10kg真空中频感应炉装置设计毕业设计.doc

《10kg真空中频感应炉装置设计毕业设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《10kg真空中频感应炉装置设计毕业设计.doc（32页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、10kg真空中频感应炉装置设计学生姓名： 0000 学生学号： 0000 院（系）： 0000 年级专业： 00000 指导教师： 0000 助理教师： 0000 二一三年六月摘 要目前，随着航天、航空、军工、核电、能源、化工等领域的不断向前发展，不仅特殊钢、精密合金、电热合金、高温合金及耐蚀合金等特殊合金的的需求量越来越大，而且对其质量要求更加苛刻，这就促进了真空感应炉的发展与研究。与其他冶炼方法相比，真空感应炉熔炼能够精确控制所炼钢种或合金的成分；钢或合金中气体和非金属夹杂物的含量水平远远低于其他熔炼方法；真空感应炉的温度相对来说比较容易控制，而控制压力水平就是真空感应炉最显著的特点。本课

2、题研究的对象是10kg真空中频感应炉装置的设计，包括工艺参数的选择，坩埚材料的选择以及尺寸的设计，感应器材料的选择与结构的设计，倾炉机构的选择，冷却系统的设计等，本课题的设计论述出了各部分的设计方法与原则以及计算设计过程和必要的强度校核。关键词 真空，感应炉，设计ABSTRACT At present,with the continuous development of some areas,such as aerospace,aviation,military industry, nuclear power,energy and chemical area, not only the dem

3、and of special alloyheat-resisting alloy, high temperature alloy, corrosion resistant alloyare increasing, but the quality requirements of this special alloy are becoming more stringent.All of this promoted the development and research of vaccum induction furnace. Compared with other smelting method

4、, vaccum induction smelting furnace is able to precisely control composition of steel or alloy, and gas and nonmetallic inclusions in steel or alloy are far below other smelting method.The temperature of the vacuum induction furnace is relatively easy to control, and control the pressure level is th

5、e most distinguishing feature of vacuum induction furnace.This research sets the target of 10 kg vacuum intermediate frequency induction furnace equipment design, including the selection of process parameters, the selection of crucible materia and size design, material selection and structure design

6、 of sensors, furnace tilting mechanism and cooling system selection. the topics addressed in the design of the various components of the design principles and calculation methods and design process and the necessary degree of intensity.Key words vacuum, induction furnace, design目 录摘 要IABSTRACTII1 绪

7、论11.1 真空中频感应炉概述11.2 国内外真空感应炉使用状况及发展趋势11.3 真空感应熔炼炉设计特点21.4 本课题研究的目的及意义22 真空中频感应炉冶炼工艺32.1 装料32.2 熔化期32.3 精炼期32.3.1 精炼温度42.3.2 真空度42.3.3 精炼时间42.4 出钢和浇注53 10kg真空中频感应炉设计理论计算63.1 计算所需要的原始数据63.2 配料计算73.2.1 全部使用新料73.2.2 使用部分返回料93.3 真空感应炉炉衬耐火材料93.3.1 真空感应炉用耐火材料的工作条件和特点93.3.2 感应炉坩埚材质93.3.3 坩埚制作方法103.4 坩埚尺寸计算1

8、03.4.1 确定坩埚的总体积和金属液的体积103.4.2确定坩埚几何尺寸113.5 感应器123.5.1 确定感应器的直径123.5.2 确定感应器的有用功率133.5.3确定感应器的高度133.5.4 感应器截面形状的选择143.5.5 感应线圈铜管匝数的计算143.6 电源频率的选择153.7 磁轭173.8 水冷系统193.9 感应器与炉料系统的热计算203.10 倾炉机构223.11 真空系统233.12 炉壳23结 论25参 考 文 献26结 论271 绪 论1.1 真空中频感应炉概述真空感应熔炼（VIM）就是在真空条件下，利用电磁感应在金属液导体内产生涡流加热炉料进行熔炼的方法。

9、一般应用于金属及合金的冶炼、提纯、精炼及处理。真空冶金可保护金属液不被大气中氧等气体物质污染、分离沸点不同的物质并可降低金属中的气体或其他杂质含量等，可以实现在大气压下无法实行的冶炼过程，提高冶炼金属及合金的质量。随着科学技术的进步，对材料的性能要求越来越高，真空感应炉冶炼为新材料的生产提供了保证，满足了市场需求。为了适应尖端技术对高性能及新型金属材料的需求，真空冶金已成为现代冶金的一个重要领域。第二次世界大战期间和战后，正是由于各国对高性能金属材料及新型金属材料的需求，真空冶金技术的到了快速的发展。中国的真空冶炼在20世纪50年代后期开始的，到目前，我国的真空冶金已经处在快速发展阶段。 新型

10、真空感应炉熔炼又称为真空感应脱气浇铸VIDP（vacuum induction degassing pouring）,其具有熔炼室体积小，抽真空时间和熔炼周期短，便于温度压力控、回收易挥发元素和准确控制合金成分等特点1,6。1.2 国内外真空感应炉使用状况及发展趋势 真空感应炉是特殊钢、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，在航天、航空、军工、核电等领域的材料生产中起着重要的作用。近年来，我国铸件常量一直位居世界首位，连续几年位居世界第一。我国的钢产量和铸件产量都位居世界前列，但优质钢，高档铸件尚需从国外进口。因此，多方面提高我国冶炼设备的装备水平及其技术水平是十

11、分必要的。多功能真空感应炉，有利于提高铸造用钢的质量，增加铸造钢和合金的品种，最终目的是为了提高现有冶金装备与技术水平以及材料质量，得到高水平的优质产品。真空感应炉随着高产量、高生产率、高质量的要求，冶炼过程和操作又都需要在真空室内完成，容积和体积就越来越大，功能也越来越完善，加上计算机软降的发展，自动化程度也越来越高，即出现了多功能真空感应炉。很多国内钢铁公司、铸造企业乃至高校和研究院，都在增添多功能真空感应炉，可以认为，多功能真空感应炉具有广泛的应用前景。紧凑型真空感应炉( VIDP) 在与其他浇注系统组合方面, 有很强的适应性, 从而扩展了真空感应炉的功能, 实现了一机多用, 提高了综合

12、经济效益4,5。主要有以下几种： 真空感应炉与粉末雾化和吹氩工艺的组合； 真空感应炉与铸锭、电极铸造、垂直连铸和粉末雾化的多重组合； 真空感应炉与铸锭、电极铸造和水平连铸的组合。1.3 真空感应熔炼炉设计特点在设计、制造和使用真空感应炉时，应紧紧抓着“真空”这一特性。选择炉体内部件的材料时，应注意这些材料在真空中的性质，不要选择容易“放气”的材料。在感应器的结构中应尽量避免出现尖角、锐棱等部位，位于炉内的所有带电体的表面都应该圆滑并经绝缘处理，以避免真空放电。电极引线可用同轴线，但必须考虑密封。坩埚材料应根据被熔炼金属性质选定，可以 使用由于容易氧化而一般不在空气中熔炼时使用的材料。例如，石墨

13、作坩埚材料。为加速真空除气，坩埚深度与平均内径之比值应比非真空感应熔炼炉的相应值小，一般取坩埚深度与平均内径相等。真空熔炼的目的，主要在于能使液态金属得以充分脱气，儿熔体又不会被氧化，因此应使被熔炼金属液得到足够强的搅拌力，从而应选择较非真空炉低的工作平率。如果采用石墨坩埚，那么选择的工作频率应使电流在石墨中的投入深度等于坩埚厚度的1.52倍3。1.4 本课题研究的目的及意义 本课题，通过查阅有关资料，了解国内外真空感应炉发展状况，设计真空感应炉装置，有益于我们利用所学的专业知识解决实际问题，对真空中频感应炉的工作原理、构造、工作流程等有更深入的认识和理解，为今后从事相关的工作或进一步深造打下

14、扎实基础。此外，随着我国对真空冶炼的研究，提高铸造用钢合金钢产品的质量，得到高水平的产品，从而提高国防事业以及人民生活质量，因此研究真空冶金具有很多实际意义。2 真空中频感应炉冶炼工艺真空感应炉熔炼的整个周期可以分为以下几个五主要阶段，即装料、熔炼、精炼、合金化和脱氧浇注等1,2,11。2.1 装料真空感应炉所用的炉料，一般都是经过表面去锈和去油污后的清洁干燥原料，而大部分合金元素以纯金属形式加入。加料时，严禁使用潮湿的炉料，以免影响成品的质量和在熔炼时发生喷溅。装料时，应做到上松下紧，以防止熔化过程中上部炉料因卡住或焊接住而出现“架桥”；高熔点又不易氧化的炉料，应装在坩埚的中、下部高温区。大

15、炉子装料时，应分几次加入，而且要注意炉料对坩埚壁的冲击。易氧化的的炉料，应在金属液脱氧良好的条件下加入；为减少易挥发元素的挥发损失，可以以合金的形式加入金属熔池中，或在熔炼池中充入一定量的惰性气体（如氦气），以保持一定的炉内压力。对于大容量的炉子，可以采用热装，热装料法是将炉料预先在感应炉或电弧炉中按成分要求熔化，然后将钢液注入真空感应炉内进行冶炼。这种热装料法的优点是可以用较差的炉料，在熔炼炉内可以除磷和硫等杂质，感应炉内省去了熔炼期，总的冶炼时间可以缩短1/3，大大提高了大型真空感应炉的生产效率。2.2 熔化期对于连续式生产真空感应炉，装料完后，即可送电进行熔化。熔化期的主要任务是熔化炉料

16、。熔化初期，由于感应电流的集肤效应，炉料逐层熔化。这种逐层熔化非常有利于去气和去除非金属夹杂物，所以熔化期要保持较高真空度和缓慢的融化速度。熔化期由于有大量的气体析出，要保证真空系统有足够的抽气速度。如果熔化速度过快，气体将急剧地从钢液析出，容易引起钢液喷溅。喷溅的钢液会使上部未熔化的炉料粘结在一起，出现架桥现象。不同容量真空感应炉熔化速度见表2.1。当金属液全部熔化，熔池表面无气泡逸出的时候，熔炼就进如精炼期。表2.1 不同容量真空感应炉熔化速度容量/t0.20.5122760熔化速度/th-10.10.22.2.73.152.3 精炼期精炼期的主要任务是提高金属液的纯度以及进行合金化操作。

17、同时，还要调整熔池的温度和进行合金化。随着精炼期的延长，熔体中氧含量氧迅速降低，沸腾慢慢地减弱，最后钢液面处于平静状态。这时微量有害杂质元素继续挥发，夹杂物部分分解去除。精炼后期，在充分脱氧和脱氮条件下，钢液中气体及夹杂物含量降低到较低水平时，加入活泼元素和微量元素，使钢液成分达到出钢要求。活泼元素的加入顺序为Al、Ti、Zr、B、Re。加入是温度要调整到结膜温度，防止这些元素与钢液中的氧反应，大量放热，使钢液过热。加入活泼元素时。应做到均匀、缓慢，以免钢液产生喷溅，加入后用大功率搅拌钢液12min，以加速合金的熔化和分布均匀。由于锰的挥发性很强，一般在出钢前35min加入。镁和钙要以中间合金

18、形式加入，这样可以大大提高回收率。精炼期的主要工艺参数有精炼温度、精炼时间、精炼真空度。为了顺利完成精炼期的任务，必须控制好这些工艺参数。2.3.1 精炼温度 精炼温度影响坩埚内所进行的所有的反应。升高温度有利于氮氧化物的分解，可以降低钢液中的氮含量。升高温度有利于脱氮反应的进行，也有利于微量有害杂质元素的挥发。但精炼期的温度不能过高，防止钢液与坩埚之间反应加剧。同时，高温还会加速合金成分的挥发损失。因此，在精炼期应严格控制熔池温度，通常合金钢的精炼温度控制在所炼合金熔点以上100。熔点tR的计算公式如下：tR=1535-65C+30P-25S-20Ti-8Si-7Cu-5Mn-2.5Ni-2

19、.7Al-2V-1.7Mo- 1.5Cr-1.7Co-1W-1300H-90N-80B-80O-5Ce-6.5Ni2.3.2 真空度真空熔炼的精炼期，提高真空度将促进碳的脱氧反应。随着一氧化碳气泡从金属熔池中的上浮排除，有利益N、H的析出，以及非金属夹杂的上浮，所以真空度的高低直接影响着所炼产品的纯净度。但是，过高的真空度将会导致坩埚耐火材料与金属液相互作用的加剧，合金元素的损失增大。所以，精炼期的真空度并非越高越好。对大型真空感应炉，精炼期真空度通常控制在12150Pa范围内。而对于小型炉，一般控制在0.11Pa范围内。2.3.3 精炼时间所有精炼反应都有一定的速度，所以精炼时间越长，反应进

20、行就越趋于平衡。当被脱出的元素在精炼过程中没有来源时，则随着精炼时间的延长，这些元素的含量就会越来越低，只是脱除的速度越来越小。对于O含量，因为有坩埚材料的供氧，所以金属熔池中的氧含量随着精炼时间的变化取决于脱氧速度与供氧速率之和 。在真空保持的最初阶段，脱氧速率大于供氧速率，所以氧的含量是下降的，到一定时间后，供氧速率就大于脱氧速率，氧降到最低值的时间也就是精炼时间。2.4 出钢和浇注 合金化结束后，坩埚中金属液达到目标成分和温度后，真空室内的真空度也符合技术要求的规定，即可以出钢。浇注到保温帽时，及破真空，立即打开真空室加发热剂和保温剂。对于成分复杂的高温合金，浇注后在真空下停留1520m

21、in，再破真空。对于大型连续式真空感应炉，铸锭可以让它在真空下冷却。3 10kg真空中频感应炉设计理论计算3.1 计算所需要的原始数据 1) 已知炉料材质，即被融化金属或合金的名称、成分，据此可由有关资料查出炉料的物理参数： 本课题以超低碳型奥氏体不锈钢00Cr18Ni9为基础,其化学成分见下表表3.1 00Cr18Ni9化学成分7 （%）CSiMnCrNiSP0.031.0217198100.0300.035表3.2 00Cr19Ni10计算成分A7 （%）CSiMnCrNiSP0.020.81.51890.0250.030表3.3 炉料的种类及其成分1炉料化学成分 /%CSiMnPSCrN

22、iAlFe电解镍0.030.0010.01099.9其余电解锰0.0399.30.0010.013其余硅铁0.0447.30.30.0250.04其余铬铁0.060.390.0540.00369.2其余工业纯铁0.030.030.10.0110.015其余铝0.1899.82融化温度tR=1435；浇注温度tJ=1535。 为了简化这以所炼钢种的成分代替炉料成分计算熔点，根据表3.2得1： tR=1535-65C+30P-25S-20Ti-8Si-7Cu-5Mn-2.5Ni-2.7Al-2V-1.7Mo -1.5Cr-1.7Co-1W-1300H-90N-80B-80O-5Ce-6.5Ni =

23、1535-650.02+300.03-250.025-80.8- 51.5-1.518-6.59 =1435而浇注温度一般比熔点高100，因此， tJ=tR+100=1435+100=1535 式（3.1）查3表附表一得炉料在浇注温度时的热含量qJ=660.4千卡/公斤；常温时炉料的比热qB=0.5103千卡/公斤度7；炉料在冷态（常温）时的电阻率L=0.0013欧姆厘米7；炉料在热态（融化或浇注）时电阻率R=0.016欧姆厘米7；相对导磁率：冷态rL=35.0，热态rR=4.71；炉料的比重：冷态L=7.9，热态R=7.5，克/厘米3。2）炉子容量，GG=10公斤；和熔炼时间R=0.5小时。

24、 3）炉料粒度，4896mm。3.2 配料计算 在真空感应炉熔炼中，要将多余的元素（包括磷、硫等杂质）去除，要比电弧炉熔炼时困难的多。为此在真空感应炉熔炼时，就不安排去除多余元素的冶炼任务了，要求定量地知道入炉的每种炉料的成分，并通过计算以保证最终产品的成分达到预定的成分。3.2.1 全部使用新料下面以100kg炉料为基准进行配料计算。根据熔炼工艺特点确定元素回收率P列于表3.4中。在100kg炉料中，合金元素的需要量为： 式（3.2）式中A为计算成分。计算结果列于表3.4中。钢种成分选用炉料，炉料种类及其成分列于表3.3中。表3.4 合金元素回收率和需要量2计算内容化学成分 /%CSiMnC

25、rNiSP回收率 P/%50909598100100100需要量/kg 0.040.891.6718.3790.0250.030 各种炉料需要量计算如下：电解镍 999.9%9.01 (kg) 由此带入的碳、硫、磷量为： C 9.010.03%0.0027(kg) ； S 9.010.01%0.0009 (kg)； P 9.010.001%0.0009 (kg) 铬铁 18.3769.2%26.55 (kg)由此带入的碳、硫、磷、硅量为： C 26.550.06%0.0159 (kg) ； S 26.550.003%0.00080 (kg)； P 26.550.054%0.0143 (kg)；

26、 Si 26.550.39%0.1035 (kg)硅铁量的计算。铝、工业纯铁和铬铁中含有硅，忽略铝中的含量，工业纯铁的量按照估计值带入，则硅铁量为: 0.89-0.1035-（100-9.01-26.55）0.03%47.3%=1.632(kg)由硅铁带入的碳、硫、磷、锰量为： C 1.6320.04%0.00065 (kg) ； S 1.6320.04%0.00065 (kg)； P 1.6320.025%0.0004 (kg)； Mn 1.6320.3%0.00490 (kg)同理，点解锰量为： 1.67-0.00490-（100-9.01-26.55-1.632）0.1%99.3%=1.

27、614(kg)由电解锰带入的碳、硫、磷量为: C 1.6140.03%0.00048 (kg) ； S 1.6140.013%0.00021 (kg)； P 1.6140.001%0.000016 (kg)则工业纯铁量为： 100-9.01-26.55-1.632-1.614=61.194(kg)由工业纯铁带入的碳、硅、锰、硫、磷量为： C 61.1940.03%0.0183(kg) ； S 61.1940.015%0.00920 (kg)； P 61.1940.011%0.00673 (kg)； Mn 61.1940.1%0.061 (kg)； Si 61.1940.03%0.0183 (k

28、g)将计算所得工业纯铁量带回上述硅铁、电解锰计算式，再次核定硅铁、电解锰加入量，硅铁量为1.624(kg)，电解锰为1.615(kg)并再次核算工业纯铁量，核定为61.20(kg)铝： 用铝终脱氧加入量为0.05%，则：Al 0.1%100=0.05(kg)将以上计算内容逐项填入配料平衡表中。表3.5表明，C、S、P没有超标，其他合金元素量都满足要求。表3.5 100kg炉料的配料计算平衡炉料加入量/kg化学成分 /%CSiMnPSCrNiAl电解镍9.010.00270.000100.000909电解锰1.6150.000481.600.000020.00021硅铁1.6240.000650

29、.7680.004870.000400.00065铬铁26.550.0160.10350.014300.0008018.37工业纯铁61.200.0180.0180.06120.00670.00918铝0.05100合计（不含吕）1000.0380.8901.6700.02150.011718.379 表中，碳的含量大于0.03%，但由于真空感应炉冶炼的钢种碳回收率远小于50%，因此符合要求。 假设钢液浇注成1只重量为9kg的钢锭，并假设钢液在熔炼及浇注过程损失率为10%，则装入量为： m=91.10=9.9 (kg)当装入量为9.9kg时，平衡表中各种元素或特合金加入量乘以系数0.099，则

30、各种炉料量如表3.6所示。表3.6 各炉料量（kg）炉料电解镍电解锰硅铁铬铁工业纯铁加入量0.890.160.162.636.063.2.2 使用部分返回料有时利用返回料进行熔炼钢种，可分为以下三种情况： 返回料与熔炼钢种的成分相似； 返回料中相应成分低于熔炼钢； 返回料成分高于相应成分。以上三种情况中，只有最后一种情况返回料的用量受到限制，在这本课题不对此作讨论。3.3 真空感应炉炉衬耐火材料3.3.1 真空感应炉用耐火材料的工作条件和特点在冶炼过程中炉衬耐火材料反复受到急冷急热，金属液对炉衬耐火材料产生强烈的机械冲刷，而且炉衬材料的温度梯度非常大。因此，炉衬耐火材料必须具有以下特性10：

31、具有足够高的耐火度和荷重软化温度，具有良好的化学稳定性，不易与金属熔渣及其熔化时所存在的成分等发生反应。 具有良好的热震稳定性。 具有高的高温机械强度。 材料的施工性能良好，填充密度高，不易被熔液润湿和渗透，不易产生炉内结瘤，维修方便，具有良好的隔热性和绝缘性。 资源丰富，便宜，而且材料要不容易“放气”。3.3.2 感应炉坩埚材质 真空感应炉坩埚有三种类型，即碱性坩埚、酸性坩埚和中性坩埚。用于制作碱性坩埚的耐火材料一般为氧化镁，用于制作中性坩埚的材料有氧化铝、MgOAl2O3复合氧化物、石墨等，但用于制作酸性坩埚的材料只有氧化硅。常用坩埚材料的允许使用最高工作温度见表3.7。表3.7 常用坩埚

32、耐火材料的允许使用的最高工作温度2坩埚材料矿物成分/%熔点/最高工作温度/备注锆英石ZrO2SiO29525501650中性普通镁砂MgO9020001700碱性电容镁砂MgO9823001800碱性锆英石ZrO2SiO29525501650中性尖晶石MgO70,Al2O33021351800弱碱性真空感应炉一般选择电熔镁砂作为坩埚材料，下表为电熔镁砂的成分和性能。表3.8 电熔镁砂的成分和性能2等级成 分/%灼烧减量/%真密度/gcm-3MgOCaOSiO2Fe2O3+Al2O3197980.71.01.00.253.57296971.01.51.50.303.56394961.52.52.

33、00.403.55492941.53.52.50.403.54表3.8中，1、2级产品可用作真空感应炉坩埚材料,本设计选择2级电熔镁砂。隔热层材料本课题选择石棉板。3.3.3 坩埚制作方法 坩埚制作方法有3种：炉外成形预制坩埚是将砂料装入磨具内加压制成，适用于容量较小的感应炉；炉内成形坩埚时利用手工或机械的方法在炉内打结制成，适用于中小型感应炉；砌筑式坩埚时用耐火材料砖和填料在炉内砌筑而成，适用于大容量感应炉。本课题所设计的真空感应炉容量为10kg，因此，本课题选择在炉外成形预制坩埚。3.4 坩埚尺寸计算3.4.1 确定坩埚的总体积和金属液的体积 实际上，由于金属液的搅动和可能的超装，坩埚的装

34、料体积应比有效容积大25%30%。为了简化运算, 以所炼钢种固态体积代替钢液体积。 金属液体积 式（3.3） 总体积 式（3.4） 式中 rm熔融金属比重，克/厘米3； GG炉子额定容量，公斤； K液态金属占坩埚体积率,一般为2/33/4。 3.4.2确定坩埚几何尺寸 确定坩埚尺寸是，应考虑的一些主要因素如下3：1） 坩埚的高度和直径必须有一定比例，坩埚高度偏矮时，坩埚内的电磁场强度便分布不均匀，而无法实现稳定熔炼，而且占地面积比较大。对于真空感应炉来说，则要求有较大的炉室容积。2） 坩埚的高度偏高时，线圈匝数增多，装料、浇注多有不便，而且漏磁通增加，效率降低。3） 打结坩埚时，为了便于拔出模

35、具，坩埚必须具有一定锥度。坩埚内径应上大下小，一般锥度应大于1%，但为增加坩埚强度及便于制作感应器，坩埚外经应该大小一致。4） 本课题设计的熔炼炉采用圆无芯形坩埚，其各部分尺寸如图所示：图3.1 圆形无芯坩埚1由于坩埚内径D和有效高度H（即金属熔体高度）有一个合适比值A=D/H。一般可根据经验来确定A值，坩埚容积越小比值越小这样便有一定高度来布置线圈，因而小容量炉子的高度通常比直径大得多 。设计可参考下表来确定A值。表3.9 A值和c/D值选择表炉子容量，公斤3000A=D/H值0.50.70.70.750.750.80.81c/D值0.160.250.140.200.120.160.10.1

36、5 式 （3.5） 式（3.6） 式（3.7） 式中 H熔体高度，即坩埚有效高度； HG坩埚的高度。 3.5 感应器感应器（感应线圈）是真空感应炉的关键部分，电源通过感应器把功率传递到冶炼的金属炉料中。3.5.1 确定感应器的直径炉衬厚度与炉子的容量有关，确定炉衬厚度C值时，必须考虑两个因素：一是尽量减少炉子的无功损耗，C值越大，炉子的无用功损耗就越大，从减少无用功损耗、提高炉子功率因素的角度出发，C值越小越好；二是坩埚必须具有足够的机械强度和一定的寿命，这显然C值大一点好。同时，绝缘层应保证能耐受线圈的工作电压，由于隔热层太薄会带来大量的热损失，且对感应线圈的工作不利，所以z也不能太小。总之

37、，感应器线圈与炉料之间的距离，即炉衬的厚度，应在保证炉衬具有足够长的使用寿命和较高的热效率的条件下尽可能短，以提高炉子的电效率和功率因素3。感应器的内径D1与坩埚内径D、壁厚及隔热绝缘层的厚度有关，即 D1=D+2G+2z=D+C 式（3.8）式中 G坩埚壁厚（平均值），厘米； z隔热和绝缘层厚度，一般为0.40.8厘米; C=G+z炉衬厚度，厘米。一般可以参照表3.9C/D值选择G，分别确定G、z的值取 z=0.5，C/D=0.25则 C=0.25D=0.259.33=2.33 （厘米） G=C-Z=2.33-0.5=1.83 (厘米)则感应炉内径， D1 =D+2C=9.31+22.33=

38、13.97 (厘米)坩埚外径， D3 =D+2G=9.31+21.83=12.99 （厘米）感应器内径， D2=D+2d0=13.9+21.96=17.8 （厘米） 其中，d0是铜管的外径，根据后面3.5.5节计算得d0=1.96厘米。3.5.2 确定感应器的有用功率感应炉的有用功率PR表示单位时间内，电源通过感应器传给炉料的能量，其中包括感应器本身的热损失。PR值决定于生产、金属的热容量及炉子的热效率。确定PR值时，可以先假设炉子的热效率，利用炉子额定容量进行近似计算，然后根据热量平衡方式进行感应器炉料系统的热计算结果来校正1。已知炉子额定容量GG=10（公斤），则 （3.9） 式中 R炉子

39、的热效率，通常可取0.70.9.炉子的热效率表明感应器传给 炉料的能量被利用的程度，一般，炉子容量小，热效率较低，应取 小值;在这取0.7; R炉料的熔炼时间，小时；在这取0.5小时。 860电热当量，即每一千瓦小时电能相当于860千卡热量； qJ炉料在浇注时的热含量，千卡/公斤。 为了简化，在这直接用00Cr18Ni9不锈钢代替炉料计算qJ，通过表2.2计算00Cr18Ni9的熔点，而浇注温度一般在熔点以上100左右。 查表得，00Cr18Ni9在浇注温度1535 时的含热量为660.4千卡/公斤。 3.5.3确定感应器的高度 感应器的高度H1可以由已选定的熔体高度H求得，因为感应器要保证坩

40、埚内部的炉料充分加热，就必须使所有炉料处于感应器产生的电磁场中。对中频感应炉通常让感应器完全包围炉料，即选用 H1=(1.11.3)H 式（3.10） 按上式得到的H1值，对融铝、镁、锌感应炉取小值，熔铜、钢、铸铁感应炉取较大值。对于本课题设计的真空感应炉取， H1=1.3H=1.318.62=24.2（厘米）坩埚的各项尺寸如下图所示（单位：厘米）： 图3.2 圆形无芯坩埚各项具体尺寸3.5.4 感应器截面形状的选择感应线圈材料一般都选铜管，铜管可以由各种形状：圆管、扁圆管、方形管、长方形管、偏心方空管和偏心圆孔管等。图3.3 感应器用铜材截面形状无芯真空感应炉一般采用密绕的圆筒形状。因此，本

41、课题也选用圆筒形状。3.5.5 感应线圈铜管匝数的计算感应器传递功率的能力取决于电流通过感应器所产生的磁场强度，也即感应线圈的匝数。为了的到大的加热功率，流过感应器的电流很大，以致在感应器中的点损失可达到炉子有用功率的2030%。这一部分损失将变为很大的热，加上由被熔金属通过炉衬传来的热量，就使得在一般情况下必须对感应器进行强制冷却。因此，感应器要用空心铜管制成，里面通水冷却。 感应器在工作时，由于集肤效应，电流大部分集中在向着炉料的一侧。从经济上的合理性以及由电磁场理论推出的电能损失最小条件考虑，都要求感应器面对炉料一侧的铜管壁厚，即所谓最佳壁厚 j=1.57，为电流渗透深度，实际上一般可取j1.3即可。各种频率下铜管壁厚的最佳值和一般选用值见下表。表3.10 感应线圈铜管的内侧壁厚选用表2渗透深度及壁厚，毫米电源频率，赫兹50100150200400500100025008000渗透深度10.17.15.85.03.63.22.31.40.8最佳壁厚15.911.29.17.95.753.62.21.3壁厚的一般选用值1020912710694.56.546352412 因本课题设计的真空感应炉频率为2500Hz，所以选择壁厚j=2.2mm感应器铜管的长度与谐振电路的电感L有关。应为XL=L=R=