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小型真空熔炼炉真空感应熔炼的基本原理

点击次数:208 发布时间:2019/6/12 17:13:31

  小型真空熔炼炉真空感应熔炼的基本原理
  小型真空熔炼炉的真空感应熔炼(VIM)是在真空条件下,利用电磁感应在金属导体内产生涡流加热炉料进行熔炼的方法,具有熔炼室体积小,抽真空时间和熔炼周期短,便于温度压力控制、可回收易挥发元素、准确控制合金成分等特点。由于以上特点,现在已发展为特殊钢、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。
  基本原理:
  真空感应熔炼的两个基本原理应用是:感应加热和真空环境。
  1.感应熔炼是除电弧炉以外较重要的一种电炉熔炼方法。与电弧炉相比,其特点有:
  (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,从而杜绝了电极增碳的可能,因而可以熔炼电弧炉很难熔炼的含碳量极低的钢和合金。
  (2)熔池中存在一定强度的电磁搅拌,可促进钢水成分和温度均匀,钢中夹杂合并、长大和上浮。
  (3)熔池比表面积小。优点是熔炼过程中容易控制气氛,无电弧及电弧下高温区,合金元素烧损少、吸气少,所以有利于成分控制、气体含量低和缩短熔炼时间;缺点是渣钢界面面积小,再加上熔渣不能被感应加热,渣温低,流动性差,反应力低,不利于渣钢界面冶金反应的进行,特别是脱硫、脱磷等,因而对原材料要求较为严格。
  (4)烟尘少对环境污染小。熔炼过程中基本无火焰,也无燃烧产物。
  感应加热原理主要依据两则电学基本定律:
  ①法拉第电磁感应定律:E=B·L·v·sin∠(v·B)
  E:导体两端所感应的电势;
  B:磁感应强度;
  v:相对速度;
  ∠(v·B):磁感应强度的方向与速度方向之间的夹角。
  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、磁感应强度与交变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了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),其大小通常以下式确定:
  E=4.44Ф·f·n
  Ф: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数,通常n=1。
  ②焦耳-楞茨定律:
  又称为电流热效应原理。当电流在导体内流动时,定向流动的电子要克服各种阻力,这种阻力用导体的电阻来描述,电流克服电阻所消耗的能量将以热能的形式放出。这就是电流的热效应:
  Q=I2Rt
  Q:焦耳-楞茨热,J;
  I:电流强度,A;
  R:导体电阻,Ω;
  t:导体通电时间,s。
  当真空熔炼炉通以交流电后,在感应线圈内坩埚里的金属炉料由一法拉第电磁感应定律产生感应电动势,由于金属炉料本身形成一闭合回路,所以在金属炉料中产生感应电流:I=4.44Ф·f/R,(R:金属炉料的有效电阻,Ω)。该感应电流又依照二焦耳-楞茨定律在炉料中放出热量,使炉料被加热。

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