电磁冶金原理与工艺概述及感应熔炼.pptx

1.1.概述概述1.1电磁冶金发展概况1.2电磁冶金技术分类1.3电磁冶金技术应用及发展前景2023年3月27日1第1页/共86页1.1电磁冶金发展概况电磁冶金学：以电磁热流体力学为基础，研究冶金与材料制备过程电磁场应用的工程科学，是电磁学、热力学、流体力学相互交叉的学科。电磁冶金技术：以电磁热流体力学为指导，采用电磁场对金属材料进行制取、凝固、成型及处理的新型工程技术。2023年3月27日2第2页/共86页 发展概况发展概况1819年丹麦奥斯特电流的磁效应1831年法国法拉第电磁感应现象1833年德国楞茨楞茨定律十九世纪末感应熔炼雏形出现二十世纪四十年代开始电磁冶金应用研究（英国）1982年第一届磁流体力学在冶金中应用大会（英国）1985年确定了材料电磁工艺名称（Electromagnetic processing of materials 简称EPM）2023年3月27日3第3页/共86页2023年3月27日4第4页/共86页2023年3月27日5第5页/共86页1.2电磁冶金技术分类2023年3月27日6第6页/共86页基本原理基本原理材料处理的功能材料处理的功能工艺工艺电磁体积力电磁体积力形状控制形状控制冷态坩埚，悬浮熔炼，立式电磁铸造，金属薄膜冷态坩埚，悬浮熔炼，立式电磁铸造，金属薄膜的磁成型，塑性变形（由非均匀磁场形成的变形）的磁成型，塑性变形（由非均匀磁场形成的变形）驱动液体驱动液体电磁搅拌，电磁泵电磁搅拌，电磁泵抑制流动抑制流动卓克拉尔斯基磁力法，磁力制动，薄带的边部磁卓克拉尔斯基磁力法，磁力制动，薄带的边部磁控制，抑制波动控制，抑制波动悬浮悬浮水平式电磁铸造，非金属夹杂物的电磁分离水平式电磁铸造，非金属夹杂物的电磁分离雾化雾化电磁雾化电磁雾化焦耳热量焦耳热量热量生成热量生成冷态坩埚，悬浮熔炼，磁场加热冷态坩埚，悬浮熔炼，磁场加热楞次定律楞次定律探测探测传感器传感器综合功能综合功能精炼精炼电磁精炼，非金属夹杂物的电磁分离电磁精炼，非金属夹杂物的电磁分离凝固组织的控制凝固组织的控制晶粒细化，晶粒粗化，单晶生长，非晶态金属物晶粒细化，晶粒粗化，单晶生长，非晶态金属物的生成的生成电磁功能与冶金材料工艺过程的对应关系电磁功能与冶金材料工艺过程的对应关系2023年3月27日7第7页/共86页过程过程电磁力电磁力感应搅拌感应搅拌感应加热感应加热检测检测/分析分析制铁制铁选矿机磁力制动选矿机磁力制动制钢制钢连铸铸型流动控制连铸铸型流动控制浇包内熔钢的搅拌浇包内熔钢的搅拌中间包内熔钢的加热中间包内熔钢的加热转炉内氧质量分数的测转炉内氧质量分数的测量量超导电磁场连铸铸型流超导电磁场连铸铸型流动控制动控制连铸铸型内熔钢的搅连铸铸型内熔钢的搅拌拌浇包内熔钢加热浇包内熔钢加热感应法检测连铸铸型内感应法检测连铸铸型内的液面的液面施加交变磁场施加交变磁场初期凝固壳的控制初期凝固壳的控制中间包内夹杂物分离中间包内夹杂物分离的搅拌的搅拌冷坩埚内加热和熔化冷坩埚内加热和熔化连铸二冷水的流速检测连铸二冷水的流速检测热轧热轧板、棒的结合边角加板、棒的结合边角加热，热，ISPISP板坯加热板坯加热表面处理表面处理电磁制动电磁制动连续镀锌线的合金化连续镀锌线的合金化处理处理流动控制铸型流动控制铸型连续镀锌线干燥炉连续镀锌线干燥炉水平磁场水平磁场流动控制流动控制锌池加热锌池加热制管制管离心式流动中间包离心式流动中间包钢管电阻焊无缝钢管钢管电阻焊无缝钢管热处理热处理焊接焊接焊接熔池的静磁场流动焊接熔池的静磁场流动控制控制质量控制质量控制感应电流法表面粗糙度感应电流法表面粗糙度检测，内部夹杂物检测检测，内部夹杂物检测材料开发材料开发强磁场微观组织的控制强磁场微观组织的控制2023年3月27日8第8页/共86页按所施加磁场分类2023年3月27日9第9页/共86页1.31.3电磁冶金技术应用及发展前景电磁冶金技术应用及发展前景已成熟应用技术已成熟应用技术2023年3月27日10第10页/共86页正在开发的技术正在开发的技术（1）电磁软接触连铸（2）金属熔体的电磁净化（3）凝固组织电磁控制（4）薄带坯连铸电磁侧封 2023年3月27日11第11页/共86页2.2.感应熔炼原理与应用感应熔炼原理与应用2.1感应加热概述2.2感应熔炼基本原理2.3中频感应炉设备与工艺2.4真空感应炉设备与工艺2023年3月27日12第12页/共86页2.12.1感应加热概述感应加热概述1890年瑞典发明了第一台感应熔炼炉20世纪初应用于工业领域20世纪60年代大量应用2023年3月27日13第13页/共86页优点：1.非接触式加热2.加热效率高3.容易控制温度4.可实现局部加热5.可实现自动化控制6.可减小占地7.热辐射，噪声和灰尘8.应用广泛9.操作灵活10.工艺适应性强l应用：1.金属熔炼2.铸造3.金属压力加工4.金属焊接5.金属热处理2023年3月27日14第14页/共86页感应熔炼2023年3月27日15第15页/共86页电磁感应现象：2.22.2感应熔炼基本原理感应熔炼基本原理2023年3月27日16第16页/共86页2.22.2感应熔炼基本原理感应熔炼基本原理法拉第电磁感应定律：2023年3月27日17第17页/共86页2023年3月27日18第18页/共86页楞茨定律楞茨定律闭合回路中感应电流的方向，总是使它产生的磁场去阻碍引起感应电流的磁通量的变化。闭合回路中感应电流的方向，总是使它产生的磁场去阻碍引起感应电流的磁通量的变化。N NS SG G2023年3月27日19第19页/共86页 对于多匝线圈对于多匝线圈2023年3月27日20第20页/共86页感应熔炼热量的产生交变电流产生交变磁场交变磁场产生感生电流2023年3月27日21第21页/共86页热量的产生：焦耳-楞茨定律当回路电阻为当回路电阻为R时时,电流电流I I:2023年3月27日22第22页/共86页感生电流特征涡流涡流：当块状导体处于变化磁场中时，导体内产生电流且自行闭合，称为涡流。三种效应：（1）集肤效应（2）邻近效应（3）圆环效应2023年3月27日23第23页/共86页（1）集肤效应2023年3月27日24第24页/共86页透入深度：2023年3月27日25第25页/共86页炉料表面得到的单位有功功率：2023年3月27日26第26页/共86页不同材料在不同频率的透入深度2023年3月27日27第27页/共86页电流透入深度的实际意义电流透入深度影响熔炼效率2023年3月27日28第28页/共86页炉料尺寸应为电流透入深度的36倍2023年3月27日29第29页/共86页频率与炉容2023年3月27日30第30页/共86页（2 2）邻近效应）邻近效应两根通有交流电的导体靠近时，两导体中的电流重新分布。2023年3月27日31第31页/共86页（3 3）圆环效应）圆环效应当交流电通过环形线圈时，最大电流密度出现在线圈内侧。2023年3月27日32第32页/共86页电磁力的作用（1）“驼峰”的形成2023年3月27日33第33页/共86页（2）“驼峰”的作用均匀温度均匀成份促进反应进行2023年3月27日34第34页/共86页（3）“驼峰”的危害冲刷炉衬二次氧化炉衬增厚2023年3月27日35第35页/共86页2.3中频感应炉设备及工艺感应熔炼分类按使用频率分：1.工频感应炉：使用工业频率（50Hz）电源2.中频感应炉：使用频率为15010000Hz电源，常用频率1502500Hz；3.高频感应炉：10kHz75kHz；按是否抽真空：1.非真空感应炉2.真空感应炉按是否有铁芯：1.有芯感应炉2.无芯感应炉2023年3月27日36第36页/共86页中频感应炉设备中频感应炉设备（1）中频电源及供电控制（2）中频感应炉炉体（3）配套设施2023年3月27日37第37页/共86页（1）中频电源及供电控制l性能稳定l操作方便l自动化程度高l体积小l维护方便l保证设备安全2023年3月27日38第38页/共86页 一拖二电源一拖二电源2023年3月27日39第39页/共86页（2 2）中频感应炉炉体）中频感应炉炉体框架框架炉壳炉壳炉盖炉盖炉衬炉衬倾动机构倾动机构感应圈感应圈磁轭磁轭2023年3月27日40第40页/共86页 框架与炉壳框架与炉壳l结构稳固钢和铝l切断磁路不能形成回路l减轻重量倾动方便l重心合理安全l便于观察安全2023年3月27日41第41页/共86页倾动机构l形式液压式机械式l技术要求平稳操作灵活2023年3月27日42第42页/共86页 感应圈感应圈电阻小绝缘性能好通水冷却设计合理拆装方便2023年3月27日43第43页/共86页材料无氧铜（99.99%）绝缘耐高温高压绝缘涂层感应圈直径感应圈高度铜管形状矩形或圆形2023年3月27日44第44页/共86页 磁轭磁轭2023年3月27日45第45页/共86页作用减少漏磁提高效率防止炉壳发热支撑感应圈材质硅钢片安装覆盖感应圈面积60%2023年3月27日46第46页/共86页（3 3）附属设施）附属设施水冷电缆重量轻电流密度大温升少损耗低安装方便2023年3月27日47第47页/共86页循环水系统设置软水或纯水系统双路供水应急供水系统保证水压与流量出水温度小于50C设置水压、水温和流量保护2023年3月27日48第48页/共86页排烟除尘系统大型感应炉配置侧排烟罩中小型感应炉设置车间排烟系统2023年3月27日49第49页/共86页（4 4）炉衬耐火材料）炉衬耐火材料碱性炉衬 碱性法冶炼 钢及合金氧化镁氧化钙氧化锆酸性炉衬 酸性法冶炼 铸铁石英砂中性炉衬高合金钢及有色金属刚玉石墨2023年3月27日50第50页/共86页 炉衬炉衬炉内打结镁砂打结石英砂打结炉外预制耐火材料预制石墨2023年3月27日51第51页/共86页 炉衬的质量要求炉衬的质量要求耐火度与工作温度2023年3月27日52第52页/共86页物化稳定性抗熔渣侵蚀抗钢水侵蚀耐急冷急热高温强度高绝缘性能好导热性差无污染成本低2023年3月27日53第53页/共86页 感应炉用主要耐火材料感应炉用主要耐火材料2023年3月27日54第54页/共86页 炉衬的成型炉衬的成型预制坩埚预制坩埚人工打结人工打结机械打结机械打结2023年3月27日55第55页/共86页 耐火材料的配比耐火材料的配比2023年3月27日56第56页/共86页2023年3月27日57 使用中的炉衬结构使用中的炉衬结构第57页/共86页2023年3月27日58 炉衬的烘烤与烧结炉衬的烘烤与烧结第58页/共86页感应炉熔炼工艺感应炉熔炼工艺（1）感应熔炼基本特点：2023年3月27日59第59页/共86页优点：-品种多-冶炼灵活-工艺配套方便l缺点-原料要求高-脱磷脱硫困难-脱碳困难2023年3月27日60第60页/共86页（2 2）冶炼的主要品种及应用）冶炼的主要品种及应用铸钢铸造、机械加工行业铸铁铸造、机械加工行业精密合金航空、电子高温合金航空、电子有色金属有色冶金科学研究2023年3月27日61第61页/共86页原料种类1.钢铁料纯铁、返回料等2.纯金属Ni板、金属Cr、金属Mn等3.铁合金Cr-Fe、Ti-Fe、W-Fe等4.造渣材料石灰、萤石、镁砂等5.脱氧剂Al块、Si-Fe、Mn-Fe等6.脱磷剂氧化铁皮、矿石等7.脱硫剂CaC2、CaO等（3 3）感应炉冶炼主要原料）感应炉冶炼主要原料2023年3月27日62第62页/共86页原料要求：1.化学成分准确不易调整无脱碳手段2.硫磷含量低无高效脱硫脱磷手段3.清洁无污染缺乏高效精炼手段4.适当的尺寸提高熔化效率5.干燥避免吸氢与发生危险6.无密闭容器避免发生危险2023年3月27日63第63页/共86页（4 4）感应熔炼的主要任务）感应熔炼的主要任务2023年3月27日64四脱(C、P、S、O)、二去(气、夹)、升温、合金化脱C：C ，硬度、强度、脆性 脱S、P：有害元素，S热脆，P冷脆脱O：钢中氧含量过多变脆去气、夹杂：气(H、N)，非金属夹杂(氧、硫、氮、硫、磷化合物)升温、合金化 完成任务措施：供氧、造渣、升温、加脱氧剂、加合金料第64页/共86页 脱碳与增碳脱碳与增碳2023年3月27日65使用低碳原材料 纯铁、Ni板、金属Cr等利用碳氧反应 矿石、氧化铁皮等无有效手段 一般无法实施吹氧等手段主要靠烧损 高碳钢时考虑烧损增碳 靠高碳铁合金和石墨第65页/共86页 脱磷脱磷脱磷反应 2P+5(FeO)+4(CaO)=(4CaOP2O5)+5Fe+Q脱P有利条件：a.提高炉渣碱度：(CaO)b.提高炉渣氧化性：(FeO)c.较低熔池温度：脱磷为放热反应 d.加大渣量：降低渣中(P2O5)浓度。脱P地点：炉渣 金属界面 2023年3月27日66第66页/共86页 脱硫脱硫脱硫反应 FeS+(CaO)=(CaS)+(FeO)-Q脱硫有利条件：a.提高碱度：但需保证炉渣具有良好的流动性 b.高温：脱硫为吸热反应 c.低(FeO)：平衡向右进行 d.大渣量：大渣量或多次放渣造新渣，稀释(CaS)浓度脱硫地点：炉渣 金属界面 2023年3月27日67第67页/共86页 脱氧脱氧与氧亲和力顺序CaBaZrAlTiSiVCrMnFeCoSnNiCu2023年3月27日68第68页/共86页方法:沉淀脱氧，扩散脱氧，真空脱氧1.沉淀脱氧：直接向钢液中加入与氧亲和力比铁亲和力大的元素(脱氧剂)，使它夺取溶解于钢中的氧，生成不溶于钢液的氧化物，上浮进入炉渣，从而降低钢中的含氧量，又叫直接脱氧。xMe+yO=(MexOy)特点:操作简便，脱氧速度快，时间短缺点:钢中含有脱氧产物，形成非金属夹杂物，影响质量。方式:将铁合金或纯金属直接加入盛钢桶内或在炉内预脱氧脱氧剂:硅铁，锰铁，铝及硅钙等复合脱氧剂2023年3月27日69第69页/共86页2.扩散脱氧 根据：氧在金属液和炉渣间的分配定率 操作：将脱氧剂均匀铺撒在渣面 优点：钢液较纯净 缺点：操作复杂，脱氧速度慢，时间长2023年3月27日70第70页/共86页 去气（去气（HH、NN）通常无有效去除手段，避免吸入原料及工具要干燥利用碳氧反应降低熔炼温度及时熔渣覆盖吹气2023年3月27日71第71页/共86页 去非金属夹杂物去非金属夹杂物原料清洁，硫、磷、氧含量低熔化过程中减少氧化采用合理有效的脱氧制度调整熔渣成分利于吸收夹杂物夹杂物变性处理利于夹杂物脱除浇铸过程中的夹杂物控制2023年3月27日72第72页/共86页冶炼前准备确定冶炼方法选择原料（钢铁料、合金料、脱氧剂、渣料等）配料计算原料准备浇铸系统的准备2023年3月27日73（5 5）冶炼过程）冶炼过程第73页/共86页补炉出钢后对坩埚进行清理补渣线补出钢槽快补、薄补2023年3月27日74第74页/共86页 装料装料铺底渣提前化渣脱磷预装Si-Fe等以减少元素氧化烧损装金属料下紧上松底部优先装入低熔点原料中部高温区加高熔点合金料大尺寸先加碎料填空隙及开始熔化后加入易氧化炉料根据实际情况加入2023年3月27日75第75页/共86页 冶炼过程冶炼过程熔化期快速熔化补加渣料低温脱磷减少元素烧损熔清取样换渣2023年3月27日76第76页/共86页精炼期调整炉渣成分高温脱硫沉淀脱氧和扩散脱氧加合金调整成分终脱氧取终点样、测温出钢2023年3月27日77第77页/共86页 出钢温度出钢温度2023年3月27日78第78页/共86页出钢与浇铸控制出钢温度快速出钢钢渣混出浇注前镇静2023年3月27日79第79页/共86页 Cr5MoVCr5MoV钢冶炼实例钢冶炼实例2023年3月27日80第80页/共86页 1Cr18Ni91Cr18Ni9不锈钢冶炼实例不锈钢冶炼实例2023年3月27日81第81页/共86页 冶炼注意事项冶炼注意事项熔化过程中补加渣料金属料全熔清后扒渣造渣精炼和换渣脱氧良好的判断补加合金的顺序为防止浇铸二次氧化应适当深脱氧出钢2023年3月27日82第82页/共86页感应炉冶炼特殊操作感应炉冶炼特殊操作（1）脱磷(a)向钢液中加钙或钙合金 3Ca液或气+2P=Ca3P2液(b)利用CaC2-CaF2渣脱磷 (CaC2)=Ca+2C 3Ca+2P=Ca3P2 Ca3P2=(Ca3P2)(c)喷吹钙基脱磷剂 2023年3月27日83第83页/共86页（2 2）氩气精炼与氩氧脱碳）氩气精炼与氩氧脱碳方法底吹上吹2023年3月27日84第84页/共86页2023年3月27日85作用脱气脱氧与脱碳脱除有害元素第85页/共86页2023年3月27日86感谢您的观看！第86页/共86页