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真空自耗电极凝壳炉 * * 适用于钛及钛合金及活性难熔金属的熔炼与离心浇铸成型 * * * * 电弧熔炼结束 2.5.1 线 线 真空凝壳炉 * * * * 7)线 真空电弧炉的设计计算要点 1)炉体 2)坩埚 3)稳弧线)炉体 炉体内径Dl=(2-3)DD ,DD—锭子最大直径; 炉体高度:h=电极长+电极夹头+电极杆长-锭长(坩埚深) 炉壳厚度:按强度进行设计和校核。 * * 2)坩埚 坩埚受热: Φ=Φd+Φf+Φy +Φn+Φz+Φh Φd—电极辐射传热量 Φf—熔池辐射热 Φy—熔池金属热传导 Φn—锭子结晶放热 Φz—熔池蒸发物凝结热 Φh—电弧辐射热 * * 电极辐射到坩埚上的热量Φd 电极散热:绝大部分辐射到坩埚上,小部分热传导到电极杆上。 计算假设: (1)稳定传热,即电极温度分布不随时间变化; (2)忽略对流换热 进行热平衡计算 热平衡方程 边界条件: * * 电极温度分布 电极辐射到坩埚上的热量Φd 认为电极端部传入的热量经电极辐射耗散到坩埚上 * * 金属蒸汽冷凝到坩埚上放热量Φz (1)蒸发速度gz:熔池金属液蒸发与凝结处于动态平衡 Ps—饱和蒸汽压Pa,M—蒸汽摩尔质量g/mol; Tb—熔池温度,Tr—材料熔点。 (2)金属蒸发量: (3)凝结放热: qz—蒸发潜热;qr—熔化放热 * * 熔池辐射到坩埚上的热量Φf * * 熔池的热传导流量Φy 边界条件: 计算微元 熔池的热传导流量Φy αy为与熔炼材料物性有关的系数 * * 锭子结晶放热 G—熔炼速度; qr—熔化热; C—材料比热; t1—冷凝后温度。 * * 电弧对坩埚的辐射热 R1—电弧单位长度电阻; lh—电弧长度; I—熔炼电流; Fs—电弧侧面积; Fg—电弧总的表面积。 坩埚的冷却计算 冷却换走金属结晶和电极辐射等的热量。 冷却不足—坩埚变形、破坏; 冷却过度—熔池太小,熔炼不充分,锭子质量下降。 冷却计算包括:冷却水量、冷却水流速以及冷却水流速校核。 冷却水消耗量: 出水温度不大于45℃ * * * * 坩埚的冷却计算1 (1)坩埚侧壁冷却 最大热流密度发生在熔池上部与坩埚壁仅有极薄的凝壳处: λ—平均导热系数。 必须保证v>=[v]允,使冷却水在水套中不产生气泡和水垢。 * * 坩埚的冷却计算2 (2)坩埚底的冷却计算 坩埚底受热最严重的状态为起弧的瞬间,消耗的热流量为炉子功率的25%: 冷却水流量要满足要求。 * * 坩埚尺寸计算 容积: 高度: 直径: * * 3)稳弧线圈 稳弧线圈的作用:在坩埚外,通以直流或交流电,建立一纵向磁场,稳定电弧和搅拌熔池,获得高质量的熔炼材料。 稳弧线圈的结构:均匀缠绕;上部、下部匝数较多,中间稀疏以补偿端部磁场的削弱。 稳弧线圈的磁感应强度:约束电子在一定半径之内。 稳弧线圈安匝数:安匝数大时,电弧收缩,阴极斑点减少,熔化速度下降;反之,弧柱截面增大,热损失增加、温度下降,熔炼速度下降。 稳弧线圈参数 将电子约束在一定回转半径内的线圈的磁感应强度: 螺管线圈安匝数: h—稳弧线圈高度,μ—空气磁导率 * * * * 稳弧线圈安匝数熔炼速度 稳弧线圈适当的安匝数可加快熔炼速度; 可采用多抽头线圈,调节线圈的安匝数,使之处于最佳值。 * * 4)电极杆 电极杆的电流密度:小于(10-12)A/mm2 电极杆的尺寸:直径由结构和强度决定;长度电极杆的距离和结构需要而定。 电极杆移动的距离L=Ld-LD; Ld—电极长;LD—坩埚深。 电极杆的热电计算: Φmax=Φr+Φd+Φf Φr—电阻发热量(含电极卡头接触电阻热); Φd—电极传导的热量; Φf—熔池辐射热量。 * * 5)电源参数 熔炼电流:影响电弧燃烧的稳定性、熔炼速度、熔池温度、深浅以及钢锭质量。 炉子电压 炉子功率 炉子热效率 熔炼电流 熔炼电流:影响电弧燃烧的稳定性、熔炼速度、熔池温度、深浅以及钢锭质量。 电流增大,熔池加深,冷却慢,易出现偏析 电流减少,燃烧不稳定。 (1)保证电极稳定熔化的最小电流密度 (2)保证获得优质钢锭的最小电流密度 (3)保证获得优质钢锭,并由一定储备余量的电流密度 * * 熔炼电流与坩埚直径的关系 * * I=(17-40)DD (A) 熔炼电流和熔炼时间的关系 * * 前期水冷强烈,电流要高一些,中后期炉内温度升高,电流小些。 炉子电压 (1)解析法 Ry—电缆电阻 Rt—炉体电阻 Rd—电极和电极杆电阻 Rx—限流变阻器电阻 Rj—接触电阻 Ua—电弧电压降 * * 炉子电压 * * (2)对比法 与现有炉子参数作对比,确定炉子电压。 (3)经验法 U炉体=5-10V U其余=3-5V 炉子功率 (1)按熔炼电流、电压计算 P=I*U (2)热平衡法 P=Pe+Ps+Pes Pe—有功功率;Ps—热损失 Pes—回路电阻热损失 * * 炉子参数与热效率 * * * * 4 线)工作原理 采用浅底水冷坩埚,控制冷却水量,使被熔金属在坩埚内壁形成一薄层凝壳。 与坩埚隔离,防污染; 形成大的熔池,可浇铸异性铸锭。 2)结构组成 电源、电控;坩埚及翻转机构;操作平台;炉体;电极快速提升装置;电极升降系统;真空系统;水冷系统;离心浇铸装置。 真空自耗电极凝壳炉 * * * * 真空电弧炉工作原理综合分析 真空:气体放电条件 直流电源:低电压、弧光放电 阴极区:熔化金属 生热源:正离子轰击、化学反应、弧柱区传热; 消耗热:发射电子、散热、熔化电极 阳极区:保持熔池熔融状态 生热源:电子轰击、化学反应、弧柱区传热; 消耗热:散热 * * 5)电弧炉的防爆 (1)爆炸原因 冷却水不足 电极偏斜 线Pa)等 引起边弧将结晶器烧穿漏水。 (2)爆炸形式 (a)良性爆炸—漏水与金属接触,瞬时产生大量水蒸气,发生水蒸气爆炸,冲破防爆孔,危害性不大。 * * 电弧炉的防爆 (b)金属爆炸—水进入金属熔池中,液态金属飞溅到炉壳上,将炉壳烧穿,尚不能破坏整个设备。 (c)恶性爆炸—水与熔炼的活泼金属进行化学反应,生成大量氢气,与炉壳被烧穿后进入的氧气反应,发生剧烈爆炸,会破坏炉子,摧毁厂房。 * * 防爆措施 短弧操作—弧长小于电极与结晶器内壁的间隙 增加抽气能力—并联罗茨泵,及时排除突然产生的大量气体 冷却系统安全可靠—水温、水压、流量与电源互锁 设置泄压装置—弹簧泄压、薄膜泄压 遥控操作—设置防爆墙,远距离观察熔炼过程 使用新型冷却介质—Na、K合金液代替水冷却 * * 防暴装置 * * 2.5.2 线)电极杆及其传动机构 5)防暴装置 6)观察装置 7)线)电弧炉的组成 炉壳 电极杆及传动装置(电机、减速器) 观察装置 坩埚及水冷系统 真空系统及水冷系统 液压系统(炉体的升降和转动) 气动系统(真空阀门、电极卡头) 电源设备及控制系统 特点:设备庞大,机械化、自动化程度高 * * 电弧炉炉型 按炉体或坩埚转动或移动划分: (1)炉体固定、坩埚移动型:由小车拉锭、卸锭、送电极 (2)炉体固定、坩埚转动型:两个坩埚交替使用,生产效率高 (3)炉体转动、坩埚固定型:两个坩埚交替使用,生产效率高 (4)炉体移动、坩埚固定型:两个坩埚交替使用,生产效率高 后三种炉型在坩埚上设置真空阀,多锭熔炼 * * 典型炉型—P型炉结构 一个可转动炉体,两个坩埚; 运动要求: 升降和旋转 升降:液压油进入油缸,使整个路体沿导向键向上提起,至要求位置; 旋转:液压油进入旋转油缸,使炉体旋转一定角度,完成坩埚的更换。 * * 炉体转动型自耗炉结构 直流电机用于正常熔炼交流电机用于快速提升和装卸电极 炉体转动型自耗炉 * * * * 转动式炉体结构图 * * 2)炉体 真空室,上接传动系统,中接线)作用 真空室,熔炼、精炼的场所 (2)要求 足够、最小的空间 炉体内径Dl=(2-3)DD ,DD—锭子最大直径; 炉体高度:h=电极长+电极夹头+电极杆长-锭长(坩埚深) * * 足够的强度和适度的冷却 足够的强度: 考虑炉体连接的机械设备、电极等的重量,大气压力、水冷水压,防爆孔等强度削弱处。 圆形结构多,刚度大、省材料、易加工。 适度冷却: 冷却水带走热量=10%总功率。 热流密度23260w/m2时,采用水套冷却。 热流密度23260w/m2时,采用水管冷却。 * * 观察装置与炉门 设置观察装置 对称于电极至少设置2个观察孔,以便看清熔炼全貌,远距离观察。 设置炉门(人孔) 检修、清理炉体。 * * 3)坩埚及其水冷 (1)坩埚作用 结晶器、热交换器、放电电极 (2)要求:导热、导电性好 材料—紫铜(最多使用,价格低于无氧铜,不与被熔金属粘结)、无氧铜、钢(大坩埚) 表面平整光滑—便于脱锭 足够的刚度和强度 壁厚尽量薄—便于热交换 留有热膨胀变形伸缩余地 * * 坩埚制造及冷却 小坩埚挤压成型,壁厚8-10mm,要有一定的锥度,便于脱锭 直径小于150mm时,锥度为1:200 中型坩埚采用离心铸造 大型坩埚采用卷板焊接,壁厚12-24mm。 适当的冷却—80%的热量由冷却水带走 * * 坩埚的结构形式 整体式—适用于小炉,翻倒脱锭 活底式—便于清除水锈和水垢 脱锭式—熔池始终处于坩埚口处,污染少 * * 坩埚的冷却方式—水冷套式 水冷套(最常用): a稳弧线圈在水套内 b稳弧线圈在水套外 * * 坩埚的冷却方式—喷淋式 由上部环形管(可移动式—随熔池面的变化而移动)开Φ2-Φ3mm孔多个 水由小孔喷淋到坩埚外壁,一部分蒸发,一部分淋下,换热效果好 省水,可以防止蒸汽爆炸 * * 坩埚的冷却方式—钠钾合金液冷却 78%Na,22%K, -11℃为液态,流动性好 通过冷凝器循环使用。 不与活泼被熔炼金属发生化学反应,可起到防爆的作用。 * * 4)电极杆及其传动机构 电极杆 导电,为弧光放电提供大电流;夹持并带动电极上下运动 足够的导电截面,小的电阻(自身电压降=1V) 足够的机械强度 表面光洁、耐磨,轴线直线度高 充分的冷却 夹头简单、可靠,装卡方便。 * * 滚珠丝杠传动电极杆结构 外层不锈钢,承担机械载荷和动密封 中间层紫铜,导电 内层不锈钢,承担电极重量和汽缸压力 * * 电极杆传动系统 对传动的要求: 下降速度满足熔化速度,几至十几毫米/分钟 快速下降—当发生边弧、爬弧等异常放电时,快速下降,消除异常放电,速度在50-100毫米/分钟 快速提升—消除异常放电后,实现快速提升,以免短路时间太长烧毁电源以及熔池温度下降与电极粘到一起。短路时间0.2-0.5s。提升速度500-1000mm/min。 运动平稳、精度高、惯性小。 * * 传动系统1 1)电磁离合器传动系统 交流电机、斜齿轮减速机:快速提升和装卸电极 直流电机、斜齿轮减速机:正常熔炼 电磁离合器:实现两台电机的切换 滚珠丝杠传动:实现不同的升降速度。 * * 带有电磁离合器的传动系统图 * * 传动系统2 2)带有差动器的传动系统 直流电机:经减速,再经差动轮系A,由齿轮7输出,再与差动轮系B联接,实现减速运动。 交流电机:经两级减速,与B联接,实现快速升降 * * 带有差动器的传动系统图 * * 5)防暴装置 * * 6)观察装置 * * 光学观察装置 * * 7)真空系统 真空应用 NEU * * 真空应用Vacuum Application 主讲: 王晓冬* * 课程内容与学时安排 1线 线 线 线 线 真空冶金的特点和分类√ 2.2 钢液线 真空电炉的分类和组成√ 2.4 线 线 电子束熔炼 * * 2.5 线 真空电弧炉的工作原理 真空电弧炉是在真空中利用电弧放电产生的热量来加热和熔炼金属的一种电炉。 金属电极在直流电弧高温作用下,迅速熔化并在水冷结晶器内进行再凝固。 液态金属以熔滴的形式通过5000k的电弧区向结晶器滴落,使金属得到精炼; 达到净化金属、改善结晶结构,提高材料性能的目的。 电极为负极,熔池为阳极 线年真空电弧炉正式用到工业上。 直到1956年,美国和欧洲许多国家还在用非自耗炉熔炼。
2024-May-12
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