電磁冶金原理與工藝概述及感應(yīng)熔煉

主要內(nèi)容：1.概述2.電磁感應(yīng)熔煉原理及應(yīng)用3.電磁攪拌原理及應(yīng)用4.電磁場在冶金及材料領(lǐng)域的其他應(yīng)用5.電磁冶金研究方法2023年2月2日11.概述1.1電磁冶金發(fā)展概況1.2電磁冶金技術(shù)分類1.3電磁冶金技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展前景2023年2月2日21.1電磁冶金發(fā)展概況電磁冶金學(xué)：以電磁熱流體力學(xué)為基礎(chǔ)，研究冶金與材料制備過程電磁場應(yīng)用的工程科學(xué)，是電磁學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)相互交叉的學(xué)科。電磁冶金技術(shù)：以電磁熱流體力學(xué)為指導(dǎo)，采用電磁場對金屬材料進(jìn)行制取、凝固、成型及處理的新型工程技術(shù)。2023年2月2日3發(fā)展概況1819年丹麥奧斯特——電流的磁效應(yīng)1831年法國法拉第——電磁感應(yīng)現(xiàn)象1833年德國楞茨——楞茨定律十九世紀(jì)末感應(yīng)熔煉雛形出現(xiàn)二十世紀(jì)四十年代開始電磁冶金應(yīng)用研究（英國）1982年第一屆磁流體力學(xué)在冶金中應(yīng)用大會（英國）1985年確定了材料電磁工藝名稱（Electromagneticprocessingofmaterials簡稱EPM）2023年2月2日42023年2月2日52023年2月2日61.2電磁冶金技術(shù)分類2023年2月2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(qū)動(dòng)液體電磁攪拌，電磁泵抑制流動(dòng)卓克拉爾斯基磁力法，磁力制動(dòng)，薄帶的邊部磁控制，抑制波動(dòng)懸浮水平式電磁鑄造，非金屬夾雜物的電磁分離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(xì)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(yīng)關(guān)系2023年2月2日8過程電磁力感應(yīng)攪拌感應(yīng)加熱檢測/分析制鐵選礦機(jī)磁力制動(dòng)制鋼連鑄鑄型流動(dòng)控制澆包內(nèi)熔鋼的攪拌中間包內(nèi)熔鋼的加熱轉(zhuǎn)爐內(nèi)氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測量超導(dǎo)電磁場連鑄鑄型流動(dòng)控制連鑄鑄型內(nèi)熔鋼的攪拌澆包內(nèi)熔鋼加熱感應(yīng)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(jié)合邊角加熱，ISP板坯加熱表面處理電磁制動(dòng)連續(xù)鍍鋅線的合金化處理流動(dòng)控制鑄型連續(xù)鍍鋅線干燥爐水平磁場流動(dòng)控制鋅池加熱制管離心式流動(dòng)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(dòng)控制質(zhì)量控制感應(yīng)電流法表面粗糙度檢測，內(nèi)部夾雜物檢測材料開發(fā)強(qiáng)磁場微觀組織的控制2023年2月2日9按所施加磁場分類2023年2月2日101.3電磁冶金技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展前景1.3.1已成熟應(yīng)用技術(shù)2023年2月2日111.3.2正在開發(fā)的技術(shù)（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(cè)封

……2023年2月2日122.感應(yīng)熔煉原理與應(yīng)用2.1感應(yīng)加熱概述2.2感應(yīng)熔煉基本原理2.3中頻感應(yīng)爐設(shè)備與工藝2.4真空感應(yīng)爐設(shè)備與工藝2023年2月2日132.1感應(yīng)加熱概述1890年瑞典發(fā)明了第一臺感應(yīng)熔煉爐20世紀(jì)初應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域20世紀(jì)60年代大量應(yīng)用2023年2月2日14優(yōu)點(diǎn)：非接觸式加熱加熱效率高容易控制溫度可實(shí)現(xiàn)局部加熱可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制可減小占地?zé)彷椛?，噪聲和灰塵應(yīng)用廣泛操作靈活工藝適應(yīng)性強(qiáng)應(yīng)用：金屬熔煉鑄造金屬壓力加工金屬焊接金屬熱處理2023年2月2日15感應(yīng)熔煉2023年2月2日162.2.1電磁感應(yīng)現(xiàn)象：2.2感應(yīng)熔煉基本原理2023年2月2日172.2感應(yīng)熔煉基本原理2.2.2法拉第電磁感應(yīng)定律：2023年2月2日182023年2月2日192.2.3楞茨定律閉合回路中感應(yīng)電流的方向，總是使它產(chǎn)生的磁場去阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。NSG2023年2月2日20對于多匝線圈2023年2月2日212.2.4感應(yīng)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2023年2月2日22熱量的產(chǎn)生：焦耳-楞茨定律當(dāng)回路電阻為R時(shí),電流I:2023年2月2日232.2.5感生電流特征——渦流渦流：當(dāng)塊狀導(dǎo)體處于變化磁場中時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電流且自行閉合，稱為渦流。三種效應(yīng)：（1）集膚效應(yīng)（2）鄰近效應(yīng)（3）圓環(huán)效應(yīng)2023年2月2日24（1）集膚效應(yīng)2023年2月2日25透入深度：2023年2月2日26爐料表面得到的單位有功功率：2023年2月2日27不同材料在不同頻率的透入深度2023年2月2日28電流透入深度的實(shí)際意義電流透入深度影響熔煉效率2023年2月2日29爐料尺寸應(yīng)為電流透入深度的3~6倍2023年2月2日30頻率與爐容2023年2月2日31（2）鄰近效應(yīng)兩根通有交流電的導(dǎo)體靠近時(shí)，兩導(dǎo)體中的電流重新分布。2023年2月2日32（3）圓環(huán)效應(yīng)當(dāng)交流電通過環(huán)形線圈時(shí)，最大電流密度出現(xiàn)在線圈內(nèi)側(cè)。2023年2月2日332.2.6電磁力的作用（1）“駝峰”的形成2023年2月2日34（2）“駝峰”的作用均勻溫度均勻成份促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行2023年2月2日35（3）“駝峰”的危害沖刷爐襯二次氧化爐襯增厚2023年2月2日362.3中頻感應(yīng)爐設(shè)備及工藝

2.3.1感應(yīng)熔煉分類按使用頻率分：工頻感應(yīng)爐：使用工業(yè)頻率（50Hz）電源中頻感應(yīng)爐：使用頻率為150~10000Hz電源，常用頻率150~2500Hz；高頻感應(yīng)爐：10kHz~75kHz；按是否抽真空：非真空感應(yīng)爐真空感應(yīng)爐按是否有鐵芯：有芯感應(yīng)爐無芯感應(yīng)爐2023年2月2日372.3.2中頻感應(yīng)爐設(shè)備（1）中頻電源及供電控制（2）中頻感應(yīng)爐爐體（3）配套設(shè)施2023年2月2日38（1）中頻電源及供電控制性能穩(wěn)定操作方便自動(dòng)化程度高體積小維護(hù)方便保證設(shè)備安全2023年2月2日39一拖二電源2023年2月2日40（2）中頻感應(yīng)爐爐體框架爐殼爐蓋爐襯傾動(dòng)機(jī)構(gòu)感應(yīng)圈磁軛2023年2月2日41框架與爐殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)固——鋼和鋁切斷磁路——不能形成回路減輕重量——傾動(dòng)方便重心合理——安全便于觀察——安全2023年2月2日42傾動(dòng)機(jī)構(gòu)形式——液壓式——機(jī)械式技術(shù)要求——平穩(wěn)——操作靈活2023年2月2日43感應(yīng)圈電阻小絕緣性能好通水冷卻設(shè)計(jì)合理拆裝方便2023年2月2日44材料——無氧銅（99.99%）絕緣——耐高溫高壓絕緣涂層感應(yīng)圈直徑感應(yīng)圈高度銅管形狀——矩形或圓形2023年2月2日45磁軛2023年2月2日46作用——減少漏磁——提高效率——防止?fàn)t殼發(fā)熱——支撐感應(yīng)圈材質(zhì)——硅鋼片安裝——覆蓋感應(yīng)圈面積60%2023年2月2日47（3）附屬設(shè)施水冷電纜——重量輕——電流密度大——溫升少——損耗低——安裝方便2023年2月2日48循環(huán)水系統(tǒng)——設(shè)置軟水或純水系統(tǒng)——雙路供水——應(yīng)急供水系統(tǒng)——保證水壓與流量——出水溫度小于50°C——設(shè)置水壓、水溫和流量保護(hù)2023年2月2日49排煙除塵系統(tǒng)——大型感應(yīng)爐配置側(cè)排煙罩——中小型感應(yīng)爐設(shè)置車間排煙系統(tǒng)2023年2月2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——?jiǎng)傆瘛?023年2月2日51爐襯爐內(nèi)打結(jié)——鎂砂打結(jié)——石英砂打結(jié)爐外預(yù)制——耐火材料預(yù)制——石墨2023年2月2日52爐襯的質(zhì)量要求耐火度與工作溫度2023年2月2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(qiáng)度高絕緣性能好導(dǎo)熱性差無污染成本低2023年2月2日54感應(yīng)爐用主要耐火材料2023年2月2日55爐襯的成型預(yù)制坩堝人工打結(jié)機(jī)械打結(jié)2023年2月2日56耐火材料的配比2023年2月2日572023年2月2日58使用中的爐襯結(jié)構(gòu)2023年2月2日59爐襯的烘烤與燒結(jié)2.3.3感應(yīng)爐熔煉工藝（1）感應(yīng)熔煉基本特點(diǎn)：2023年2月2日60優(yōu)點(diǎn)：-品種多-冶煉靈活-工藝配套方便缺點(diǎn)-原料要求高-脫磷脫硫困難-脫碳困難2023年2月2日61（2）冶煉的主要品種及應(yīng)用鑄鋼——鑄造、機(jī)械加工行業(yè)鑄鐵——鑄造、機(jī)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(xué)研究2023年2月2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M(fèi)n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(yīng)爐冶煉主要原料2023年2月2日63原料要求：化學(xué)成分準(zhǔn)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(dāng)?shù)某叽纭岣呷刍矢稍铩苊馕鼩渑c發(fā)生危險(xiǎn)無密閉容器——避免發(fā)生危險(xiǎn)2023年2月2日64（4）感應(yīng)熔煉的主要任務(wù)2023年2月2日65四脫(C、P、S、O)、二去(氣、夾)、升溫、合金化脫C：C，硬度、強(qiáng)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(wù)措施：供氧、造渣、升溫、加脫氧劑、加合金料脫碳與增碳2023年2月2日66——使用低碳原材料

純鐵、Ni板、金屬Cr等——利用碳氧反應(yīng)礦石、氧化鐵皮等——無有效手段

一般無法實(shí)施吹氧等手段——主要靠燒損

高碳鋼時(shí)考慮燒損——增碳靠高碳鐵合金和石墨脫磷脫磷反應(yīng)2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+5[Fe]+Q脫P(yáng)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(yīng)

d.加大渣量：降低渣中(P2O5)濃度。脫P(yáng)地點(diǎn)：爐渣金屬界面

2023年2月2日67脫硫脫硫反應(yīng) [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(dòng)性

b.高溫：脫硫?yàn)槲鼰岱磻?yīng)

c.低(FeO)：平衡向右進(jìn)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(diǎn)：爐渣金屬界面

2023年2月2日68脫氧與氧親和力順序Ca>Ba>Zr>Al>Ti>Si>V>Cr>Mn>Fe>Co>Sn>Ni>Cu2023年2月2日69方法:沉淀脫氧，擴(kuò)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(jìn)入爐渣，從而降低鋼中的含氧量，又叫直接脫氧。x[Me]+y[O]=(MexOy)特點(diǎn):操作簡便，脫氧速度快，時(shí)間短缺點(diǎn):鋼中含有脫氧產(chǎn)物，形成非金屬夾雜物，影響質(zhì)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(yù)脫氧脫氧劑:硅鐵，錳鐵，鋁及硅鈣等復(fù)合脫氧劑2023年2月2日702.擴(kuò)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(diǎn)：鋼液較純凈

缺點(diǎn)：操作復(fù)雜，脫氧速度慢，時(shí)間長2023年2月2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(yīng)——降低熔煉溫度——及時(shí)熔渣覆蓋——吹氣2023年2月2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2023年2月2日73冶煉前準(zhǔn)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(jì)算——原料準(zhǔn)備——澆鑄系統(tǒng)的準(zhǔn)備2023年2月2日74（5）冶煉過程補(bǔ)爐——出鋼后對坩堝進(jìn)行清理——補(bǔ)渣線——補(bǔ)出鋼槽——快補(bǔ)、薄補(bǔ)2023年2月2日75裝料鋪底渣——提前化渣脫磷——預(yù)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(diǎn)原料——中部高溫區(qū)加高熔點(diǎn)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(shí)際情況加入2023年2月2日76冶煉過程熔化期