大学毕业设计--多功能真空精炼炉设计.doc

多功能真空精炼炉设计摘 要目前我国钢材市场存在着广阔的发展空间，尤其随着国内机械、汽车、电子等行业使用钢材标准和水平的提高，我国优质特殊钢发展迅速。为生产优质不锈钢、电工钢、超深冲IF汽车板，各钢铁企业加强了对相关设备的开发。我国的特殊钢大部分采用电炉冶炼，但是电炉却不适合一些小批量的特殊钢种的生产，感应炉与吹氧、底吹、真空等各种冶炼手段的结合，顺应了这一市场需求。感应炉已具有近110年的历史，主要用于熔化。近年来感应炉熔炼设备和工艺正在不断发展，主要有能量窗口技术、感应真空反应器技术、氩氧感应炉技术、冷坩埚真空感应熔炼技术。未来的发展空间主要集中在冶炼基础的研究和节约能源提高效率等方面。本文分析了多功能真空精炼炉的特点，介绍了VOD模拟工艺，进行了配料计算；在论述了真空感应炉工作原理的基础上，主要对多功能真空精炼炉坩埚、感应器的设计做了详细的说明，所设计坩埚的平均直径为30cm，高度为56cm，感应器内径为44cm，高度为53cm，功率为200kW。之后对真空系统顶吹氧枪和底吹氩系统以及电源和控制系统进行了选择。本文所设计的真空精炼炉能够有效降低钢中的碳、氮含量，提高钢的强度，从而能够进行优质产品开发，还可以在原有产品基础上对成分、温度等方面进行控制，开发新工艺，生产优质电工钢、超深冲汽车板，特别是超低碳氮产品，如超纯铁素体不锈钢、IF钢。关键词：多功能真空精炼炉，真空感应炉，坩埚，感应器Multifunction vacuum refining furnace designAbstractNow rolled products market in our country has a widely development space, especially following the requirement of machinery, car and electron industry, high-quality special steel is developing in a high speed. To produce high-quality stainless steel, electric steel and extra-deep drawing IF car steel plate, every iron and steel enterprise emphasize the exploitation to relevant equipment.In our country, special steel is always smelted by electric furnace, but it is not suitable for some special steel when its needed only small-lot. Combining oxygen blowing, subaeration, and vacuum and so on, induction furnace satisfies these markets wants. Induction furnace is usually used of melting with a history of one hundred years. In recent years induction furnace has a great development on equipment and technology, such as PWT (Power Window Technology), IVR (Induction Vacuum Reactor), AODIF (Argon Oxygen Decarburation Induction Furnace) and vacuum melting method with cold crucible. In the future the development will concentrate at the research on melting foundation, energy conservation and increasing of efficiency and so on.In this paper, the characteristics of multifunction vacuum refining furnace are analyzed, and then the simulation process of VOD and batch calculation is introduced. After expounded operating principle of vacuum induction furnace, designing of crucible and inducer is introduced with detailed description. In this designing, average diameter of the crucible is 30 cm, height is 56 cm, and inner diameter of the inducer is 44 cm, height is 53 cm, the power is 200 kW. Later vacuum system, top blowing oxygen popper and bottom blowing argon system, source of power supply and control system of multifunction vacuum fining refurnace are selected.This furnace can effectually reduce the content of carbon and nitrogen in the steel, increase the strength of the steel, and then can exploit high-quality production, new technology. It can produce high-quality electric steel, extra-deep drawing car steel plate, especially extra-low-carbon and nitrogen product, such as extra-pure ferritic stainless steel, IF steel.Key words: multifunction vacuum refining furnace, vacuum inductance furnace, crucible, inducer 目 录第一章 绪论11.1 引言11.2 多功能真空精炼炉概述1第二章 文献综述32.1 真空感应炉的技术发展与前沿课题32.1.1 当今感应炉熔炼设备和发展32.1.2 感应炉熔炼的重点发展方向和前沿课题62.2 VOD的基本原理与当今技术6第三章 设计的任务10第四章 工艺设计114.1 冶炼工艺过程的描述114.2 配料计算14第五章 坩埚感应器设计165.1 感应炉熔炼工作原理165.2 坩埚设计175.2.1 坩埚的要求175.2.2 坩埚的材料制作、形状与结构、参数计算185.3 感应器设计205.3.1 感应器的作用及要求205.3.2 感应器的结构215.3.3 感应器的冷却225.3.4 感应器的放电与绝缘225.3.5 感应器尺寸确定及安放位置225.4 真空感应炉的参数计算235.4.1 电流频率的计算与选择235.4.2 真空感应炉的功率计算245.4.3 感应器的电气参数计算275.5 计算结果32第六章 整体设备设计与造型346.1真空设备与顶底复吹系统的选择346.1.1 真空设备346.1.2 顶底复吹系统的选择356.2电源的选择与控制系统356.2.1 电源356.2.2 计算机控制系统356.3 整体平面布置图38参考文献39致谢4129 第一章 绪论1.1 引言自70年代以来，国际上钢铁冶金生产技术发展的主流程是开展通用大材料工程新技术新流程研究开发。同时也普遍加强了小规模特殊材料的研究,“精细冶金”发展迅速，是当今冶金科学发展最为活跃的一个重要的方向。伴随着超纯净钢需求量的扩大，炉外精炼技术始终是冶金工作者关注的课题1。回顾20世纪炉外精炼工艺技术的诞生和发展历史，可以预言在21世纪，炉外精炼作为最重要的炼钢生产工序，将会得到进一步地发展。在新世纪的炉外精炼技术发展中，真空精炼技术会更普遍地应用，将进一步提高钢水真空精炼的比例。随着钢材纯净度的日益提高，要求真空处理的钢种逐渐增多，真空精炼技术的应用将更加普遍；炉外处理设备将实现“多功能化”，一台钢水精炼设备中将渣洗精炼、真空冶金、搅拌与喷粉工艺以及加热控温功能全部组合起来，实现多功能精炼，从而满足超纯净钢生产的社会需求。我国的特殊钢大部分采用电炉冶炼，感应炉生产的优质特殊钢只占很小的比例。随着电弧炉功率的不断增加，我国电炉行业将主要发展50t以上的电炉，带动30t以上的电炉发展2。而小电炉由于无法与精炼配套，在成本、生产率和质量方面无法与大电炉竞争，但是大电炉却不适合一些小批量的特殊钢种的生产，而小电炉也很难冶炼出优质钢水，这就造成了一个问题：如何面对小批量、多品种的这部分特殊钢市场。一个可行的办法是在小电炉后加精炼设备，可选用的主要有LF炉和感应钢包炉（OC，AOD，VOD等化学热方法，加热量有限，供能限制环节颇多，这里不详加讨论）。而选用LF炉作为小电炉的精炼设备要受到很多限制1。感应炉的相关工艺及设备，适合我国的以质量、品种为核心的产业政策。由于感应炉其自身特点，能灵活地根据市场需求，生产高质量、多品种的特殊钢.作为既可冶炼又可精炼的感应炉，实际使用起来十分方便、灵活，可与吹氧、底吹、真空等各种冶（精）炼手段结合，达到产品质量的要求。1.2 多功能真空精炼炉概述现今全世界优特钢的总量约8000万吨，占世界粗钢总量10%左右。除瑞典的优特钢比达30%-50%外，日本、美国等国的优特钢比均在10%-20%之间。相比之下，我国优特钢比例一直徘徊在10%-12%。合金钢比例仅5%-6%。若我国优特钢比例达到15%，按我国粗钢总量水平计算，国内优特钢总量应达到3500万-4500万吨水平。随着国内机械、汽车、电子等行业使用钢材标准和水平的提高，国内优特钢市场有着广阔的发展空间，针对上述情况各钢铁生产企业加紧开发研究新工艺设备，提高质量，降低成本。本课题所设计的多功能真空精炼炉即顺应了这种发展趋势，该炉适合冶炼各种对气体含量要求较高或含易氧化元素的合金钢或者其他合金。（1）该精炼炉具有脱气功能（相当于VD炉），通过在感应加热熔炼的同时，在坩埚底部的透气砖底吹氩气可促进钢中夹杂物上浮，如果加顶渣可以实现有效脱硫和提高夹杂物的吸收效果；（2）该精炼炉在真空系统下采用顶吹氧、底吹氩工艺，可模拟RH和VOD功能，能够有效降低钢中的碳、氮含量，提高钢的强度，从而能够进行优质产品开发，还可以在原有产品基础上对成分、温度等方面进行控制，开发新工艺，生产优质电工硅钢、超深冲汽车板，特别是超低碳氮产品，如超纯铁素体不锈钢、IF钢；（3）该精炼炉还可用于小批量生产特殊钢种，满足小批量、多品种的部分特殊钢市场需求。第二章 文献综述2.1 真空感应炉的技术发展与前沿课题2.1.1 当今感应炉熔炼设备和发展感应炉已具有近110年的历史，主要用于熔化。在相当长的一段历史时期制约其发展的障碍主要集中在耐火材料方面、炉渣方面、供能设备以及废钢和原材料方面的限制。二次大战后，作为特种冶炼工艺重要组成部分的感应炉技术和设备得到了较快地发展。在特殊钢冶炼感应炉中发展最为活跃的是无芯感应炉，尤其是中频无芯感应炉。无芯感应炉没有诸如电弧、等离子等高温热源接触加热，相同标定容量的EAF冶炼的金属损失为5%，而无芯感应炉的仅有1%。无芯感应炉的噪音很小，远低于EAF和其它冶炼设备，这是由其加热特点决定的。无芯感应炉的非接触加热方式，不但可以空出炉顶的工位，而且加热不受钢表面状况影响，其温度控制精确。使用无芯感应炉冶炼，在加热、冷却、加合金料等操作过程中，一直可保持有电磁搅拌，这就保证了均匀的物理化学条件，这是电弧加热和等离子加热及吹氧所不能及的1。真空感应炉大约始于1920年，用于熔炼镍铬合金。直到第二次世界大战，由于真空技术的进步使真空感应炉熔炼才开始真正发展起来。二战期间欧美等国家已达到了实用化程度并取得了飞速发展，日本也相继采用。这种方法多用于熔炼耐热钢、轴承钢、纯铁、铁镍合金、不锈钢等多种金属材料。这一方法使材料的断裂强度、高温韧性、耐氧化性等都得到了改善。真空感应炉一般用无铁芯型的感应圈，设置在炉体内的称内热型；感应圈设在真空炉体外的称外热型。外热型炉主要用于小型炉，容量为0.5-3kg，电源多数用高频发生器。内热型炉，小型炉亦可用，但主要用在大型炉。1956年真空感应炉的容量已达到1.0-1.5t和2.3t。1962年达到5.4t，为真空电弧炉制作电极用。这种炉子熔炼效果好，活性金属消耗少，成分容易控制。由于大型真空抽气设备（如增压泵）的出现，真空感应炉也逐步向大型化发展。以美国为例，1969年真空感应炉的容量已达到60t的规模。满足了各种金属材料工业化生产的要求。西欧各国家也在20世纪60年代，将炉子向大型化发展并不断改进。可在冶炼过程中不破坏真空，在装料、铸模准备及浇铸操作等过程实现连续的或半连续的真空感应熔炼。自动控制操作可提高冶炼速度和效果。近年来美、日等国家在所用的坩埚耐火材料表面上喷涂一层内衬，大大地提高了坩埚的使用寿命，减少了对熔炼金属的污染。感应熔炼活性金属时，对所用陶瓷坩埚材料的高温化学稳定性要求十分严格。采用一种可通水冷却的由众多铜管组合而成的冷坩埚3， 4，取代原有陶瓷型坩埚，即可有效的排除坩埚材料对熔炼金属的污染。应用冷坩埚感应熔炼活性金属的概念，最早由德国Siemens和Halsker提出专利。在以后的40年中，由美国、德国、法国及前苏联等国家不断发展、研制和改进工艺，使该工艺的商业应用成为可能。法国A.Gagnoud等提出了冷坩埚悬浮熔炼工艺，即物料在冷坩埚中于悬浮状态进行熔炼，消除凝壳，用来解决高熔点及活泼金属半工业化生产问题，并可广泛地用于高纯材料、半导体和放射性材料的冶炼。日本N. Demukai等也报道了对冷坩埚悬浮熔炼中悬浮力和传热行为进行基础性实验的结果。俄罗斯科学院电热研究所经30年的探索与研究，已成功地领先开发了大容量冷坩埚，并于1980年即开始了多种类型的商业冷坩埚真空感应炉的生产应用，先后生产了数十种金属与合金产品。我国钢铁研究总院也成功开发了冷坩埚悬浮熔炼工艺和技术，研制成功了2.5kg冷坩埚真空感应悬浮熔炼炉。冷坩埚是由十多根乃至数十根通水冷却的铜管组合而成，管间缝隙充填耐火材料绝缘，由于对坩埚壁的强制冷却，其表面温度足以防止熔融金属与坩埚接触时可能发生的任何反应。在交变磁场中，产生在冷坩埚各组合铜管截面中的感应电流，在相邻两管间产生磁场增强效应，组合管越多磁场增强区越多，形成一致向心的增强电磁力，熔化的熔料被推离坩埚壁，熔体被隆起，接触区的高密度热损失减少。冷坩埚感应熔炼的特征及应用为：熔融金属不受坩埚材料沾污，适用于活性金属及难熔金属的熔炼；强的电磁搅拌可迅速得到成分、温度一致的熔池，适用于熔炼成分复杂且元素间物性差异较大的多元合金；被推向熔池中心的熔体，不断产生新的自由表面，强化了精炼过程；可连续熔炼、拉锭及重熔回收稀有金属及难熔金属废料，所用物料可为块状、粉末、鳞片、海绵及车屑等；可生产高质量超纯成型铸件，可控制熔体在坩埚中结晶、凝固过程；可作为强流加热通道用于喷雾制备金属粉末。目前俄罗斯科学院电热研究所已有效的采用冷坩埚真空感应熔炼炉熔炼了Ti，Ta，Nb，Cu，U，Ni，Cr，La，Mo，Si，W，V等多种金属、合金及一些超合金、金属化合物等。近年来感应炉熔炼设备和工艺正在不断发展，主要有：（1）能量窗口技术PWT（Power Window Technology）该技术由美国Inductosteel公司发明，在感应钢包的发展中，为解决钢壳的过热问题，ABB开发出陶瓷外壳的Calidus系统。但由于陶瓷外壳造价昂贵，易碎（脆性），1988年在北美市场被禁止使用，所以现在只在欧洲有Calidus，但其运行状况良好。而同期Inductosteel公司开发钢壳感应钢包，运用PWT技术，其容量可达1-5t，生产率高达50-100 t/h。PWT的设计思想是：允许强的电磁场通过钢壳，就象太阳光通过窗户，电磁场的能量对液态钢加热搅拌，形成一个活性反应界面，故称之为能量窗口技术5，6，7。（2）感应真空反应器IVR（Induction Vacuum Reactor）该工艺由美国Uhsteel公司开发，感应炉真空反应器技术是感应炉加真空系统，综合了多种精炼手段（感应加热及搅拌、真空脱气、真空氧脱碳、合金重新利用），被认为是AOD、VOD以及真空脱气法的有力竞争者。据报道，德国ALD公司利用IVR技术8，9，开发了VIM（Vacuum Induction Melting）系列工艺及设备10，包括VIM 02-100（真空熔炼及浇铸）、VIM-MT（锭模处理）、VIM-VCC（垂直连铸）、VIM-HCC（水平连铸）、VIM-DS（定向凝固）、VIM-MC（锭模室）、VIM-P（加压）等。（3）氩氧感应炉AODIF（Argon Oxygen Decarburation Induction Furnace） 该工艺由东北大学开发11，12，氩氧感应炉是在普通感应炉底部吹入氧气和惰气混合气体，使普通非真空感应炉具有了脱碳等精炼功能。利用底吹惰性气体（Ar或N2）稀释脱碳反应产物（CO和CO2），使脱碳热力学条件和动力学条件得到改善，钢液顶部加渣精炼，可有效地控制钢中的磷、硫、氮等杂质，实现超低碳钢冶炼。（4）感应加热技术在钢水炉外处理中的应用目前，已出现了感应钢包炉、中间包钢水感应加热技术。主要利用感应加热的热效率高、对钢水无污染的特点。（5）冷坩埚真空感应熔炼技术它兼有电弧熔炼和陶瓷坩埚感应熔炼的特点，无需制备电极即可一次得到成份均匀而又无坩埚污染的高质量产品，工业生产已由生产钛、锆及其合金，发展到多种活性金属及一些新型金属间化合物，从厚度仅为1.27mm的薄型断面铸件到上吨级的锭坯。设备投资少，产率高，从某种意义上看这一技术是当前感应熔炼发展的新趋势，作为一项新型而已成熟的冶金工艺正日益为国内外所关注13， 14。2.1.2 感应炉熔炼的重点发展方向和前沿课题（1）加强感应炉冶炼的基础研究，这包括感应搅拌（与其它搅拌的藕合）的流场及温度场，炉衬的温度分布，炉壳的材质，合理供电制度的确定，炉渣等方面的研究。（2）供能电源的研究，提高感应炉电源的功率，使感应炉的容量和熔化速度提高，加强提高感应炉电源的稳定性、电效率、功率因素等方面的研究。（3）多功能真空感应加热钢包精炼炉的设备和冶金过程的应用基础研究。（4）加压感应炉的设备研制和工艺开发过程中相关理论研究。（5）与其他加热方法结合的感应炉，如电弧感应炉、电渣感应炉和等离子感应炉的特殊电热冶金设备和工艺开发中的相关应用基础理论研究。（6）冷坩埚熔炼和冷坩埚悬浮熔炼的设备和冶金工艺研究的基础理论问题。包括冷坩埚形状、感应圈形状、浮熔材料及电源等因素对悬浮熔炼效果的影响；采用特殊工艺和中间合金可以实现合金的弥散强化和制备高性能复合材料；冷坩埚和其它电热冶金方法结合的研究，如在冷坩埚感应炉上附加了等离子体热源装置等。2.2 VOD的基本原理与当今技术传统的电炉返回法能够依靠吹氧来冶炼C0.08%的低碳不锈钢。但是对于C0.03%的超低碳不锈钢，由于吹氧时间长，温度过高，在脱碳的同时仍有相当数量的Cr被氧化成Cr2O3或Cr3O4。因此在脱碳结束后还必须采用高价的还原剂来还原，以减少铬的损失。这样的重复循环过程，能源和劳动力等的消耗都很大，而且在加热熔池的过程中还会遇到电极增碳的问题。而单纯冶炼C0.03%的碳素钢水进而通过加入合金来生产不锈钢，则对合金材料的成分要求甚严，只能使用碳含量很低的金属铬及真空铬，且也不利于返回不锈钢炉料中Ni、Cr等合金元素的回收利用。同时，该法的前期脱碳和后期防止增碳的任务仍然很重15。对于Fe-C二元系，可控制实现使其含碳量降至0.01%的温度和吹氧条件。而对于Fe-C-Cr三元系来说，采用同样的温度和吹氧条件将由于钢中Cr降低了C的活度系数fC，在导致冶炼高铬不锈钢时只能使碳含量降至0.06%-0.07%。因此，要冶炼C0.06%的低碳、超低碳不锈钢，依靠传统的电炉返回吹氧法在理论上也是很难达到的。常压下含铬钢液优先脱碳必须具有高温条件，工艺上往往要电弧加热熔池到1700以上才能进行吹氧脱碳。当吹到C0.07%时，熔池温度甚至可以达到1800。而在真空减压条件下，可将钢中C脱至很低而又能控制钢中Cr的氧化，而且所能达到的真空度越高所需的冶炼温度可越低。这一冶炼不锈钢的途径即VOD法，它为生产低碳、超低碳不锈钢解决脱碳保铬的问题提供了理论上的依据，并使生产成为现实。VOD法的特点是：在初炼炉（如电弧炉）熔化钢铁料并进行吹氧脱碳，使钢液内的C降至0.4%左右，同时调整Si、Mn以外的其他成分到规定值，钢液温度在1600-1650时出钢至包内，然后将盛钢水包移入真空罐中，在达到一定真空度后从真空罐上方用氧枪向包内吹入氧气流以降碳至产品要求，同时由包底的透气砖吹入氩气搅拌钢液。VOD过程中C-O-Cr的平衡：钢中的Cr的氧化可由如下反应式表示：mCr+nO=（CrmOn）钢中含Cr量不同生成的氧化产物也不同，在Cr9%时生成物一般可认为是固体Cr3O4，上面反应式可写成：3Cr+4O=（Cr3O4） （2-1）高铬不锈钢的含铬量一般为Cr9%，因此我们就以Cr氧化生成Cr3O4来研究铬的氧化。在加矿石的条件下，钢中的易氧化元素以间接的方式被氧化，这样钢中C的氧化可表示为：C+O=CO （2-2）钢液中同时存在C、Cr时，根据热力学原理C-O-Cr反应可由（2-1）和（2-2）加和得到：3/2Cr+2CO=2C+1/2（Cr3O4） （2-3）其反应的与温度的关系为：T （J/mol）由化学反应的等温方程可知，反应的自由焓变化与温度的关系为： （J/mol）其中为任一状态下反应的生成物与反应物的活度商。由热力学理论可知，恒温、恒压下反应过程的自由焓变化为反应进行的方向和程度的判据。若要“脱碳保铬”，就需要反应式（2-3）的0。在反应达到平衡时，此时，为反应的平衡常数，与各反应组元的活度或者分压的关系为：由于（Cr3O4）在渣中会呈饱和状态，则，这样上式就可简化为： （2-4）平衡时与（K）的关系为：将代入上式并取对数后整理得： （2-5）从以上的分析来看，要“脱碳保铬”，就是要在达到钢中C很低的情况下使钢中Cr尽可能地高，不被氧化或者很少被氧化。要达到这样的目的，从热力学来看，使反应的平衡系数减小是手段之一。而反应的平衡系数为温度的函数。对该C-O-Cr反应来说，提高温度T便会减小K值，但是提高温度是有一定的限度的。从式中可以看出，在一定的温度下，影响C因素与（Cr3O4）比值的为PCO。PCO降低亦可以达到“脱碳保铬”的目的，而采取真空减压的措施便可以降低PCO。运用这些热力学理论对实际生产的钢种进行一些简单的运算以确定出VOD处理时所应满足的温度和真空度（近似地看作PCO）等参数，无疑具有一定的理论指导意义。但是鉴于VOD技术的设备费用高，处理时间长，其发展速度受到了一定的限制。目前，VOD技术改进后出现了SS-VOD技术（强搅拌VOD技术）和VOD-PB技术（VOD喷粉技术），可用来生产超低碳和超低氮的不锈钢。另外，VOD技术用在三项技术的最后工序进行脱气处理已逐渐形成共识16。第三章 设计的任务本课题设计用于模拟VOD不锈钢精炼过程的200kg多功能真空精炼炉。设计主要内容包括：（1）工艺设计，针对该设备可以用于生产优质不锈钢的特点，对包括304、316L、409L、444等钢种进行配料计算，并设计加热和熔化工艺，选择合适氧枪，进行顶吹氧和底吹氩工艺设计，对工艺过程中脱氧和合金化、造渣脱硫等工艺过程进行描述等；（2）坩埚、感应器和电源的设计计算，在感应炉基本工作原理的基础上，对坩埚材料制作、形状与结构、参数计算，感应器的结构、尺寸确定及安放位置、电流频率计算、功率计算、各电气参数计算等方面进行设计；（3）真空系统的设计和计算；（4）真空除尘系统的设计与计算；（5）对炉子整体平面进行布局，并绘制整体平面布置图。第四章 工艺设计4.1 冶炼工艺过程的描述以模拟VOD冶炼铁素体不锈钢（AISI409）工艺操作方案为例。（1）试验目的 对设备进行功能考核； 探索VOD冶炼高纯铁素体不锈钢工艺。（2）钢种成分 AISI409铁素体不锈钢的成品化学成分要求，见表4-1。表4-1 AISI409铁素体不锈钢化学成分（%）元素C+NSiMnPSCrTiAl%0.020.85-0.950.85-1.000.020.00310.5-12.56（C+N）-0.650.02（3）基本工艺实际生产中409不锈钢是采用三步法冶炼，而在实验中由于炉子的容量太小，如果将钢水从AOD模拟设备经钢包输送并兑入200kg真空炉内，钢水温度无法保证，甚至要凝固。因此，本试验中将在200kg真空炉内熔炼出实际生产中AOD出钢后钢液成分，然后再进行模拟VOD的操作工艺过程。即： 配料 真空炉熔炼不锈钢母液 模拟VOD精炼出钢（4）真空感应炉熔炼409不锈钢母液配料及原料要求根据生产现场的实际情况，AOD炉出钢后钢液的化学成分见表4-2，真空炉熔炼其成分按此表控制。其原材料配比见表4-3。各种金属料和造渣料要求见炼钢实验用原辅材料清单和技术要求。表4-2 409不锈钢入VOD前母液成分要求元素CNSiMnPSCr%0.40-0.450.0150.100.90-1.020.0200.01011.0 -12.5表4-3 冶炼409不锈钢母液的原料配比（出钢量120kg）原料名称工业纯铁高碳铬铁微碳铬铁合计加入量/kg97.28.014.8120初炼工艺将表4-3所示的炉料一次性加入200kg真空感应炉坩埚内，关闭真空室，打开真空泵进行抽气。当真空度达到1kPa左右时，感应电源开始送电。当炉料全部熔清，温度达到1600左右时，取样全分析，当成分基本满足VOD入炉钢液成分要求时，初炼结束。在送电开始，为了保证底吹透气砖畅通和钢液脱气，在整个熔炼过程中要保持一定的底吹Ar流量，可控制在0.3-1.0Nl/min。（5）VOD精炼工艺第一步：真空吹氧脱碳当钢液成分满足工艺要求后，钢液温度在1560-1600之间，真空室压力在10kPa以下时，下降氧枪，开始吹氧。同时，大幅度降低感应电源功率，若精炼期间钢水温度在1700后，应关闭感应电源。氧枪高度距钢液面约200-300mm，流量1.2-2.4Nm3/h。压力在0.5-0.6Mpa，底吹Ar流量0.18Nm3/h。吹炼过程中最好将废气与气体分析仪相连接，以判断熔池碳含量的变化情况。随着熔池碳含量的降低后相应降低吹氧流量。停吹氧时机的确定对VOD操作非常关键。真空吹氧的临界碳含量，通常为0.05-0.08%，继续吹氧会造成Cr的大量氧化，而C的下降倒不明显。可以采用以下几种方法17：计算方法计算出需要的供氧量，按供氧量确定吹氧结束时间。式中：供氧量，Nm3；钢水量，t；废气中CO2含量，%；元素的氧化量。适当考虑吹炼时Fe的氧化量，便可计算出所需的供氧量。压力、温度特征控制法从吹氧开始后，由于碳氧反应放出大量的CO气体，压力迅速升高。随着碳含量的降低，脱碳速度下降，压力又逐渐下降，当真空压力降到比最高峰值低10.67-13.33kPa时，钢中碳含量为0.07-0.10%。这时结束吹氧，开足真空泵使压力降至133Pa以下，过程进入碳脱氧。废气温度的变化特征也是一个很好的参考，由于大量CO的放出使废气温度升高，当废气温度由300左右升高至600再降至300-400时，即可停吹氧。废气分析法吹氧几分钟后，开始碳氧反应，废气中CO的成分突然升高至60%以上，这种CO含量约保持30min后，又突然下降。此时标志着碳氧反应结束，应立即停止吹氧，在低压下进行真空碳脱氧。第二步：VCD处理当吹氧结束后，要将真空泵的抽气能力达到最大，使真空度达到100Pa以下，最好能达10Pa的水平。同时，将底吹Ar流量也达到最大0.24Nm3/h，进行真空碳脱氧（VCD），即自由脱碳。处理时间在10min以上，最好能达到15min，此阶段结束后进行测温、取样，其中C+N应小于20010-6。第三步：还原、造渣及合金化添加Al1kg，FeSi粉3kg和石灰15-20kg和萤石1-2kg进行还原，2-3.5分钟后，再取样分析，根据钢水成分进行真空下成分微调，添加的合金要用尽量减少增碳和增氮。因此可添加FeSi、金属Mn和金属Cr。合金化后在底吹Ar强搅拌下再进行终点脱气5min，还原期的温度要控制在1630以下，并逐渐使钢水温度下降到终点1580。冶炼结束，在真空下进行浇注，浇注温度为1550-1570。4.2 配料计算此设计模拟VOD不锈钢精炼过程中的200kg多功能真空精炼炉，目标钢种主要包括304，316L，409L，444，目标成分按表4-4所示18.出钢量以200kg计，冶炼过程中母液主要成分采用工业纯铁，各种炉料的化学成分是估计值，因此精确的配料计算要根据实际采购的合金料成分重新计算，母液中主要成分可以采用废钢。计算中各合金元素的收得率按表4-5。各种炉料的化学成分见表4-6。表4-4 钢种目标成分%元素CMnSiSPNiCrNMo3040.021.100.500.0080.02510.1018.20.05316L0.032.01.00.0300.03516-1810-152.0-3.0409L0.0250.9-1.020.100.010.0211.0-12.50.0154440.0251.001.000.030.0418-190.0151.75-2.5表4-5 合金元素收得率元素MnSiCrNiMo收得率%98889899.595表4-6 合金成分表炉料名称 炉料化学成分%CMn SiSPCrNiMoFe微碳铬铁0.0051.00.030.02568.0高碳铬铁8.341.230.040.02463.06电解金属锰0.0199.70.0050.005电解镍0.010.00250.00199.9Si-Fe0.10.4750.020.035Mo-Fe0.0110.0250.0280.03164.27工业纯铁0.030.20.050.020.0299.5根据以上数据计算可得以下原料配比，如表4-7所示表4-7 原料配比（出钢量按200kg计）钢种原料304微碳铬铁电解金属锰电解镍Si-Fe工业纯铁质量/kg55.462.2720.321.60120.35316L微碳铬铁电解金属锰电解镍Si-Fe工业纯铁质量/kg50.674.133.072.53140.93444微碳铬铁高碳铬铁Mo-Fe工业纯铁质量/kg42.1313.606.80137.20409L微碳铬铁高碳铬铁电解金属锰工业纯铁质量/kg24.6713.331.27160.73第五章 坩埚感应器设计5.1 感应炉熔炼工作原理感应炉的原理19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，该定律描述导体与磁场中的磁力线发生相对运动时，在到导体的两端所感应的电势（E）与磁感应强度（B），相对速度（v）之间的定量关系： E=BLvsin （5-1）式中：L在磁场中导线的长度；磁感应强度的方向和速度之间的夹角。当导线形成一闭合回路时，则在导线中产生感应电流（I），设闭合回路的电阻为r，由欧姆定律 I=E/r （5-2）另一条基本定律是焦耳-楞次定律。该定律描述电流的热效应。当电流在导体中流过时，定向流动的电子要克服各种阻力，这种阻力用导体的电阻来描述，电流克服电阻所消耗的能量，将以热能的形式放出，这就是电流的热效应。焦耳-楞次定律可写成（5-3）的形式： （5-3）式中：Q焦耳-楞次热，cal；R导体的