北京科技大学铸造合金及制备工艺2.5-铸铁熔炼-感应炉熔炼

感应电炉种类：分无芯感应电炉和有芯感应电炉 两大类。 无芯感应电炉主要用于铸铁的熔化，有时也用 做铸铁的保温、或升温和调整成分； 有芯感应电炉主要用于铸铁的保温、升温和调 整成分，尤其是与冲天炉组成双联铸铁熔化系 统，冲天炉主要负责熔化铁水，而有芯感应电炉 负责铁水的升温和调整成分，有芯感应电炉也可 以用于熔化铸铁。
无芯 感应电炉的 感应线圈举 例。
FUJI牌无芯感应电炉的坩埚
坩埚 这是无芯感应电炉的重要组成部分。 熔化铁水的坩埚可分为整体捣制、整 体砖砌和复合炉衬； 熔化铁水的坩埚常采用硅砂(SiO2≥98 wt%)或电熔硅砂(SiO2≥99wt%)整体捣制 而成，也可采用镁砂(MgO≥85 wt%)或刚 玉(Al2O3≥90wt%)整体捣制而成。
感应电炉容量与坩埚壁厚的关系
容量(吨)
＜0.5
0.5∼3.0
＞3
坩埚壁厚(mm) (0.2∼0.25)d2
(0.15∼0.2)d2
(0.1∼0.15)d2
电源频率的选择 主要考虑电费、炉衬费和操作性 电效率：为了获得最高的电效率，不同容量 的电炉应选择适当的频率；Henry Rowan根据多 年经验作出了感应电炉频率的选择图，可供参 考。
月牙形
月牙形状横截面的磁轭
炉盖及 启闭机构 炉盖 的开闭状 态对感应 电炉所需 的功率影 响很大， 如左图所 示。
无芯感应电炉开盖和闭盖时的热损失 1-开盖时的热损失 2-闭盖时的热损失
无芯感应电炉的炉盖一般由型钢或耐 热钢框架和耐火材料组成，耐火材料有耐 火砖或不定形耐火材料，现多用浇灌型耐 热混凝土制作炉盖衬里； 炉盖启闭机构：常用回转式、平移 式、翻转式、四连杆式等；回转式炉盖启 闭机构如下图所示。
2.5.2.2.2 有芯感 应电炉的结构 有芯感应电炉 的炉型 立式：左图 是典型的立式 有芯感应电炉 的结构示意 图；
立式有芯感应电炉的工作原理示意图
立式有芯感应电炉的优点 立式有芯感应电炉的炉体金属构件重 量比卧式轻30%； 耐火材料的用量比卧式少25%； 保温功率比比卧式少25%； 炉膛密封性好，扒渣方便； 占地面积小。 立式有芯感应电炉因而获得广泛应用
需要的铁水可由一台电炉提供，也可 由几台电炉提供；铁水需求量大，又需连 续提供时，通常选择几台电炉同时运行； 若铁水需求量不大或间断提供，则采用单 台电炉运行。
源自文库
感应电炉容量 Ni=An/(0.75×8bc) 式中 Ni⎯电炉生产率，吨/小时； An⎯年需铁水数量，吨/年； b ⎯ 工作班数(b=1、或b=2、或b=3)； c ⎯ 年工作日，天； 0.75 ⎯ 系数，考虑到熔化所需的工艺 停顿时间(加料、补炉等)。
感应器
无芯感应电炉 结构示意图
无芯感应电炉结 构示意图 1-炉盖部分，2坩埚，3-转动炉 架，4-冷却水系 统，5-磁轭，6感应器，7-倾动 油缸，8-固定炉 架，9-电缆
无芯感应电炉的结构 感应线圈 感应线圈是无芯感应电炉的心脏，通 过感应线圈将电能转换为热能，使坩埚中 的固态金属炉料熔化； 感应线圈呈圆柱形，采用空心纯铜管 绕制而成，空心纯铜管的横截面形状如下 图所示。
感应熔炼还伴随以下两个现象： 漏磁现象：无芯感应电炉的漏磁通很 大，电路的功率因子很低，只有 0.15∼0.25(对铸铁而言)，因此，无芯感应 电炉的无功功率很大，一般通过大容量的 电容器进行补偿，使电路的功率因子接近 1(感应电炉的电源控制柜较大的主要原因 就是需要安装电容器)。
搅拌现象：在无芯感应电 炉内，铁水受到电磁力的作 用会产生强烈的搅拌，这是 感应电炉熔炼的一大特点。 根据邻近效应，感应 线圈中的电流方向与铁水中 的感应电流方向相反，感应 圈与铁水之间产生斥力，感 应圈受到向外的推力，铁水 则受到向坩埚中心的径向推 力，如左图所示。
感应电炉变压器输入功率的确定 感应电炉变压器输入功率是一个重要 参数，决定了熔化车间的电力负荷； P1=1.1Pg。
2.5.2.1.2 无芯感应电炉的结构 无芯感应电炉的炉型 立式无芯感应电炉：这是最常见的炉 型，主要用于铁水的熔化作业，感应器的 高度略为低于铁水的液面，根据电压、频 率、功率及搅拌强度，感应器可以由一 个、两个或数个感应线圈构成，如下图所 示。
无芯感应电炉主要参数的确定 电炉容量及坩埚尺寸的确定 电炉容量选择 选择原则：根据熔化率或过热能力、单个铸 件重量、经济性等因素决定； 电炉的熔化率越高，生产效率也就越高，但 需要输入更高的功率，而电炉的输入功率受到限 制，不能无限制提高，所以，在考虑电炉容量 时，一般工频感应电炉按1.5∼2.5h、中频感应电 炉按1.0∼1.5h熔化一炉铁水来安排熔化周期。
坩埚与感应器的几何尺寸 坩埚内经d2以下式计算：
d2 = 3
4V L πy
式中 y⎯铁水高度h2与坩埚内径d2的比值,一般在 1.3∼1.6之间变化。
感应器内径d1按下式计算： d1=d2+2⊿12 式中 ⊿12 ⎯坩埚壁厚，包括电绝缘层、绝热 层及炉衬厚度。 增加坩埚壁厚会降低感应电炉的电效率、 输入功率、功率因子，所以坩埚壁厚要适 当，不可过厚，也不可过薄，否则寿命不 长；坩埚壁厚可参见下表。
铸造合金及制备工艺
北京科技大学 材料成形与控制工程系 毛卫民
2.5.2 铸铁的感应电炉熔炼
铸铁的感应电炉熔炼就是利用电磁感应现象实现 铸铁的熔炼。
无芯感应电炉出铁过程
铸铁感应熔炼的特点 铸铁的感应电炉熔炼工艺是一种先进 的熔炼工艺，电炉功率易于控制，因 此，铁水的熔化温度易于调整； 铁水的成分波动小，调整成分容易； 容易实现机械化操作，劳动条件好； 对环境的污染小； 电炉坩埚容量范围大，从10kg到 270,000kg不等。
无芯感应电炉内 铁水的受力分析
铁水之间可以 看成很多同方向的 平行载流导线，相 互间存在压缩力， 压缩力方向如左图 所示。 铁水受到斥力 和压缩力的共同作 用，使铁水产生如 右图所示的搅拌运 动。
无芯感应电炉内铁水的受力与搅 拌运动
电磁搅拌力的计算
P2 F j = 31600 ρ2 f S 1
式中Fj⎯电磁搅拌力，Pa； P2⎯感应圈的输入功率，kW； ρ2 ⎯铁水的电阻率，Ω⋅cm； f ⎯ 电源的频率，Hz； S⎯感应圈包围的铁水的表面积，cm2。
回转式炉盖启闭机构 (a)液压式 (b)手动式
倾炉机构 这是无芯感应电炉的一个重要机构， 关系到无芯感应电炉的操作性能； 常用的倾炉机构：手动式、吊车起重 式、机械传动式、液压式等，目前以液压 式倾炉机构为主，尤其是大中型感应电炉 更是如此。
2.5.2.2 有芯感应电炉熔炼
2.5.2.2.1 有芯感应电炉的工作原理 有芯感应电炉的工作原理与变压器的工作 原理类似，如下图所示；
感应线圈用空心纯铜管的横截面形状 (a)方管 (b)矩形管 (c) (d)焊接异形管 (e)焊接异形管 (f)带槽异形管
由于电流的集肤效应，感应线圈在 工作时，电流大部分集中在面向炉料的 一侧；加之工作电流很大，如3吨感应电 炉的工作电流达4000A，感应线圈内侧 的壁厚bopt(cm)要适当，与电源频率f有 关，按下式计算： bopt=11.54/(f)0.5 当电源频率分别为50、400、 1000、2500 Hz时，最佳的线圈内侧壁 厚分别为16、5.8、3.6、2.3mm。
应用：有芯感应电炉的电效率和功率因子均比无 芯感应电炉的高，因为感应线圈与熔沟之间的电 磁耦合很好，能量传递效率高，炉体炉衬的绝热 层厚，散热能耗低；有芯感应电炉中铁水的搅拌 作用很小，铁水成分波动很小，如Junker公司介 绍：30吨铁水即使连续保温25天，铁水的含碳量 仅从3.45wt%降到3.01wt%(平均1天仅波动 0.018wt %)，含硅量仅从2.33wt%降到2.2wt%。 所以，有芯感应电炉适合于铁水保温(如东风48 厂的80吨有芯感应保温炉)、过热和浇注。
从上式看，搅拌力与输入功率成正 比，与电源频率的平方根成反比，因此， 工频无芯感应电炉中的搅拌力比中频无芯 感应电炉中的搅拌力大得多。 为了限制搅拌力，在一定的电源频率 下应限制电炉单位容量的输入功率；下图 给出了一般情况下的不同电源频率、不同 容量GL时的电炉最大输入功率Pg。
不同电源频率时的感应电炉的功率界限
若采用1台电炉熔炼，电炉容量应以1.5 小时熔化1炉铁水为准，则 GL=1.5Ni 若采用m台电炉熔炼，则每台电炉的容 量为 GL=1.5Ni/m
坩埚有效容积 按下式计算干果的有效容积： VL=(GL×106)/ρy 式中 VL⎯坩埚有效容积，cm3; GL⎯电炉容量，吨； ρy⎯铁水的密度，g/cm3。
磁轭 这是无芯感应电炉的一个重要部件， 即磁屏蔽部件，加强感应线圈对炉料的功 率传递，约束感应线圈的漏磁向外发散， 减少炉架等金属构件的发热。 支撑感应线圈，承受坩埚升温时的作 用于线圈的热膨胀力和线圈向外的电磁斥 力，以及炉体侧倾时的重力。
磁轭通常由厚度为0.28∼0.35mm的硅钢片叠 制而成，常用形状为“[”、“L”、“I”，磁轭形状如下 图所示。
无芯感应电炉常用磁轭的形状 (a)”[”形磁轭 (b)”L”形磁轭 (c)”I”形磁轭
磁轭均匀布置在感应线圈的一周；“[” 形磁轭约束漏磁向外发散的能力最强，但 其叠制、安装和更换线圈比较麻烦，除短 线圈感应保温炉外，其它感应炉多采用 “L”、“I”形的磁轭； 近年来，磁轭的横截面向“月牙”形状 发展，其圆弧半径与其配合的感应线圈的 外半径相同，改善了对感应线圈的支撑作 用、提高了磁轭的导磁性能； “月牙”形状 的磁轭如下图所示。
熔沟
立式有芯感 应电炉的工 作原理示意 图
有芯感应电炉的熔沟处设置了一个导磁 的铁芯，其上环绕有空心纯铜管，即感应 线圈，它相当于变压器的一次绕组；二次 绕组就是熔沟里的铁水，它环绕感应线 圈；当感应线圈通入交流电源时，铁芯中 就建立了一个交变磁场，在熔沟的铁水中 就产生了感应电动势和感应电流，该电流 的电阻热使铁水发热； 注意：只有当熔沟充满铁水时，有芯感 应电炉才能工作，因此，这种感应炉只适 合于连续熔化铁水，不可任意停炉。
2.5.2.1 无芯感应电炉熔炼
2.5.2.1.1 无芯感应电炉的工作原理 电磁感应现象与加热 法拉第电磁感应定律：导体回路中感应 电动势ε的大小与穿过回路的磁通量的变 化率dΦ/dt成正比，可表示为下式: ε = -kdΦ/dt
楞次定律：闭合回路 中的感应电流的方向总 是使得它所激发的磁场 来阻止引起感应电流的 磁通量的变化，如左图 所示。 大块金属的电阻很 小，当它位于交变磁场 中时，其中产生的感应 电流很大，称为涡电 流，简称为涡流，如左 图所示。
感应电炉的频率选 择图
搅拌：适当的搅拌可以均匀铁水的温 度和成分，但强烈的搅拌会使炉衬快速磨 损、增加铁水氧化。 设备投资：中频感应电炉的炉体尺寸 较小、占地少、土建费用低，而且不需要 三相平衡和功率因子补偿装置，因而中频 感应电炉的建设投资比工频感应电炉的建 设投资占有优势。
操作性能 中频感应电炉无需启熔体也能顺利启熔，铁 水可以倒空，更换铁水品种容易，而工频感应电 炉需要启熔体才能顺利启熔； 感应电炉在运行时，电抗会发生变化，导致 谐振回路失调，工频感应电炉采用接触器切换电 容器进行调谐，因而调节精度差；中频感应电炉 采用改变频率进行调谐，因而调节精度高； 中频感应电炉采用无级调节功率，改变功率 容易，而工频感应电炉往往采用有级调节。
感应电流的方向
涡电流
当强大的涡电流在大块金属中流动时， 会释放出大量的焦耳热，使大块金属的温 度上升，这就是电磁感应加热的基本原 理。
无芯感应电炉的 工作原理 无芯感应电炉 熔炼铁水就是利用 了电磁感应加热的 基本原理，如左图 所示。
无芯感应电炉熔化 原理示意图
金属炉料的熔化过程 将空心铜管绕制成感应器，耐火材料 制成的坩埚位于感应器的里面，金属炉料 盛放在坩埚内；当感应器内通入交流电源 时，坩埚内将产生交变磁通，在金属炉料 表面一定深度内产生感应电动势和感应电 流，并继而产生焦耳热使金属炉料熔化。 在整个金属炉料的熔化过程中，热量 从金属炉料表面向中心传递。