电磁冶金原理与工艺概述及感应熔炼课件

主要内容：1.概述2.电磁感应熔炼原理及应用3.电磁搅拌原理及应用4.电磁场在冶金及材料领域的其他应用5.电磁冶金研究方法2024年7月5日11.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2024年7月5日21.1电磁冶金发展概况l电磁冶金学：电磁冶金学：以电磁以电磁热热流体力学为基础，流体力学为基础，研究冶金与材料制备过程电磁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、场应用的工程科学，是电磁学、热力学、流体力学相互交叉的热力学、流体力学相互交叉的学科。学科。l电磁冶金技术：电磁冶金技术：以电磁以电磁热热流体力学为指导，流体力学为指导，采用电磁场对金属材料进行制采用电磁场对金属材料进行制取、凝固、成型及处理的新型取、凝固、成型及处理的新型工程技术。工程技术。2024年7月5日3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（Electromagneticprocessingofmaterials简称EPM）2024年7月5日42024年7月5日52024年7月5日61.2电磁冶金技术分类2024年7月5日7基本原理基本原理材料材料处理的功能理的功能工工艺电磁体磁体积力力形状控制形状控制冷冷态坩坩埚，悬浮熔浮熔炼，立式，立式电磁磁铸造，金属薄膜造，金属薄膜的磁成型，塑性的磁成型，塑性变形（由非均匀磁形（由非均匀磁场形成的形成的变形）形）驱动液体液体电磁磁搅拌，拌，电磁磁泵抑制流抑制流动卓克拉卓克拉尔尔斯基磁力法，磁力制斯基磁力法，磁力制动，薄，薄带的的边部磁部磁控制，抑制波控制，抑制波动悬浮浮水平式水平式电磁磁铸造，非金属造，非金属夹杂物的物的电磁分离磁分离雾化化电磁磁雾化化焦耳焦耳热量量热量生成量生成冷冷态坩坩埚，悬浮熔浮熔炼，磁，磁场加加热楞次定律楞次定律探探测传感器感器综合功能合功能精精炼电磁精磁精炼，非金属，非金属夹杂物的物的电磁分离磁分离凝固凝固组织的控制的控制晶粒晶粒细化，晶粒粗化，化，晶粒粗化，单晶生晶生长，非晶，非晶态金属物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2024年7月5日8过程程电磁力磁力感感应搅拌拌感感应加加热检测/分析分析制制铁选矿机磁力制机磁力制动制制钢连铸铸型流型流动控制控制浇包内熔包内熔钢的的搅拌拌中中间包内熔包内熔钢的加的加热转炉内氧炉内氧质量分数的量分数的测量量超超导电磁磁场连铸铸型流型流动控制控制连铸铸型内熔型内熔钢的的搅拌拌浇包内熔包内熔钢加加热感感应法法检测连铸铸型内型内的液面的液面施加交施加交变磁磁场初期凝固壳的控制初期凝固壳的控制中中间包内包内夹杂物分离物分离的的搅拌拌冷坩冷坩埚内加内加热和熔化和熔化连铸二冷水的流速二冷水的流速检测热轧板、棒的板、棒的结合合边角加角加热，ISPISP板坯加板坯加热表面表面处理理电磁制磁制动连续镀锌线的合金化的合金化处理理流流动控制控制铸型型连续镀锌线干燥炉干燥炉水平磁水平磁场流流动控制控制锌池加池加热制管制管离心式流离心式流动中中间包包钢管管电阻阻焊无无缝钢管管热处理理焊接接焊接熔池的静磁接熔池的静磁场流流动控制控制质量控制量控制感感应电流法表面粗糙度流法表面粗糙度检测，内部，内部夹杂物物检测材料开材料开发强强磁磁场微微观组织的控制的控制2024年7月5日9按所施加磁场分类2024年7月5日101.3电磁冶金技术应用及发展前景1.3.1已成熟应用技术已成熟应用技术2024年7月5日111.3.2正在开发的技术（1）电磁软接触连铸）电磁软接触连铸（2）金属熔体的电磁净化）金属熔体的电磁净化（3）凝固组织电磁控制）凝固组织电磁控制（4）薄带坯连铸电磁侧封）薄带坯连铸电磁侧封 2024年7月5日122.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2024年7月5日132.1感应加热概述l1890年瑞典发明了第一台感应熔炼炉年瑞典发明了第一台感应熔炼炉l20世纪初应用于工业领域世纪初应用于工业领域l20世纪世纪60年代大量应用年代大量应用2024年7月5日14l优点：优点：1.非接触式加热非接触式加热2.加热效率高加热效率高3.容易控制温度容易控制温度4.可实现局部加热可实现局部加热5.可实现自动化控制可实现自动化控制6.可减小占地可减小占地7.热辐射，噪声和灰尘热辐射，噪声和灰尘8.应用广泛应用广泛9.操作灵活操作灵活10.工艺适应性强工艺适应性强l应用：应用：1.金属熔炼金属熔炼2.铸造铸造3.金属压力加工金属压力加工4.金属焊接金属焊接5.金属热处理金属热处理2024年7月5日15感应熔炼2024年7月5日162.2.1电磁感应现象：电磁感应现象：2.2感应熔炼基本原理2024年7月5日172.2感应熔炼基本原理2.2.2法拉第电磁感应定律：法拉第电磁感应定律：2024年7月5日182024年7月5日192.2.3楞茨定律闭合回路中感应电流的方向，总是使它产生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的磁场去阻碍引起感应电流的磁通量的变化。化。N NS SG G2024年7月5日20对于多匝线圈2024年7月5日212.2.4感应熔炼热量的产生l交变电流产生交变磁场l交变磁场产生感生电流2024年7月5日22热量的产生：热量的产生：l焦耳焦耳-楞茨定律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:2024年7月5日232.2.5感生电流特征涡流l涡流：当块状导体处于变化磁场中时，导涡流：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。体内产生电流且自行闭合，称为涡流。l三种效应：三种效应：（1）集肤效应）集肤效应（2）邻近效应）邻近效应（3）圆环效应）圆环效应2024年7月5日24（1）集肤效应2024年7月5日25透入深度：2024年7月5日26l炉料表面得到的单位有功功率：炉料表面得到的单位有功功率：2024年7月5日27不同材料在不同频率的透入深度不同材料在不同频率的透入深度2024年7月5日28电流透入深度的实际意义电流透入深度的实际意义l电流透入深度影响熔炼效率电流透入深度影响熔炼效率2024年7月5日29l炉料尺寸应为电流透入深度的36倍2024年7月5日30频率与炉容2024年7月5日31（2）邻近效应）邻近效应l两根通有交流电的导体靠近时，两导体中两根通有交流电的导体靠近时，两导体中的电流重新分布。的电流重新分布。2024年7月5日32（3）圆环效应）圆环效应l当交流电通过环形线圈时，最大电流密度当交流电通过环形线圈时，最大电流密度出现在线圈内侧。出现在线圈内侧。2024年7月5日332.2.6电磁力的作用（1）“驼峰驼峰”的形成的形成2024年7月5日34（2）“驼峰驼峰”的作用的作用l均匀温度均匀温度l均匀成份均匀成份l促进反应进行促进反应进行2024年7月5日35（3）“驼峰驼峰”的危害的危害l冲刷炉衬冲刷炉衬l二次氧化二次氧化l炉衬增厚炉衬增厚2024年7月5日362.3中频感应炉设备及工艺2.3.1感应熔炼分类l按使用频率分：按使用频率分：1.工频感应炉：使用工业频率（工频感应炉：使用工业频率（50Hz）电源）电源2.中频感应炉：使用频率为中频感应炉：使用频率为15010000Hz电源，电源，常用频率常用频率1502500Hz；3.高频感应炉：高频感应炉：10kHz75kHz；l按是否抽真空：按是否抽真空：1.非真空感应炉非真空感应炉2.真空感应炉真空感应炉l按是否有铁芯：按是否有铁芯：1.有芯感应炉有芯感应炉2.无芯感应炉无芯感应炉2024年7月5日372.3.2中频感应炉设备中频感应炉设备（1）中频电源及供电控制）中频电源及供电控制（2）中频感应炉炉体）中频感应炉炉体（3）配套设施）配套设施2024年7月5日38（1）中频电源及供电控制）中频电源及供电控制l性能稳定性能稳定l操作方便操作方便l自动化程度高自动化程度高l体积小体积小l维护方便维护方便l保证设备安全保证设备安全2024年7月5日39一拖二电源一拖二电源2024年7月5日40（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2024年7月5日41框架与炉壳框架与炉壳l结构稳固结构稳固钢和铝钢和铝l切断磁路切断磁路不能形成回路不能形成回路l减轻重量减轻重量倾动方便倾动方便l重心合理重心合理安全安全l便于观察便于观察安全安全2024年7月5日42倾动机构倾动机构l形式形式液压式液压式机械式机械式l技术要求技术要求平稳平稳操作灵活操作灵活2024年7月5日43感应圈感应圈l电阻小电阻小l绝缘性能好绝缘性能好l通水冷却通水冷却l设计合理设计合理l拆装方便拆装方便2024年7月5日44l材料材料无氧铜（无氧铜（99.99%）l绝缘绝缘耐高温高压绝缘涂层耐高温高压绝缘涂层l感应圈直径感应圈直径l感应圈高度感应圈高度l铜管形状铜管形状矩形或圆形矩形或圆形2024年7月5日45磁轭磁轭2024年7月5日46l作用作用减少漏磁减少漏磁提高效率提高效率防止炉壳发热防止炉壳发热支撑感应圈支撑感应圈l材质材质硅钢片硅钢片l安装安装覆盖感应圈面积覆盖感应圈面积60%2024年7月5日47（3）附属设施）附属设施l水冷电缆水冷电缆重量轻重量轻电流密度大电流密度大温升少温升少损耗低损耗低安装方便安装方便2024年7月5日48l循环水系统循环水系统设置软水或纯水系统设置软水或纯水系统双路供水双路供水应急供水系统应急供水系统保证水压与流量保证水压与流量出水温度小于出水温度小于50C设置水压、水温和流量保护设置水压、水温和流量保护2024年7月5日49l排烟除尘系统排烟除尘系统大型感应炉配置侧排烟罩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中小型感应炉设置车间排烟系统2024年7月5日50（4）炉衬耐火材料）炉衬耐火材料l碱性炉衬 碱性法冶炼 钢及合金氧化镁氧化钙氧化锆l酸性炉衬 酸性法冶炼 铸铁石英砂l中性炉衬高合金钢及有色金属刚玉石墨2024年7月5日51炉衬炉衬l炉内打结炉内打结镁砂打结石英砂打结l炉外预制炉外预制耐火材料预制石墨2024年7月5日52炉衬的质量要求炉衬的质量要求l耐火度与工作温度耐火度与工作温度2024年7月5日53l物化稳定性抗熔渣侵蚀抗钢水侵蚀l耐急冷急热l高温强度高l绝缘性能好l导热性差l无污染l成本低2024年7月5日54感应炉用主要耐火材料感应炉用主要耐火材料2024年7月5日55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2024年7月5日56耐火材料的配比耐火材料的配比2024年7月5日572024年7月5日58使用中的炉衬结构使用中的炉衬结构2024年7月5日59炉衬的烘烤与烧结炉衬的烘烤与烧结2.3.3感应炉熔炼工艺感应炉熔炼工艺（1）感应熔炼基本特点：）感应熔炼基本特点：2024年7月5日60l优点：优点：-品种多品种多-冶炼灵活冶炼灵活-工艺配套方便工艺配套方便l缺点缺点-原料要求高原料要求高-脱磷脱硫困难脱磷脱硫困难-脱碳困难脱碳困难2024年7月5日61（2）冶炼的主要品种及应用）冶炼的主要品种及应用l铸钢铸钢铸造、机械加工行业铸造、机械加工行业l铸铁铸铁铸造、机械加工行业铸造、机械加工行业l精密合金精密合金航空、电子航空、电子l高温合金高温合金航空、电子航空、电子l有色金属有色金属有色冶金有色冶金l科学研究科学研究2024年7月5日62l原料种类原料种类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）感应炉冶炼主要原料）感应炉冶炼主要原料2024年7月5日63l原料要求：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2024年7月5日64（4）感应熔炼的主要任务）感应熔炼的主要任务2024年7月5日65l四脱四脱(C、P、S、O)、二去二去(气气、夹夹)、升温、升温、合金化合金化l脱脱C：C ，硬度、强度、脆性硬度、强度、脆性 l脱脱S、P：有害元素，有害元素，S热脆，热脆，P冷脆冷脆l脱脱O：钢中氧含量过多变脆钢中氧含量过多变脆l去气、夹杂：气去气、夹杂：气(H、N)，非金属夹杂非金属夹杂(氧、硫、氮、硫、磷化合物氧、硫、氮、硫、磷化合物)l升温、合金化升温、合金化 完成任务措施完成任务措施：l供氧供氧、造渣、升温、加脱氧剂、加合金料造渣、升温、加脱氧剂、加合金料脱碳与增碳脱碳与增碳2024年7月5日66使用低碳原材料使用低碳原材料 纯铁纯铁、Ni板、金属Cr等等利用碳氧反应利用碳氧反应 矿石、氧化铁皮等矿石、氧化铁皮等无有效手段无有效手段 一般无法实施吹氧等手段一般无法实施吹氧等手段主要靠烧损主要靠烧损 高碳钢时考虑烧损高碳钢时考虑烧损增碳增碳 靠高碳铁合金和石墨靠高碳铁合金和石墨脱磷脱磷l脱磷反应脱磷反应 2P+5(FeO)+4(CaO)=(4CaOP2O5)+5Fe+Ql脱脱P有利条件：有利条件：a.提高炉渣碱度提高炉渣碱度：(CaO)b.提高炉渣氧化性提高炉渣氧化性：(FeO)c.较低熔池温度较低熔池温度：脱磷为放热反应脱磷为放热反应 d.加大渣量加大渣量：降低渣中降低渣中(P2O5)浓度浓度。l脱脱P地点：地点：炉渣炉渣 金属界面金属界面 2024年7月5日67脱硫脱硫l脱硫反应脱硫反应 FeS+(CaO)=(CaS)+(FeO)-Ql脱硫有利条件：脱硫有利条件：a.提高碱度：提高碱度：但需保证炉渣具有良好的流但需保证炉渣具有良好的流动性动性 b.高温：脱硫为吸热反应高温：脱硫为吸热反应 c.低低(FeO)：平衡向右进行：平衡向右进行 d.大渣量大渣量：大渣量或多次放渣造新渣，稀释大渣量或多次放渣造新渣，稀释(CaS)浓度浓度l脱脱硫地点：硫地点：炉渣炉渣 金属界面金属界面 2024年7月5日68脱氧脱氧l与氧亲和力顺序与氧亲和力顺序CaBaZrAlTiSiVCrMnFeCoSnNiCu2024年7月5日69方法方法:沉淀脱氧，扩散脱氧，真空脱氧沉淀脱氧，扩散脱氧，真空脱氧1.沉沉淀淀脱脱氧氧：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)特点特点:操作简便，脱氧速度快，时间短缺缺点点:钢中含有脱氧产物，形成非金属夹杂物，影响质量。方方式式: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脱氧剂:硅铁，锰铁，铝及硅钙等复合脱氧剂2024年7月5日702.扩散脱氧扩散脱氧 根据：根据：氧在金属液和炉渣间的分配定率 操作：操作：将脱氧剂均匀铺撒在渣面 优点：优点：钢液较纯净 缺点：缺点：操作复杂，脱氧速度慢，时间长2024年7月5日71去气（去气（H、N）通常无有效去除手段，避免吸入通常无有效去除手段，避免吸入原料及工具要干燥原料及工具要干燥利用碳氧反应利用碳氧反应降低熔炼温度降低熔炼温度及时熔渣覆盖及时熔渣覆盖吹气吹气2024年7月5日72去非金属夹杂物去非金属夹杂物原料清洁，硫、磷、氧含量低原料清洁，硫、磷、氧含量低熔化过程中减少氧化熔化过程中减少氧化采用合理有效的脱氧制度采用合理有效的脱氧制度调整熔渣成分利于吸收夹杂物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浇铸过程中的夹杂物控制2024年7月5日73l冶炼前准备冶炼前准备确定冶炼方法确定冶炼方法选择原料（钢铁料、合金料、脱氧剂、选择原料（钢铁料、合金料、脱氧剂、渣料等）渣料等）配料计算配料计算原料准备原料准备浇铸系统的准备浇铸系统的准备2024年7月5日74（5）冶炼过程）冶炼过程l补炉补炉出钢后对坩埚进行清理出钢后对坩埚进行清理补渣线补渣线补出钢槽补出钢槽快补、薄补快补、薄补2024年7月5日75装料装料l铺底渣铺底渣提前化渣脱磷提前化渣脱磷预装预装Si-Fe等以减少元素氧化烧损等以减少元素氧化烧损l装金属料装金属料下紧上松下紧上松底部优先装入低熔点原料底部优先装入低熔点原料中部高温区加高熔点合金料中部高温区加高熔点合金料大尺寸先加大尺寸先加碎料填空隙及开始熔化后加入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易氧化炉料根据实际情况加入2024年7月5日76冶炼过程冶炼过程l熔化期熔化期快速熔化快速熔化补加渣料补加渣料低温脱磷低温脱磷减少元素烧损减少元素烧损熔清取样熔清取样换渣换渣2024年7月5日77l精炼期精炼期调整炉渣成分调整炉渣成分高温脱硫高温脱硫沉淀脱氧和扩散脱氧沉淀脱氧和扩散脱氧加合金调整成分加合金调整成分终脱氧终脱氧取终点样、测温取终点样、测温出钢出钢2024年7月5日78出钢温度出钢温度2024年7月5日79l出钢与浇铸出钢与浇铸控制出钢温度控制出钢温度快速出钢快速出钢钢渣混出钢渣混出浇注前镇静浇注前镇静2024年7月5日80Cr5MoV钢冶炼实例钢冶炼实例2024年7月5日811Cr18Ni9不锈钢冶炼实例不锈钢冶炼实例2024年7月5日82冶炼注意事项冶炼注意事项熔化过程中补加渣料熔化过程中补加渣料金属料全熔清后扒渣金属料全熔清后扒渣造渣精炼和换渣造渣精炼和换渣脱氧良好的判断脱氧良好的判断补加合金的顺序补加合金的顺序为防止浇铸二次氧化应适当深脱氧为防止浇铸二次氧化应适当深脱氧出钢出钢2024年7月5日832.3.3感应炉冶炼特殊操作感应炉冶炼特殊操作（1）脱磷）脱磷(a)向钢液中加钙或钙合金向钢液中加钙或钙合金 3Ca液或气液或气+2P=Ca3P2液液(b)利用利用CaC2-CaF2渣脱磷渣脱磷 (CaC2)=Ca+2C 3Ca+2P=Ca3P2 Ca3P2=(Ca3P2)(c)喷吹钙基脱磷剂喷吹钙基脱磷剂 2024年7月5日84（2）氩气精炼与氩氧脱碳）氩气精炼与氩氧脱碳l方法方法底吹上吹2024年7月5日852024年7月5日86l作用作用脱气脱氧与脱碳脱除有害元素