電磁冶金原理與工藝概述及感應熔煉

1、1.概述2.電磁感應熔煉原理及應用3.電磁攪拌原理及應用4.電磁場在冶金及材料領域的其他應用5.電磁冶金研究方法2022年5月16日11.1電磁冶金發(fā)展概況1.2電磁冶金技術(shù)分類1.3電磁冶金技術(shù)應用及發(fā)展前景2022年5月16日2l電磁冶金學：電磁冶金學：以電磁以電磁熱熱流體力學為基礎，流體力學為基礎，研究冶金與材料制備過程電磁研究冶金與材料制備過程電磁場應用的工程科學，是電磁學、場應用的工程科學，是電磁學、熱力學、流體力學相互交叉的熱力學、流體力學相互交叉的學科。學科。l電磁冶金技術(shù)：電磁冶金技術(shù)：以電磁以電磁熱熱流體力學為指導，流體力學為指導，采用電磁場對金屬材料進行制采用電磁場對金屬材

2、料進行制取、凝固、成型及處理的新型取、凝固、成型及處理的新型工程技術(shù)。工程技術(shù)。2022年5月16日31819年丹麥奧斯特電流的磁效應1831年法國法拉第電磁感應現(xiàn)象1833年德國楞茨楞茨定律十九世紀末感應熔煉雛形出現(xiàn)二十世紀四十年代開始電磁冶金應用研究（英國）1982年第一屆磁流體力學在冶金中應用大會（英國）1985年確定了材料電磁工藝名稱（Electromagnetic processing of materials 簡稱EPM）2022年5月16日42022年5月16日52022年5月16日62022年5月16日7基本原理基本原理材料處理的功能材料處理的功能工藝工藝電磁體積力電磁體積力形

3、狀控制形狀控制冷態(tài)坩堝，懸浮熔煉，立式電磁鑄造，金屬薄膜冷態(tài)坩堝，懸浮熔煉，立式電磁鑄造，金屬薄膜的磁成型，塑性變形（由非均勻磁場形成的變形）的磁成型，塑性變形（由非均勻磁場形成的變形）驅(qū)動液體驅(qū)動液體電磁攪拌，電磁泵電磁攪拌，電磁泵抑制流動抑制流動卓克拉爾斯基磁力法，磁力制動，薄帶的邊部磁卓克拉爾斯基磁力法，磁力制動，薄帶的邊部磁控制，抑制波動控制，抑制波動懸浮懸浮水平式電磁鑄造，非金屬夾雜物的電磁分離水平式電磁鑄造，非金屬夾雜物的電磁分離霧化霧化電磁霧化電磁霧化焦耳熱量焦耳熱量熱量生成熱量生成冷態(tài)坩堝，懸浮熔煉，磁場加熱冷態(tài)坩堝，懸浮熔煉，磁場加熱楞次定律楞次定律探測探測傳感器傳感器綜合功

4、能綜合功能精煉精煉電磁精煉，非金屬夾雜物的電磁分離電磁精煉，非金屬夾雜物的電磁分離凝固組織的控制凝固組織的控制晶粒細化，晶粒粗化，單晶生長，非晶態(tài)金屬物晶粒細化，晶粒粗化，單晶生長，非晶態(tài)金屬物的生成的生成2022年5月16日8過程過程電磁力電磁力感應攪拌感應攪拌感應加熱感應加熱檢測檢測/分析分析制鐵制鐵選礦機磁力制動選礦機磁力制動制鋼制鋼連鑄鑄型流動控制連鑄鑄型流動控制澆包內(nèi)熔鋼的攪拌澆包內(nèi)熔鋼的攪拌中間包內(nèi)熔鋼的加中間包內(nèi)熔鋼的加熱熱轉(zhuǎn)爐內(nèi)氧質(zhì)量分數(shù)的測轉(zhuǎn)爐內(nèi)氧質(zhì)量分數(shù)的測量量超導電磁場連鑄鑄型流超導電磁場連鑄鑄型流動控制動控制連鑄鑄型內(nèi)熔鋼的攪連鑄鑄型內(nèi)熔鋼的攪拌拌澆包內(nèi)熔鋼加熱澆包內(nèi)熔

5、鋼加熱感應法檢測連鑄鑄型內(nèi)感應法檢測連鑄鑄型內(nèi)的液面的液面施加交變磁場施加交變磁場初期凝固殼的控制初期凝固殼的控制中間包內(nèi)夾雜物分離中間包內(nèi)夾雜物分離的攪拌的攪拌冷坩堝內(nèi)加熱和熔冷坩堝內(nèi)加熱和熔化化連鑄二冷水的流速檢測連鑄二冷水的流速檢測熱軋熱軋板、棒的結(jié)合邊角板、棒的結(jié)合邊角加熱，加熱，ISPISP板坯加熱板坯加熱表面處理表面處理電磁制動電磁制動連續(xù)鍍鋅線的合金連續(xù)鍍鋅線的合金化處理化處理流動控制鑄型流動控制鑄型連續(xù)鍍鋅線干燥爐連續(xù)鍍鋅線干燥爐水平磁場水平磁場流動控制流動控制鋅池加熱鋅池加熱制管制管離心式流動中間包離心式流動中間包鋼管電阻焊無縫鋼鋼管電阻焊無縫鋼管熱處理管熱處理焊接焊接焊接熔

6、池的靜磁場流動焊接熔池的靜磁場流動控制控制質(zhì)量控制質(zhì)量控制感應電流法表面粗糙度感應電流法表面粗糙度檢測，內(nèi)部夾雜物檢測檢測，內(nèi)部夾雜物檢測材料開發(fā)材料開發(fā)強磁場微觀組織的控制強磁場微觀組織的控制2022年5月16日9按所施加磁場分類2022年5月16日101.3.1已成熟應用技術(shù)已成熟應用技術(shù)2022年5月16日11（1）電磁軟接觸連鑄）電磁軟接觸連鑄（2）金屬熔體的電磁凈化）金屬熔體的電磁凈化（3）凝固組織電磁控制）凝固組織電磁控制（4）薄帶坯連鑄電磁側(cè)封）薄帶坯連鑄電磁側(cè)封 2022年5月16日122.1感應加熱概述2.2感應熔煉基本原理2.3中頻感應爐設備與工藝2.4真空感應爐設備與工藝

7、2022年5月16日13l1890年瑞典發(fā)明了第一臺感應熔煉爐年瑞典發(fā)明了第一臺感應熔煉爐l20世紀初應用于工業(yè)領域世紀初應用于工業(yè)領域l20世紀世紀60年代大量應用年代大量應用2022年5月16日14l優(yōu)點：優(yōu)點：1.非接觸式加熱非接觸式加熱2.加熱效率高加熱效率高3.容易控制溫度容易控制溫度4.可實現(xiàn)局部加熱可實現(xiàn)局部加熱5.可實現(xiàn)自動化控制可實現(xiàn)自動化控制6.可減小占地可減小占地7.熱輻射，噪聲和灰塵熱輻射，噪聲和灰塵8.應用廣泛應用廣泛9.操作靈活操作靈活10.工藝適應性強工藝適應性強l應用：應用：1.金屬熔煉金屬熔煉2.鑄造鑄造3.金屬壓力加工金屬壓力加工4.金屬焊接金屬焊接5.金屬

8、熱處理金屬熱處理2022年5月16日15感應熔煉2022年5月16日162.2.1電磁感應現(xiàn)象：電磁感應現(xiàn)象：2022年5月16日172.2.2法拉第電磁感應定律：法拉第電磁感應定律：2022年5月16日182022年5月16日19閉合回路中感應電流的方向，總是使它產(chǎn)閉合回路中感應電流的方向，總是使它產(chǎn)生的磁場去阻礙引起感應電流的磁通量的生的磁場去阻礙引起感應電流的磁通量的變化。變化。NSG2022年5月16日202022年5月16日212.2.4感應熔煉熱量的產(chǎn)生l交變電流產(chǎn)生交變磁場l交變磁場產(chǎn)生感生電流2022年5月16日22熱量的產(chǎn)生：熱量的產(chǎn)生：l焦耳焦耳-楞茨定律楞茨定律當回路電阻

9、為當回路電阻為R時時, ,電流電流I I: :tRIdd1 2022年5月16日232.2.5感生電流特征渦流l渦流：當塊狀導體處于變化磁場中時，導渦流：當塊狀導體處于變化磁場中時，導體內(nèi)產(chǎn)生電流且自行閉合，稱為渦流。體內(nèi)產(chǎn)生電流且自行閉合，稱為渦流。l三種效應：三種效應：（1）集膚效應）集膚效應（2）鄰近效應）鄰近效應（3）圓環(huán)效應）圓環(huán)效應2022年5月16日24（1）集膚效應2022年5月16日25透入深度：2022年5月16日26l爐料表面得到的單位有功功率：爐料表面得到的單位有功功率：2022年5月16日27不同材料在不同頻率的透入深度不同材料在不同頻率的透入深度2022年5月16日

10、28l電流透入深度影響熔煉效率電流透入深度影響熔煉效率2022年5月16日29l爐料尺寸應為電流透入深度的36倍2022年5月16日30頻率與爐容2022年5月16日31l兩根通有交流電的導體靠近時，兩導體中兩根通有交流電的導體靠近時，兩導體中的電流重新分布。的電流重新分布。2022年5月16日32l當交流電通過環(huán)形線圈時，最大電流密度當交流電通過環(huán)形線圈時，最大電流密度出現(xiàn)在線圈內(nèi)側(cè)。出現(xiàn)在線圈內(nèi)側(cè)。2022年5月16日332.2.6電磁力的作用（1）“駝峰駝峰”的形成的形成2022年5月16日34（2）“駝峰駝峰”的作用的作用l均勻溫度均勻溫度l均勻成份均勻成份l促進反應進行促進反應進行2

11、022年5月16日35（3）“駝峰駝峰”的危害的危害l沖刷爐襯沖刷爐襯l二次氧化二次氧化l爐襯增厚爐襯增厚2022年5月16日36l按使用頻率分：按使用頻率分：1.工頻感應爐：使用工業(yè)頻率（工頻感應爐：使用工業(yè)頻率（50Hz）電源）電源2.中頻感應爐：使用頻率為中頻感應爐：使用頻率為15010000Hz電源，電源，常用頻率常用頻率1502500Hz；3.高頻感應爐：高頻感應爐：10kHz75kHz；l按是否抽真空：按是否抽真空：1.非真空感應爐非真空感應爐2.真空感應爐真空感應爐l按是否有鐵芯：按是否有鐵芯：1.有芯感應爐有芯感應爐2.無芯感應爐無芯感應爐2022年5月16日37（1）中頻電源

12、及供電控制）中頻電源及供電控制（2）中頻感應爐爐體）中頻感應爐爐體（3）配套設施）配套設施2022年5月16日38（1）中頻電源及供電控制）中頻電源及供電控制l性能穩(wěn)定性能穩(wěn)定l操作方便操作方便l自動化程度高自動化程度高l體積小體積小l維護方便維護方便l保證設備安全保證設備安全2022年5月16日392022年5月16日40框架框架爐殼爐殼爐蓋爐蓋爐襯爐襯傾動機構(gòu)傾動機構(gòu)感應圈感應圈磁軛磁軛2022年5月16日41l結(jié)構(gòu)穩(wěn)固結(jié)構(gòu)穩(wěn)固鋼和鋁鋼和鋁l切斷磁路切斷磁路不能形成回路不能形成回路l減輕重量減輕重量傾動方便傾動方便l重心合理重心合理安全安全l便于觀察便于觀察安全安全2022年5月16日42

13、傾動機構(gòu)傾動機構(gòu)l形式形式液壓式液壓式機械式機械式l技術(shù)要求技術(shù)要求平穩(wěn)平穩(wěn)操作靈活操作靈活2022年5月16日43l電阻小電阻小l絕緣性能好絕緣性能好l通水冷卻通水冷卻l設計合理設計合理l拆裝方便拆裝方便2022年5月16日44l材料材料無氧銅（無氧銅（99.99%）l絕緣絕緣耐高溫高壓絕緣涂層耐高溫高壓絕緣涂層l感應圈直徑感應圈直徑l感應圈高度感應圈高度l銅管形狀銅管形狀矩形或圓形矩形或圓形2022年5月16日452022年5月16日46l作用作用減少漏磁減少漏磁提高效率提高效率防止爐殼發(fā)熱防止爐殼發(fā)熱支撐感應圈支撐感應圈l材質(zhì)材質(zhì)硅鋼片硅鋼片l安裝安裝覆蓋感應圈面積覆蓋感應圈面積60%2

14、022年5月16日47l水冷電纜水冷電纜重量輕重量輕電流密度大電流密度大溫升少溫升少損耗低損耗低安裝方便安裝方便2022年5月16日48l循環(huán)水系統(tǒng)循環(huán)水系統(tǒng)設置軟水或純水系統(tǒng)設置軟水或純水系統(tǒng)雙路供水雙路供水應急供水系統(tǒng)應急供水系統(tǒng)保證水壓與流量保證水壓與流量出水溫度小于出水溫度小于50C設置水壓、水溫和流量保護設置水壓、水溫和流量保護2022年5月16日49l排煙除塵系統(tǒng)排煙除塵系統(tǒng)大型感應爐配置側(cè)排煙罩大型感應爐配置側(cè)排煙罩中小型感應爐設置車間排煙系統(tǒng)中小型感應爐設置車間排煙系統(tǒng)2022年5月16日50l堿性爐襯 堿性法冶煉 鋼及合金氧化鎂氧化鈣氧化鋯l酸性爐襯 酸性法冶煉 鑄鐵石英砂l(fā)

15、中性爐襯高合金鋼及有色金屬剛玉石墨2022年5月16日51l爐內(nèi)打結(jié)爐內(nèi)打結(jié)鎂砂打結(jié)石英砂打結(jié)l爐外預制爐外預制耐火材料預制石墨2022年5月16日52l耐火度與工作溫度耐火度與工作溫度2022年5月16日53l物化穩(wěn)定性抗熔渣侵蝕抗鋼水侵蝕l耐急冷急熱l高溫強度高l絕緣性能好l導熱性差l無污染l成本低2022年5月16日542022年5月16日55預制坩堝預制坩堝人工打結(jié)人工打結(jié)機械打結(jié)機械打結(jié)2022年5月16日562022年5月16日572022年5月16日582022年5月16日59（1）感應熔煉基本特點：）感應熔煉基本特點：2022年5月16日60l優(yōu)點：優(yōu)點：-品種多品種多-冶煉靈

16、活冶煉靈活-工藝配套方便工藝配套方便l缺點缺點-原料要求高原料要求高-脫磷脫硫困難脫磷脫硫困難-脫碳困難脫碳困難2022年5月16日61l鑄鋼鑄鋼鑄造、機械加工行業(yè)鑄造、機械加工行業(yè)l鑄鐵鑄鐵鑄造、機械加工行業(yè)鑄造、機械加工行業(yè)l精密合金精密合金航空、電子航空、電子l高溫合金高溫合金航空、電子航空、電子l有色金屬有色金屬有色冶金有色冶金l科學研究科學研究2022年5月16日62l原料種類原料種類1.鋼鐵料純鐵、返回料等2.純金屬Ni板、金屬Cr、金屬Mn等3.鐵合金Cr-Fe、Ti-Fe、W-Fe等4.造渣材料石灰、螢石、鎂砂等5.脫氧劑Al塊、Si-Fe、Mn-Fe等6.脫磷劑氧化鐵皮、礦石

17、等7.脫硫劑CaC2、CaO等2022年5月16日63l原料要求：原料要求：1.化學成分準確不易調(diào)整無脫碳手段2.硫磷含量低無高效脫硫脫磷手段3.清潔無污染缺乏高效精煉手段4.適當?shù)某叽缣岣呷刍?.干燥避免吸氫與發(fā)生危險6.無密閉容器避免發(fā)生危險2022年5月16日642022年5月16日65l四脫四脫(C、P、S、O)、二去二去(氣氣、夾夾)、升溫、升溫、合金化合金化l脫脫C：C ，硬度、強度、脆性硬度、強度、脆性 l脫脫S、P：有害元素，有害元素，S熱脆，熱脆，P冷脆冷脆l(xiāng)脫脫O：鋼中氧含量過多變脆鋼中氧含量過多變脆l(xiāng)去氣、夾雜：氣去氣、夾雜：氣(H、N)，非金屬夾雜非金屬夾雜(氧、硫

18、、氮、硫、磷化合物氧、硫、氮、硫、磷化合物)l升溫、合金化升溫、合金化 完成任務措施完成任務措施：l供氧供氧、造渣、升溫、加脫氧劑、加合金料造渣、升溫、加脫氧劑、加合金料2022年5月16日66使用低碳原材料使用低碳原材料 純鐵純鐵、 Ni板、金屬Cr等等利用碳氧反應利用碳氧反應 礦石、氧化鐵皮等礦石、氧化鐵皮等無有效手段無有效手段 一般無法實施吹氧等手段一般無法實施吹氧等手段主要靠燒損主要靠燒損 高碳鋼時考慮燒損高碳鋼時考慮燒損增碳增碳 靠高碳鐵合金和石墨靠高碳鐵合金和石墨l脫磷反應脫磷反應 2P+5(FeO)+4(CaO) = (4CaOP2O5)+5Fe+Ql脫脫P有利條件：有利條件：

19、a.提高爐渣堿度提高爐渣堿度： (CaO) b.提高爐渣氧化性提高爐渣氧化性： (FeO) c.較低熔池溫度較低熔池溫度：脫磷為放熱反應脫磷為放熱反應 d.加大渣量加大渣量：降低渣中降低渣中(P2O5)濃度濃度。l脫脫P地點：地點： 爐渣爐渣 金屬界面金屬界面 2022年5月16日67l脫硫反應脫硫反應 FeS + (CaO) = (CaS) + (FeO) - Ql脫硫有利條件：脫硫有利條件： a.提高堿度：提高堿度： 但需保證爐渣具有良好的流但需保證爐渣具有良好的流動性動性 b.高溫：脫硫為吸熱反應高溫：脫硫為吸熱反應 c.低低(FeO)：平衡向右進行：平衡向右進行 d.大渣量大渣量：大渣

20、量或多次放渣造新渣，稀釋大渣量或多次放渣造新渣，稀釋(CaS)濃度濃度l脫脫硫地點：硫地點： 爐渣爐渣 金屬界面金屬界面 2022年5月16日68l與氧親和力順序與氧親和力順序CaBaZrAlTiSiVCrMnFeCoSnNiCu2022年5月16日691.沉淀脫氧：沉淀脫氧：直接向鋼液中加入與氧親和力比鐵親和力大的元素(脫氧劑)，使它奪取溶解于鋼中的氧，生成不溶于鋼液的氧化物，上浮進入爐渣，從而降低鋼中的含氧量，又叫直接脫氧。 xMe+yO=(MexOy)特點特點: 操作簡便，脫氧速度快，時間短缺點缺點: 鋼中含有脫氧產(chǎn)物，形成非金屬夾雜物，影響質(zhì)量。方式方式: 將鐵合金或純金屬直接加入盛鋼

21、桶內(nèi)或在爐內(nèi)預脫氧脫氧劑脫氧劑: 硅鐵，錳鐵，鋁及硅鈣等復合脫氧劑2022年5月16日702.擴散脫氧擴散脫氧 根據(jù)：根據(jù)：氧在金屬液和爐渣間的分配定率 操作：操作：將脫氧劑均勻鋪撒在渣面 優(yōu)點：優(yōu)點：鋼液較純凈 缺點：缺點：操作復雜，脫氧速度慢，時間長2022年5月16日71通常無有效去除手段，避免吸入通常無有效去除手段，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應利用碳氧反應降低熔煉溫度降低熔煉溫度及時熔渣覆蓋及時熔渣覆蓋吹氣吹氣2022年5月16日72原料清潔，硫、磷、氧含量低原料清潔，硫、磷、氧含量低熔化過程中減少氧化熔化過程中減少氧化采用合理有效的脫氧制度采用合理有效的脫氧制度調(diào)整熔渣成分利于吸收夾雜物調(diào)整熔渣成分利于吸收夾雜物夾雜物變性處理利于夾雜物脫除夾雜物變性處理利于夾雜物脫除澆鑄過程中的夾雜物控制澆鑄過程中的夾雜物控制2022年5月16日73l冶煉前準備冶煉前準備確定冶煉方法確定冶煉方法選擇原料（鋼鐵料、合金料、脫氧劑選擇原料（鋼鐵料、合金料、脫氧劑、渣料等）、渣料等）配料計算配料計算原料準備原料準備澆鑄系統(tǒng)的準備澆鑄系統(tǒng)的準備2022年5月16日74l補爐補爐出鋼后對坩堝進行清理出鋼后對坩堝進行清理補渣線補渣線補出鋼槽補出鋼槽快補、薄補快補、薄補2022年5月16日75l鋪底渣鋪底渣提前化渣脫磷提前化渣脫磷預裝預裝Si-Fe等以減