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          科研儀器非標真空感應熔煉概述

          2022-08-12 15:24:26

            真空感應熔煉爐是一種無鐵芯坩堝式感應熔煉爐。這種電爐的坩堝裝在一個真空室里面,熔煉時,真空室內被抽成真空,爐料在真空或惰性氣體氛圍下熔煉和澆鑄。一般真空感應熔煉爐使用耐火材料做坩堝,所以不能用來熔煉能與坩堝起作用的活潑金屬,如鈦、鋯等純金屬及合金,也不能用來熔煉高熔點的難熔金屬,如鎢、鉬等。熔煉鈦、鋯等活性金屬必須使用組合水冷銅坩堝。

            用真空感應熔煉爐熔煉金屬及合金材料有以下特點:

            ①.加熱和熔化速度快,溫控方便。金屬和合金整體保持在真空和高溫熔融狀態時間較長,并有強烈的電磁攪拌作用,所以凈化效果好,能把氫、氧、氮等大部分氣體除掉,使熔煉金屬的含氣量低;

            ②.合金元素的氧化損失小,所得金屬或合金熔體中氧化物夾雜少;

            ③.合金化效果好,成分均勻,提高了金屬及合金材料性能;

            真空感應熔煉主要用來有色合金、耐熱合金、磁性材料、電工材料、高強度鋼、原子能反應堆材料,也可為真空電弧爐等提供重熔錠坯。同真空電弧爐熔煉和電子束熔煉相比,在用真空感應爐進行熔煉時,爐溫、真空度、熔煉時間等控制比較容易,合金元素的添加量可以控制得很準確,所以真空感應爐熔煉適合熔煉含鋁、鈦等元素的耐熱合金。

            根據使用電流頻率不同,無鐵芯坩堝式感應爐可分為:

            工頻爐:直接使用頻率為50Hz的工頻電源;

            中頻爐:電源頻率在10000Hz以下;

            高頻爐:電源頻率在10000Hz以上。

            真空感應電爐,一般多使用中頻或高頻爐。

            感應加熱原理:

            感應電爐是根據法拉第電磁感應定律和電流熱效應的焦耳-楞次定律將電能轉化為熱能的熔煉設備,所以感應加熱的基本條件是:

            ①.必須使用交流電;

            ②.被加熱的物體必須是金屬。

            真空熔煉感應爐主要是用無鐵芯坩堝進行熔煉。坩堝的外層纏繞了螺旋形水冷線圈,在線圈所包圍的空間里和四周產生了磁場。該磁場的極性和強度隨交流電的頻率而變化,因此是一個交變磁場。交變磁場的磁力線一部分穿透金屬爐料,一部分穿過坩堝材料。該交變磁場的極性、強度、磁通量變化率,亦即磁場的方向和磁力線的數量與稀密程度等決定于通過水冷線圈電流的強度、頻率、線圈匝數和幾何尺寸。

            熔煉時,一部分磁力線穿過坩堝內的金屬爐料,當磁力線的極性和強度產生周期性的交替變化時,磁力線被金屬爐料所切割,就相當于導體做切割磁力線運動。這時在爐料所構成的閉合回路內產生了感應電動勢和感生電流。感生電流流過爐料,由于要克服爐料的電阻,從而電能轉化成了熱能,這種熱能不斷積聚就能夠加熱金屬爐料并使之熔化。

            感應加熱的整個過程是一個能量轉化過程。首先將電能轉化為磁場能,然后由磁場能再轉化為電能,Z后電能再轉化為熱能。從這一點看感應爐的加熱方法不同于電弧、等離子、電阻、電子束等加熱方法,由于能量形式的多次轉化不可避免地會有些損失,因此感應爐加熱的效率較低。

             交流電效應:

             ①.集膚效應

            交變頻率的電流通過導體時,電流沿導體的橫斷面是不均勻的。電流密度由表面到中心依次減弱,即電流有趨于導體表面的現象,稱這種現象為電流的集膚效應

            ②.鄰近效應

            當兩條通有交流電的導體靠近時,在互相影響下,兩導體中的電流要重新分布,這中現象叫做鄰近效應,其實質與集膚效應相似。當兩根互相靠近的導體中,通以方向相同的電流時,則兩個導體外側的電流密度大于內側;而當兩根導體中通以方向相反的電流時,兩根導體內側的電流密度大于外側。鄰近效應對感應磁場的影響也是如此,若兩根導體在任何瞬間都通以大小相等方向相反的電流時,每根導體各自產生自己的磁場,兩磁場將發生相互作用,結果導體之間磁場加強,而導體外側磁場相互抵消;反之當兩根導體中在任何瞬間都通以大小相等方向相同的電流時,兩個磁場相互作用的結果是兩根導體之間的磁場相互抵消,而導體外側的磁場加強,總的磁力線將包圍兩根導體,并有一部分磁力線穿過導體外側面。

            ③.圓環效應

            當一圓環形導體,環形線圈等通以交流電時,則出現圓環內側的電流密度高于外側的現象,這種現象交圓環效應,又稱線圈效應。導體的徑向厚度與圓環直徑之比越大,這中效應就越顯著。通常磁力線在環內集中,在環外分散,一部分磁力線穿過導體本身,因此導體的外側較內側有較多的磁通,這樣導體外側的電感和阻抗較內側大,帶你劉向內側集中。

            感應爐熔煉過程是這三種效應的綜合,感應器兩端通以交流電后,產生交變磁場,感應器本身表現為圓環效應,感應器與金屬之間表現為鄰近效應,被加熱金屬表現為集膚效應。

            坩堝式感應爐內,被熔化金屬由于受到電磁力作用產生強烈攪拌,這是坩堝感應爐的一個主要特點,這一電磁力就是由于鄰近效應產生的。


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