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1、材料电磁加工技术Electromagnetic Processing of Materials-EPM,2,第三讲,感应炉熔炼的基本原理及其工艺技术,3,各类感应炉，无论是有芯感应炉还是无芯感应炉，也不论工频、中频、还是高频，其基本电路都是由变频电源、电容器、感应线圈和坩埚中的金属炉料所组成(图4-1)。,图4-1 感应炉的基本电路,感应炉工作原理,4,（1）感应加热原理感应加热的原理是依据下述两则电学的基本定律：一是法拉第电磁感应定律另一条基本定律是焦耳楞茨定律。该定律又称为电流热效应原理。焦耳楞茨定律可写成式(4-3)的形式：Q=I2R t(4-2)式中：Q焦耳楞茨热，J；I电流强度，A；
2、R导体的电阻，；t导体通电的时同，s；,感应炉工作原理,(4-1),5,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，磁感应强度和交变的频率，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的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)，其大小可用下式确定：E=4.44 f n(4-3)式中：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；,感应
3、炉工作原理,6,由上式可知，若要使炉料中产生较大的感应电势，从理论上可以采用增加磁通量、频率以及匝数的方法，但是，由于感应线圈通电后所产生的磁力线被迫通过空气（指无芯感应炉），而空气有很大的磁阻，所以就使磁通量较小，增加磁通量有困难，而炉料的匝数一般来说总等于l，故为了提高感应电势，多用增加频率的方法。由于金属炉料本身形成一闭合回路 t，所以在金属炉料中产生的感应电流（I）为：I=.A(4-4)式中：R一金属炉料的有效电阻，；炉料的加热速率，取决于感应电流、炉料的有效电阻以及通电时间。而感应电流又取决于感应电动势的大小，即穿过炉料的磁通量的大小和交变电流的频率。而感应电流的大小取决于金属炉料料
4、块的大小、炉料的导电性质以及装料的密实程度，不同炉料要求频率不同。,感应炉工作原理,7,（2）电磁搅拌作用当炉料中流过感应电流时，必然会受到电磁力的作用。使金属炉料产生定向运动，即“电磁搅拌”作用，它的作用如下：1）均匀金属液的温度；2）使金属液均质；3）改善了物化反应的动力学条件。,感应炉工作原理,8,感应炉可以分为有芯和无芯两种，有芯感应炉在炼钢中极少应用，这里不作介绍。对于无芯感应炉，通常按照电源频率可以将感应炉分为三种类型:工频炉（频率50或60Hz），直接通过变压器与电网相连，主要用于熔炼铸铁；中频炉（频率150Hz10000Hz），所用电源为中频发电机组、三倍频器或可控硅静止变频器
5、；高频炉（频率10KHz300KHz），所用电源为高频电子管振荡器，主要用于小型试验室研究 中频感应炉的成套设备包括：电源及电器控制部分、炉体部分、传动装置及水冷系统,感应炉工作设备,9,4.1 感应炉熔炼的特点,10,（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，也没有电弧下的局部过热区，从而杜绝了电极增碳的可能。感应炉可以熔炼电弧炉很难熔炼的含碳量极低的钢和合金，为获得气体含量低的产品创造了有利条件。（2）熔池中存在着一定强度的电磁搅拌。电磁感应所导致的金属搅拌促进成分与温度均匀，钢中夹杂合并、长大和上浮。感应炉熔炼过程中合金元素的烧损少，所以预测成分较为准确，
6、有利于成分控制和缩短熔炼时间。（3）熔池的比表面积小。这对减少金属熔池中易氧化元素的损失和减少吸气是有利的，所以感应炉为熔炼高合金钢和合金，特别是含钛、铝或硼等元素的品种，创造了较为良好的条件。但是容易形成流动性差，反应力低，不利于渣钢界面冶金反应的进行的“冷渣”。为此，感应炉熔炼对原材料的要求较为严格。,4.1 感应炉熔炼的特点,11,（4）输入功率调节方便。感应炉熔炼过程中，可方便地调节输入功率。因此可以较精确地控制熔池温度，在炉内保温，还可以分几次出钢，为一炉熔炼几种不同成分的产品创造条件。（5）同一电源可向几个不同容量的炉座供电(但是不能同时)，所以在冶炼的容量方面，感应炉的灵活性较电
7、弧炉大。（6）热效率高。感应炉的加热方式以及比表面积小，散热少，故感应炉的热效率较电弧炉高。但是，感应炉的电效率较电弧炉低，所以两种电炉的总效率相差不多。（7）烟尘少，对环境的污染小。感应炉熔炼时，基本上无火焰，也无燃烧产物。（8）耐火材料消耗较电弧炉高，坩埚寿命短。对坩埚耐火材料的要求高，所以每吨钢的耐火材料费用也较电弧炉高。,4.1 感应炉熔炼的特点,12,4.2.1 元素的氧化与脱氧的基本原理氧在钢液中以两种状态存在。一种是溶解态的氧，以O表示，氧的溶解度随温度升高而增大。另一种是氧在钢液中以夹杂物形态存在，当钢液中存在脱氧元素时，溶解在钢液中的氧就会与之结合而生成氧化物夹杂。钢液中氧的
8、来源主要有3个方面，熔炼和浇注过程大气中氧的侵入、原材料带入、耐火材料中的氧进入。,4.2 感应熔炼过程中元素的氧化与脱氧,炼钢的基本任务：四脱二去，脱碳、磷、硫、氧，去气和非金属夹杂，合金钢合金化。感应炉不具备脱碳、磷、硫的条件，其原材料必须使用返回料，或符合脱碳磷硫条件的金属料。熔化后进行脱氧、合金化，配以炉外精炼调整成分。,13,4.2 感应熔炼过程中元素的氧化与脱氧,(FeO)=O+Fe K=%O/a(FeO)(4-5)式中，a(FeO)渣中氧化铁的活度，即渣的氧化性分配系数K随温度的升高而增大，(FeO)一定，随温度升高，O含量升高。4.2.1.1 钢液脱氧（1）氧在液体钢中溶解度较
9、大，而固体钢中很小（如凝固后的奥氏体钢中氧的溶解度只有0.002%-0.003%）危害：氧以氧化物夹杂形式存在于钢中，使钢的塑性韧性下降。（2）氧在钢液中的溶解度随温度的降低而减小。危害：当钢液在钢锭模内凝固时，选分结晶导致较纯的金属先结晶凝固，把杂质推向未凝固的钢液，使钢液中CO发生偏析而聚集，引起碳的再氧化，生成CO气体，使钢锭内部产生气泡，严重时造成钢锭冒涨甚至不能浇注，直接影响镇静钢的钢锭质量。（3）钢锭中氧使硫的危害作用增加。危害：FeO与FeS可以生成940低熔点共晶，造成钢锭轧制产生热脆。,14,4.2.1.1 脱氧的基本任务去除钢中的过剩氧，同时完成调整钢的成分和合金化的任务。
10、一次脱氧产物：钢液中加入脱氧剂进行脱氧时，产生的1-40m的细小夹杂物，以弥散方式存在与钢液中。危害：一次脱氧产物的夹杂物在之后的铸锭过程中，由于脱氧反应继续进行，会继续长大，必然影响钢的质量。所炼钢种不同，脱氧程度也有所区别。例如，为了得到致密的镇静钢，钢锭模中钢液的含氧量应该很小，少到结晶时CO不能析出，实现平静的结晶凝固成锭，要求脱氧尽可能彻底。,4.2 感应熔炼过程中元素的氧化与脱氧,15,各种脱氧方法的基本特点4.2.2.1 沉淀脱氧1）沉淀脱氧的原理。沉淀脱氧是指向钢液中加入对氧亲合力大于铁的元素，以期与钢液中的溶解氧发生化合，形成不溶于钢液的氧化物，该氧化物借助于浮力自钢液中排出
11、，从而使钢液的含氧量降低的方法。2）沉淀脱氧剂的种类及使用范围：常用的沉淀脱氧剂，主要包括纯金属脱氧剂、镍基脱氧剂、铝基脱氧剂、硅锰基和硅钙基脱氧剂。从降低总氧量出发，使用含钙、钡、镁等强脱氧元素的复合脱氧剂，可以得到总氧量0.003%的钢液。不同脱氧剂的配合使用，才能得到纯净度很高的钢。3）工艺过程：各种脱氧剂以铁合金或纯金属的方式直接加入刚钢包内的钢液中，或在炉内预先加入部分合金对钢液进行预脱氧。4）优点：成本低，操作简便，对冶炼时间无影响5）缺点：脱氧产物直接以氧化物或复合化物形态存在于钢液中，不可避免地会污染钢液，影响钢液的纯度以及质量。,4.2 感应熔炼过程中元素的氧化与脱氧,16,
12、4.2.2.1 沉淀脱氧1）扩散脱氧原理：能斯托分配定律，进行扩散脱氧时，能同时溶解于炉渣和钢液中氧，在温度一定时，氧在炉渣与钢液间的浓度比值应等于常数，即 L0=a(FeO)/%O（4-6）式中，L0氧的分配系数，在碱性炉渣条件下一般为400-420 a(FeO)渣中总氧化铁的活度。原理：向渣中加入脱氧剂，渣中（FeO）降低，渣钢两相间的浓度平衡破坏，而分配系数不变，钢中的氧必然会不断向渣中扩散。因此，不断降低渣中（FeO）就可以相应降低含氧量。电炉还原期常采用此方法脱氧。,4.2 感应熔炼过程中元素的氧化与脱氧,17,例如：还原期（FeO）可以降至0.5%-1.0%以下，假如氧在渣钢间分配
13、达到平衡，则钢中氧为：%O=0.5/400=0.00125实际由于O的扩散速度较慢，氧无法达到平衡，该方法只能将O降至0.005%-0.01%，比平衡状态的氧高5-10倍。2）影响扩散脱氧的因素a 温度对扩散脱氧效果的影响。铁液中的最大饱和含氧量对温度的影响具有双重性，关系式如下：Log%O饱和=-6320/T+2.734（4-7）b 钢渣接触条件的影响。c 炉渣成分的影响。优点：不易被脱氧产物污染，提高了钢的洁净度。缺点：脱氧过程慢，还原时间长。,4.2 感应熔炼过程中元素的氧化与脱氧,18,4.2.3 各元素单独脱氧和复合脱氧元素的脱氧能力各种元素被氧化的难易程度称为元素的氧化度，也叫脱氧
14、能力。是指在一定温度、压力下，与一定浓度的脱氧元素呈平衡状态的溶解在钢中的残余氧含量。这部分氧含量越低，则这种元素的脱氧能力越强。元素的脱氧要求1）元素对氧的亲和力必须大于铁对氧的亲和力。2）脱氧元素一般应制成低熔点的合金，脱氧时溶解快，钢液成分均匀3）生产的脱氧产物在钢中的溶解度应尽可能小，且易于从钢液中上浮排出5）残留于钢中的脱氧元素对成品钢的性能不产生坏的影响。1600，元素的脱氧能力由强到弱的顺序为：Ti Al C Si P VMn Cr。注意：随脱氧浓度增加，氧含量的下降速度越来越慢。随着脱氧反应的进行，一是降低了氧的浓度，二是降低了氧的活度。,4.2 感应熔炼过程中元素的氧化与脱氧
15、,19,4.2 感应熔炼过程中元素的氧化与脱氧,4.2.3.3 各元素单独脱氧的特点锰：弱脱氧元素脱氧能力随温度降低而升高，但作用较弱；脱氧发生在锰铁熔化的局部区域；可复合脱氧，如可以与Si的产物SiO2结合，降低自身的活度，提高脱氧能力，与Si、Al共同脱氧，Mn可以增加Si、Al的脱氧能力。硅：镇静钢中不可缺少的强脱氧元素脱氧能力随温度降低而增强；在碱性环境下脱氧完全（产物SiO2 与碱性氧化物作用，降低了自身在渣中的活度）；单用硅脱氧，其脱氧产物不易排出，与锰结合可生成低熔点脱氧产物，便于排出；脱氧能力还与脱氧产物的成分相关，MnSi共同脱氧，Mn提高了Si的脱氧能力。铝：强脱氧元素，用
16、于最终脱氧与Mn结合可提高脱氧能力；可降低钢的时效倾向；细化钢的晶粒；降低硫化物在钢中的偏析，提高钢的塑性。,20,4.2.3.4 复合脱氧剂的特点1）铝脱氧和铝、锰或铝、硅、锰同时脱氧，铝是与氧亲和力很强的脱氧剂，其脱氧能力低于钙、镁、钡、稀土而高于硅、锰、钛等元素。2）钙及钙合金脱氧的特点。钙是很强的脱氧剂，也是极强的脱硫元素。钙是很强的脱氧剂，也是极强的脱硫元素。但是，由于钙的沸点低（1484），在铁液中呈蒸气状态，使它的效果降低。另外，钙在铁液中的溶解度很低，影响了钙的脱氧脱硫效果，使钙的利用率也降低。,4.2 感应熔炼过程中元素的氧化与脱氧,21,4.2 感应熔炼过程中元素的氧化与脱
17、氧,4.2.4 脱氧反应动力学脱氧过程（针对沉淀脱氧）分为五个阶段：（1）钢液中脱氧剂的熔化与溶解（2）成核脱氧的初期产物（3）核长大。布朗运动、分子引力、扩散、碰撞（4）脱氧产物的排除。脱氧剂加入量少，往往生成低熔点的物质；加入量多，生成高熔点的单一氧化物；采用复合脱氧剂可生成低熔点脱氧产物夹杂物的有效碰撞和聚集长大是去除的前提。（5）凝固时的二次脱氧二次脱氧产物：一次脱氧产物凝固过程中发生变化；钢中残余溶解氧的存在，凝固过程选分结晶使合金元素与氧在结晶前沿富集，温度的下降使脱氧反应平衡向右移动，新的均相核或者多相晶核在凝固过程中产生，形成二次脱氧产物。,22,非金属夹杂物的去除钢中存在大量
18、的非金属夹杂物能够破坏钢基体的连续性，使原子间的作用力减弱，起应力集中，促使裂纹形成。它们严重降低钢的力学性能，尤其是降低钢的塑性和冲击韧性及疲劳性能（习惯上用氧化物夹杂代表脆性夹杂物，硫化物夹杂代表塑性夹杂物），使合金的冷、热加工乃至某些物理性能变坏。这种影响不仅与它们的含量多少有关，还与形状和大小有关。,4.3 钢中的非金属夹杂物,4.4 钢中的气体,钢中氮主要来自铁水、钛合金、空气或氧气和炉膛内的炉气。危害：含氮量提高后，钢的时效敏感性增加，长时间放置后，强度硬度升高，塑性韧性下降。导致钢的蓝脆。在250-450内钢的强度升高，韧性降低，钢在该温度区间加热表面发蓝而得名。含氮量高时，使钢
19、锭宏观组织疏松，可能产生气泡，热轧时钢会开裂。,23,改善性能：弥散强化，钢表面渗氮进行表面硬化处理，耐磨抗蚀。控制途径：不同钢种不同要求，一般应力求降低钢中氮含量。采用合理的操作工艺，控制钢水温度，注意所使用的合金中的氮含量。对某些以氮作为合金元素的钢种，通过使用氮化铁合金，使钢中氮含量达到要求。氢：一部分来自于炼钢用原材料，炉衬和浇注设备；大气中的水分。不良影响：氢脆，随钢强度的增加而加剧；白点，在钢横向酸蚀面上呈放射状或不规则排列的锯齿形小裂缝，在纵向断口上呈圆形或椭圆形银亮色粗晶斑点，最终导致钢局部开裂；产生点状偏析，产生内部疏松；钢焊缝拉伸断口上的鱼眼和热影响区产生裂纹；氢腐蚀，高压
20、氢作用下钢中产生网络状裂纹，严重时鼓泡,4.4 钢中的气体,24,合金中同时含有残留的氢和氮，氢腐蚀更加强烈。以气体形式析出的H、N，在钢坯中形成气孔，带材轧制时容易引起皮下气泡等缺陷。常压感应炉有渣熔炼，一般采用浮升法去除夹杂物。非金属夹杂物的密度小于金属液时，在浮力作用下，夹杂物浮至金属熔体与熔渣界面而被熔渣吸收。降低氢含量的措施：选用干燥的炉料；浇注设备也应尽量干燥；对于要求严格的钢种，应不在新开炉前若干炉来冶炼；冶炼终了采用氮或氩搅拌的方法以便脱除钢中的氢；需要严格控制钢中气体含量时，最有效的办法是真空处理。感应炉熔炼过程没有强烈的脱碳沸腾，去氢能力差，必须从原料和耐火材料的选用和烘烤
21、等方面减少氢的可能来源。,4.4 钢中的气体,25,4.5.1 炉衬的选择根据冶炼钢种选择，如熔炼铝和钛较高的钢种最好在碱性炉中；冶炼银及其合金则选择石墨坩埚。4.5.2 炉料对原料的要求：入炉料的化学成分应当准确；金属料清洁、干燥、无油污和铁锈；料块尺寸合适；炉料都必须存放在干燥的环境中；原料的种类：钢铁料：生铁、工业纯铁、废钢；返回料合金料：W、Mo、Nb及其铁合金；Ni Cr、Co及其合金；Si、Mn及其合金；V、B及其合金；Al、Ti及其合金；稀土金属及其合金；特种添加剂造渣料：石灰、萤石、粘土砖碎块。,4.5 钢的感应熔炼基本要点,26,4.5 钢的感应熔炼基本要点,配料计算：根据炉
22、料成分和熔炼产品的控制成分，计算出入炉每种原料的重量；感应炉由于主要是熔化和升温过程，所以 配料计算要求比较精确计算方法；合金元素的回收率是精确计算的关键。4.5.3 装料和熔化炉料的熔化直接关系到金属液中气体含量的变化和合金元素的回收，同时影响熔炼时间 坩埚寿命、电能的消耗等技术指标；熔化期是感应炉冶炼的重要阶段，它的主要任务：使炉料迅速熔化、脱硫、减少合金元素的损失、即时加入炉渣，防止金属熔池吸气。4.5.4 精炼和脱氧脱氧是感应炉冶炼的最重要的任务。精炼期是感应炉冶炼的重要环节，通过精炼完成脱氧、合金化和调整钢液成分、温度等任务。1）调整炉渣成分，降低渣中合金元素含量。2）钢液脱氧与合金
23、化。,27,感应炉坩埚的分类及质量要求坩埚的分类按材质分3种，碱性坩埚、酸性坩埚和中性坩埚。碱性炉衬：氧化镁（MgO），主要用于冶炼不锈钢、高锰钢等高合金钢，酸性炉衬：二氧化硅（SiO2），主要用于冶炼低合金钢、碳素钢、铸铁等材料。应用最广泛的粘结剂是硼酸（H3BO3），酸性(石英砂)或碱性(镁砂)坩埚的制作中的作用有：降低烧结温度；促进镁铝尖晶石的形成；降低坩埚的体积膨胀率加入量：1-1.5%，加入量过多，耐火度降低。中性炉衬三氧化二铝（Al2O3）、锆英石（Zr2O.SiO2）按制作方法分3种：炉外预制成形坩埚、炉内成形坩埚和砌筑式坩埚。(2)坩埚的质量要求1)耐火度和高温结构强度高。2)
24、耐急冷急热性好。3)良好的抗渣性。4)导热性尽可能低。5)绝缘性能。6)无污染、无害、挥发性低、抗水化性强、成本低廉。,感应炉坩埚,28,坩埚的制备（1）粒度的配比合理的粒度配比，可以得到最佳的体积密度，保证坩埚具有最小的气孔率，坩埚的气孔率通常在20%左右；砂料颗粒的粗、中、细范围取决于炉子的容量。同容量的镁砂坩埚的粒度配比情况,感应炉坩埚,29,（3）坩埚的制作 对于炉外成型法坩埚的制作是指坩埚如何安装在感应圈内和修筑炉口，这里介绍的是炉内成型法坩埚的制作过程。制作前的准备工作有砂料的配置与混匀、感应圈的清理和检查、制作坩埚用模具的准备、成型工具和装备的准备。每次在打结坩埚前，感应圈检查的
25、内容有：漏水、渗水、绝缘的破裂以及感应圈和匝间的紧固件是否可靠牢固可靠。模具主要指的是坩埚型芯，型芯主要是控制坩埚内形和容积的胎具感应炉坩埚型芯用钢板焊成或用石墨制成。,（2）成型的方法感应炉用坩埚的成型方法可分为炉外成型和炉内成型两大类，根据粘结剂的不同炉内成型法又可分为湿法成型和干法成型（打结）两种。,感应炉坩埚,30,（4）坩埚的烧结 目的：提高坩埚的致密性、强度和体积稳定性过程：在高温下使砂料的接触面上出现液相结合，形成连续的烧结网络，通过网络使整个砂料连成一个整体烧结方法：高温烧结和低温烧结；A镁砂坩埚的高温烧结（分为四个阶段）第一阶段：烧结温度在850，主要发生砂料的脱水反应和碳酸
26、盐的分解。第二阶段：烧结温度在850-1500低熔点化合物开始熔化，烧结网络开始形成，坩埚体积收缩明显，该阶段可适当增大升温速度,感应炉坩埚,31,第三阶段：烧结温度在1500-1700，镁橄榄石、镁铝尖晶石开始熔化，新生化合物开始形成，烧结网络形成，坩埚体积急剧的收缩，密度强度显著增加，该阶段应降低升温速度。第四阶段：烧结温度在1700-1850，目的是促进方镁石体继续长大，得到比较理想的烧结层厚度和坩埚断面的烧结结构。B 镁砂坩埚的低温烧结（分为三个阶段）第一阶段：温度850，主要发生脱水反应和碳酸盐的分解反应，升温速度缓慢。第二阶段：温度在850-1400，含B2O3的低熔点化合物的烧
27、结网络迅速形成，坩埚强度增加第三阶段：温度在850-1400，使经过初步烧结后的坩埚继续扩大烧结层的厚度，并烧结得到理想的烧结结构,感应炉坩埚,32,中频感应炉与其它熔炼炉配合冶炼工艺熔炼工艺过程熔炼所用的废钢中通常会含有一定量的水分和油污。这种炉料直接加入炉内，特别是已形成熔池的炉内，是不安全的，常常会导致喷溅。同时，它还是产品中氧的主要来源之一。所以有些厂设置了废钢的预热或干燥系统，用加热的办法去除废钢上附有的水分和油污，以保证使用的安全和阻止氢的一项来源。此外，加入已预热的废钢还可以缩短熔炼的熔化时间和降低电能的消耗。碱性冶炼法中的熔化法的生产工艺流程如下图所示,非真空感应炉冶炼工艺流程
28、图,4.6 钢及有色金属感应炉熔炼案例,33,中频感应炉与其它熔炼炉配合冶炼工艺,中频炉与电弧炉、LF炉（还原气氛下精炼的钢包炉）相配合冶炼各类合金钢生产合金钢的工艺流程如下所示，,电炉,中频炉,LF炉,电炉（50t）粗钢水冶炼时间60-65min，中频炉（8t）熔化合金或返回料60min，电炉钢水与中频炉熔化的合金加入LF钢包炉（60t）精炼75min，部分进行VD真空脱气处理（vacuum degassing）。所生产的钢种有：车轴钢，车轮钢，气瓶钢，模具钢，合金结构钢等。,34,装料装料前的检查：确认材料类别原料要求：a 入炉料的化学成分要准确；b 金属料清洁干燥、无油、少锈；c 合适的
29、料块尺寸；d 干燥存放；装料要求：密闭容器严禁装入炉内；炉料下层紧密，上层较松，防止熔化过程上层炉料搭桥；在装大料前先在炉底铺垫一层细小的轻料；先在炉底装一些熔点不是最高的合金或钢料；高熔点又不易氧化的炉料应装在层料的上部，即高温区；坩埚上部的低温区，主要装钢料；料应装松一些防止搭桥。装入钢锭时，用小块料填充钢锭与炉壁缝隙，加快熔化速度和提高电磁利用率。,4.6.1.1 8t中频感应炉操作要点,35,（2）熔炼a 炉内留钢水3t，装料后，送电开始可将功率调至允许的最大功率负荷；反之，装入钢锭或其他大块重型料后，功率应按一定时间间隔进行逐步增大，前10-15min严禁将功率调至允许的最大负荷。b
30、 送电过程要随时观察炉况，搭桥或者架料情况等要及时处理。c 为避免钢水裸露被空气氧化，熔炼过程中，在形成熔池的部位（或钢水裸露处）加入定量的预熔型合成渣，每炉加入总量控制在10-20kg，待炉料全部熔清后，要适当降低功率。同时加入1-2袋覆盖剂。d 确认炉内钢锭或返回原料全部熔清后，进行测温，除去熔化合金以外，温度达到1600，方可进行取样，确定成分之后，立即通知精炼工段及调度。e 熔炼过程随时观察炉内液面有无结壳现象，尤其是上部低温区。,4.6.1.1 8t中频感应炉操作要点,36,（3）出钢和浇注当熔炼的钢或合金满足出钢要求时，即可出钢。出钢温度：熔化含钼、钨合金，出钢温度控制在1650-
31、1700，熔化金属锰，出钢温度在1600-1620。除去熔化合金以外，熔化钢锭或其他返回料时，根据炉内钢水成分决定出钢温度。出钢量低于5t，每少1t，出钢温度一般提高10。出钢量：温度达到出钢要求后，根据情况出钢。熔炼合金、铬钼钢如果不连续操作，要求务必出尽。出钢完毕，在钢包内加入1-2包覆盖剂。对于小容量炉座，可以直接浇注。对于较大容量的炉座，可以先倒入浇注包中，再浇注。根据产品的要求，可浇注成锭、铸件或自耗电极。出钢过程还需要依据产品的质量和工艺流程来选择浇注方式，如采用真空浇注还是非真空浇注，是采用上注还是下注。一般电热合金和高温合金需要进一步精炼，所以一般浇注成自耗电极，而精密合金一般
32、采用真空浇注。真空浇注由于浇注过程进行真空处理可以避免钢液的二次氧化和再吸气，并且可有效去除氢气及部分氮气，因此可获得杂质极少，纯净度更高的钢。,4.6.1.1 8t中频感应炉操作要点,37,化学成分对钢的质量和性能均有很大的影响。一些钢的化学成分除了应满足技术条件的规格外，还要控制在某个更加严格的范围内，才能满足该钢种对质量和性能的更高要求。化学成分的控制贯穿于每炉钢冶炼过程，它与合金元素的烧损、物化性质、熔渣物化状态、钢液温度、冶炼方法等密切相关。(1)影响合金元素收得率的主要因素1)合金元素本身的物化性质。2)冶炼时间。熔化期越长，C、Si的烧损越大，活泼元素加入后，距离出钢 时间越长，
33、合金元素的烧损越高。3)冶炼温度。温度增加，钢中合金元素的自由能降低，有利于合金元素的 溶解。但温度过高，则会加剧合金元素的烧损。4)炉渣制度。炉渣物化状态对合金元素的收得率的影响较大。尤其是炉渣 的黏度和碱度的影响更大。炉渣中FeO、SiO2越高，元素的烧损越大。5)元素的挥发损失。对于W、Mo、Mn均应注意其通过氧化物造成的挥发 损失。,感应炉冶炼的成分控制,38,6)钢液中的O、N、S含量。钢中O、N、S含量越高，元素的烧损就越大。加入合金元素前钢液应当充分脱氧、脱硫和脱氮。7)合金元素的加入时机、块度及加入方法。较活泼的元素加入时间越早，则烧损越大；加入块状的合金元素比加入粉末状的收得
34、率高；加入到炉中和加入到钢包中，收得率也略有不同。(2)提高合金元素收得率的方法1)低烧损元素的控制方法：正常冶炼条件下烧损率低于5%的合金元素称为低烧损元素，包括Ni、Co、Mo、W、Cu等。低烧损元素一般可以随炉料一起加入，电解铜由于其熔点较低，应在熔化末期加入。低烧损元素中Mo、W冶炼过程中的烧损主要是其氧化物的挥发损失，另外，新坩埚冶炼时不能冶炼含钨的合金，会由于新坩埚“吸钨”而导致钨损失及化学成分不合格。含钨炉料还容易造成“结底现象”，即大量的含钨炉料沉积于坩埚底部长期不能熔化。为减少W、Mo的损失，冶炼中要充分熔化、加强搅拌。,感应炉冶炼的成分控制,39,2)中等烧损元素的控制方法
35、：中等烧损元素是指烧损率在5%20%之间的元素，包括Cr、V、Si、Mn、Nb等等，加入时视炉中情况而定。一般Nb在精炼末期加入，并加强搅拌；冶炼含Cr的钢时，应防止铬氧化进入炉渣，如果铬含量不高，最好脱氧完全以后再加入；加入Mn来消除FeS的热脆效应时，应控制Mn/S8。3)高烧损元素的控制方法：Ti、Al、Re、Zr等合金元素，正常冶炼条件下，烧损率大于20%，为高烧损元素。冶炼时一般应尽量在终脱氧后加入。作脱氧剂时，加入方法视脱氧制度而定。另外，还要综合考虑加入的方式、方法来控制合金元素的回收率。例如，冶炼高温合金时需要加入Ti，如果Ti以海绵钛的形式加入，即使是在终脱氧以后加入，回收率
36、也只有70%左右，但是，如果把钛制成Ni-Ti中间合金加入，则收得率就可以达到95%以上。,感应炉冶炼的成分控制,40,4.6.1.2 冶炼磁性能差的钢种注意的问题,（1）冶炼非磁性或者弱磁的材料，磁导率降低，主磁通量降低，降低了热效率（2）冶炼非磁或者弱磁的材料，漏磁磁通增大，表现出来的现象是直流电流大而中频感应电压（直流电压）低。（3）中频电压和直流电压低，会使晶闸管（将工频电能变为中频电能的变频器）换流困难，严重威胁中频电源及晶闸管的安全运行。（4）冶炼导磁性能差的钢种时（RH13,20Mn23AlV,45Mn17Al3），一定要忽略功率，密切注意电流的变化，一是要使直流电流在KP管额定
37、电流60%以下运行，二要注意直流电压，尽量使其高电压运行，以便使KK、KP管可靠换流。（KK是快速晶闸管(整流器晶闸管)，频率高；KP是普通晶闸管（逆变器晶闸管），在中频炉中整流侧关断时间采用KP-60微秒以内，逆变侧关短时间采用KK-30微秒以内。这也是KP管与KK管的主要区别）,41,4.6.2 中频炉与AOD炉配合生产不锈钢,4.6.2.1 感应炉与AOD配合生产不锈钢的流程,所用金属料可根据生产企业的具体供料条件而定，配置好的金属料加入中频炉经熔化和处理后，即可将初炼钢水兑入AOD炉，经精炼后炼成不同牌号的不锈钢可直接进行浇注成铸锭或铸件。也可根据品种质量的要求将AOD精炼后的不锈钢经
38、LF炉处理后进行浇注或再经VD或VOD炉进一步处理后进行浇注。,42,4.6.2.2 冶炼工艺要点,4.6.2 中频炉与AOD炉配合生产不锈钢,A 配金属料时对炉料的要求配金属料时，如304、321不锈钢，入中频炉的炉料的化学成分有要求：C(1.2-1.5%)：要求不是绝对的，兑入AOD炉的金属料含碳量不能过低，否则影响热源，吹炼时间短，也不利于脱PS及成分调整；如果含碳量太高，中频炉融化后的高碳金属料进入AOD炉，热源充分，但冶炼时间过长，不能保证连铸的连续化生产，生产率下降且炉龄降低)Si(不大于0.3%)：含量低对AOD炉有利，减少渣量和合金的损耗，提高炉寿命。Mn残余、P、S越低越好(
39、不大于0.03%)：中频炉不具备脱SP能力，AOD炉中高碱度还原渣虽能有效脱硫，但脱磷能力有限，要求SP越低越好。对Mn不做要求，视残余而定。Cr(18-19%),Ni(7.5-8.5%)：中频炉融化Ni、FeCr合金时氧化熔损较少且控制方便，配料时可配成所炼不锈钢种的Ni、Cr规格上限。,43,4.6.2.2 冶炼工艺要点,B 中频炉熔化与处理化学成分的要求如上。熔化后的初炼钢水的温度1650。注意熔化处理时间与AOD炉精炼时间相衔接不能脱节，否则中频炉等待AOD炉或相反，使生产率下降，增加能耗，影响炉子寿命中频炉熔炼返回钢应特别注意，随着返回钢用量增大，不可避免会导致诸如铅、铋、锑、锡等有
40、害微量元素的增加，特别是铅Pb。含Pb的易切削不锈钢难以和其他钢种分开，从而导致成品钢中Pb含量增加，影响产品的热加工性能,4.6.2 中频炉与AOD炉配合生产不锈钢,44,铜可以和多种金属组成不同类型的合金，如铜锌合金（黄铜）、铜锡合金（青铜）、铜镍合金（白铜）4.6.3.1 铜液的氧化与脱氧脱氧是铜及铜合金的冶炼重要环节，防止产品产生针孔等铸造缺陷。A 铜液的氧化特性高温下，铜液表面很容易被空气中的氧氧化，4Cu+O2=2Cu2OCu2O能不断溶于铜液中，对纯铜、锡青铜、铝青铜危害很大。Cu2O在凝固阶段析出时，以低熔点的共晶体分布于晶界处，使纯铜产生热脆性。如果合金中含有氢危害更大。会在
41、晶界处迅速产生化学反应：Cu2O+H2=2Cu+H2O(汽)在金属凝固过程中水蒸气的压力随着晶间压力的增大而增大，一方面导致金属凝固时铸件上涨，组织疏松，气孔大量产生，另一方面导致晶粒间产生大量显微裂纹，晶粒间结合力大大降低，使纯铜变脆。又称为氢脆。,4.6.3 铜及铜合金感应炉熔炼,45,4.6.3.1 铜液的氧化与脱氧Cu2O的分解压力比铝镁锰等的氧化物分解压力高得多，若在去除Cu2O之前加入合金元素，会将合金元素氧化，而自身被还原：3Cu2O+2Al=Al2O3+6Cu，2Cu2O+Si=SiO2+4Cu产物氧化物会悬浮弥散在铜液中，危害很大。因此，要求彻底去除Cu2O再加入其它合金元素
42、。铜及其合金的熔炼应先进行脱氧处理，要求Cu2O还原。B 铜液的脱氧方法：沉淀、扩散、沸腾（CO、H2）脱氧脱氧剂的要求：（1）脱氧剂的产物分压应小于Cu2O，分压相差越大，脱氧反应越彻底迅速。（2）脱氧剂应对铜及合金无坏影响。（3）脱氧产物熔点要低，相对密度小，才能易于凝聚、上浮、被排出。（4）脱氧剂价格低廉，来源广泛。,4.6.3 铜及铜合金感应炉熔炼,46,4.6.3.2 磷铜脱氧A 磷铜脱氧反应常使用的脱氧剂是磷，以磷铜中间合金（P含量8-14%）加入，沉淀脱氧，脱氧速度快，彻底，脱氧反应在整个熔池进行。反应如下：第一阶段：磷蒸汽（磷沸点280）立即与Cu2O反应 5 Cu2O+2P=
43、P2O5+10Cu反应生成的P2O5沸点347，铜液中呈现气态，以气泡形式上升，一部分P2O5逸至金属液面外第二阶段：另一部分P2O5在上升过程中继续与铜液中的Cu2O反应生成（磷沸点280）立即与Cu2O反应 Cu2O+P2O5=2CuPO3当Cu2O含量较高时，磷蒸汽逸出较慢，磷也可直接与Cu2O反应生成偏磷酸铜 6Cu2O+2P=2CuPO3+10Cu反应生成的CuPO3熔点低，相对密度小，在铜液中呈球状液体，易于聚集上浮。实际中，以上三种反应同时发生。,4.6.3 铜及铜合金感应炉熔炼,47,4.6.3.2 磷铜脱氧B 磷脱氧工艺（1）磷的加入形式：必须采用P-Cu中间合金，磷的熔点沸
44、点低，若直接加入会导致铜液的沸腾飞溅，磷的大量挥发、烧损并有害人体健康。（2）磷的加入量：主要取决于铜合金液中含氧量、P-Cu合金的含P量、铜液的温度和实际的操作工艺。（3）P-Cu合金的加入方法：对锡青铜来说，首先在氧化性气氛下使紫铜快速熔化，P-Cu合金一般分两次加入，第一次是紫铜熔化后，铜液温度1150-1200时，加入P-Cu合金总量的2/3（主要目的是把紫铜中的Cu2O还原），然后加入合金元素（先锌后锡铅）第二次加入P-Cu合金是在浇注前，加入剩余的1/3，辅助脱氧。4.6.3.3 脱气铜液中的气体种类：H2、O2、CO2、CO、SO2、H2O蒸汽等，使合金氧化，并溶解在铜中导致铸件
45、中气孔的产生。,4.6.3 铜及铜合金感应炉熔炼,48,4.6.3.3 脱气可采用氧化法去气，利用铜合金中氢、氧、浓度间的相互制约的关系，先增加铜液中氧含量，以尽可能排除氢，再进行充分脱氧，脱氧后立即浇注，达到既去气又脱氧的目的。该法适用于紫铜和锡青铜等用于制作金属工艺品的合金熔炼，不适用于一些合金液中已含有氧化物分压较低的活泼金属的铜合金。氧化法脱气常用的熔剂是高温下不稳定的高价氧化物，入锰矿石、高锰酸钾、氧化铜等，加入量为1-2%，用氧化剂熔剂熔炼时P-Cu脱氧剂加入量要高。,4.6.3 铜及铜合金感应炉熔炼,49,4.6.3.4 铜液精炼铜液中常含有呈固态小质点高熔点不熔性的氧化物夹杂（
46、Al2O3、SiO2、SnO2）弥散在其中，这些氧化物分压低，呈酸性或中性，难以用氧化法使其还原。精炼的主要目的就是去除这些氧化物，采用碱性熔剂去除。常用的碱性精炼熔剂有苏打（Na2CO3）、冰晶石（Na3AlF6）、萤石（CaF2）、碳酸钙（CaCO3）、硼砂（Na2B4O7），这些精炼剂与酸性氧化物夹杂作用后生成低熔点的复盐，复盐易于聚集上浮而进入熔渣被排出。一般情形下，熔炼铜合金不加熔剂精炼，精炼后渣量较大，只有在使用含有杂质量大的杂铜以及某些氧化物较严重的铜合金才使用熔剂精炼，精炼后必须彻底清渣。,4.6.3 铜及铜合金感应炉熔炼,50,铝合金的种类：铸造铝合金：硬铝硅合金、铝铜铸造合
47、金、铝镁铸造合金、铝锌铸造合金、铝稀土铸造合金等 变形铝合金：不能热处理强化的（工业纯铝、防锈铝）和可热处理强化的（硬铝、超硬铝、锻铝）铝合金的作用：用于建筑工业、汽车、铁路、船舶及飞机制造等工业部门。生产方法：铸造法、塑性成型法、深加工法铸造法：利用铸造铝合金的良好流动性和可填充性，在一定温度、速度和外力条件下，将铝合金熔体浇注到各种模型中以获得具有所需形态与组织性能的铝合金铸件和压铸件的方法。铸造流程：电解法生产原铝，循环利用的再生铝经反射炉、电阻炉或感应炉熔化，配以各类中间合金以符合生产品种的化学成分的要求，最终浇注成件。,4.6.4 铝及其合金的感应炉熔炼,51,51,铝液中的气体绝大
48、部分是氢，占85%以上，氢在铝中的溶解度如下图所示。,4.6.5 铝液中的气体及其净化,高温液态下（700-800），氢具有较高的溶解度。但由液态向固态转变时，溶解度明显变小，固态为0.036mg/100g，液态为0.068mg/100g，若不及时将氢排出，凝固后的铸件会产生较多的气孔。,0.1MPa氢分压下，氢在铝中的溶解度,52,铝液中的氢主要来自铝液和水汽的反应。液态铝与水汽的反应如下：2Al（液）+3H2O（汽）=-Al2O3+3H2，3H2=6H，极其有害2Al（液）+3H2O（汽）=-Al2O3+6H上述反应的结果是铝液表面上氢的分压急剧增大，因此氢强烈溶入铝液中，熔炼温度越高，铝
49、液与水汽反应越容易，危害也越大。尽管采取严格的措施如预热烘干等控制水分，但不能完全避免铝液与水汽的反应，温度727，干空气条件下水汽就能与铝液反应。此外，固态铝锭在低于250与空气中的水汽反应生成铝锈：Al（固）+3H2O（汽）=Al(OH)3(固)+3/2H2铝锈分布在表面，白色粉末，组织疏松，高于400铝锈分解：2Al(OH)3(固)=Al2O3+3H2OAl2O3组织疏松，能吸附水汽和氢，增加铝液中的气体及夹杂的含量。,4.6.5 铝液中的气体及其净化,53,53,4.6.6.1 工艺原理熔剂法净化的工艺原理：铝表面有一层致密的氧化膜，阻碍了铝液中的氢逸入大气。在铝液表面撒上熔剂，吸附和
50、溶解氧化膜，氢很容易通过熔剂层进入大气，熔剂还具有隔离铝液与大气中水汽接触的作用；熔剂吸附和溶解铝液中的氧化夹杂物，同时也去除了吸附在氧化夹杂物表面上的小气泡，最后扒除铝液表面熔剂及熔渣，从而达到铝液净化的目的。注意：熔炼各种铝返回料和切削等废料，以及铝镁合金，必须在熔剂覆盖下进行。A 对熔剂的要求（1）与铝液不发生化学反应，也不互相溶解（2）能吸附或溶解Al2O3等氧化物，有良好的净化作用（3）熔点应低于熔炼温度，在液态下有良好的流动性。（4）熔剂的密度明显小于铝液的密度，便于上浮易于排出（5）来源广，供应方便，价格便宜。,4.6.6 感应炉熔炼铝合金的要点,54,B 熔剂的工艺性能（1）覆
