72去非金屬夾雜物原料清潔，硫、磷、氧含量低熔化過程中減少氧化采用合理有效的脫氧制度調(diào)整熔渣成分利于吸收夾雜物夾雜物變性處理利于夾雜物脫除澆鑄過程中的夾雜物控制2022年10月9日73冶煉前準備確定冶煉方法選擇原料（鋼鐵料、合金料、脫氧劑、渣料等）配料計算原料準備澆鑄系

16、統(tǒng)的準備2022年10月9日74（5）冶煉過程補爐出鋼后對坩堝進行清理補渣線補出鋼槽快補、薄補2022年10月9日75裝料鋪底渣提前化渣脫磷預裝Si-Fe等以減少元素氧化燒損裝金屬料下緊上松底部優(yōu)先裝入低熔點原料中部高溫區(qū)加高熔點合金料大尺寸先加碎料填空隙及開始熔化后加入易氧化爐料根據(jù)實際情況加入2022年10月9日76冶煉過程熔化期快速熔化補加渣料低溫脫磷減少元素燒損熔清取樣換渣2022年10月9日77精煉期調(diào)整爐渣成分高溫脫硫沉淀脫氧和擴散脫氧加合金調(diào)整成分終脫氧取終點樣、測溫出鋼2022年10月9日78出鋼溫度2022年10月9日79出鋼與澆鑄控制出鋼溫度快速出鋼鋼渣混出澆注前鎮(zhèn)靜2022年10月9日80Cr5MoV鋼冶煉實例2022年10月9日811Cr18Ni9不銹鋼冶煉實例2022年10月9日82