合金钢的真空电弧炉熔炼实验报告.docx

为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划合金钢的真空电弧炉熔炼实验报告　　专业综合实验　　--合金的设计与熔炼及组织与性能分析　　1实验目的　　熟悉非自耗真空电弧炉的作用、原理和构造　　学会非真空自耗电弧炉的操作方法　　2实验设备及材料　　实验设备　　WKDHL型非自耗真空电弧炉、台虎钳、手工锯、落地砂轮机、分析天平、布氏硬度计、洛氏硬度计、读数显微镜、金相抛光机、金相显微镜　　实验材料　　脱脂棉、酒精、120#纱布、工业纯铁、石墨块、金相砂纸、抛光磨料、抛光布、4%的硝酸酒精溶液　　3WKDHL型非自耗真空电弧炉的工作原理　　新合金系的设计和制备需要首先进行小试样的尝试，来探索合金的熔炼性能和所制备合金的组织和性能的分析，从而为合金的制备工艺、合金的组织、性能及其相互关系提供可靠的指导，从而为中试乃至最终的生产做出扎实的基础工作非真空电弧熔炼使一种特种冶金所谓特种冶金，通常指除用于大生产的转炉、电弧炉和感应炉之外的，为了提高质量或冶炼在大气条件下不易熔炼的含有大量活泼金属的钢种或合金的冶炼方法这种冶炼方法在难熔金属、活泼金属、高温合金、特殊钢等和试验中占据重要的主导地位。

　　WKDHL型非自耗真空电弧炉是由炉体、上电极、下电极及升降机构、真空系统及电源系统等组成真空系统采用二级泵，即油扩散泵和机械泵，机械泵上设有电磁放气阀避免停电后返油真空机组上设有水冷挡板、放气阀及充气阀，　　最高真空度可以达到10-3Pa炉体采用双层水冷结构，内层为不锈钢，外层为钢板焊接而成，下电极装有七个坩埚，移动上电极可选择进行熔化，下电极可上下移动并可移出，装取料方便，炉正面设有一个观察窗用来操作引弧，观察窗上装有墨色玻璃保护操作者眼睛　　图1WKDHL型非自耗真空电弧炉　　真空系统工作时首先由机械泵对炉体进行预抽真空机械泵由电机和泵体两部分组成，它是利用气体膨胀、压缩、排出的原理，工作时电机转动机械的把气体从炉体中排出机械泵对炉体预抽(转载于:写论文网:合金钢的真空电弧炉熔炼实验报告)真空到一定的真空度后，开启油扩散泵，油扩散泵中的油经加热后产生油分子，这些油分子由于炉内真空的作用而流向炉体，油分子与炉体中的空气分子结合，再经机械泵将空气排出，而其中的油分子由于泵壁的冷却而变为液体回流如此反复可以炉内达到一定的真空度，之后关闭真空系统与炉体间的阀门，停止抽真空接着打开充气阀对样品室充氩气清洗，之后再抽真空，充氩气，如此反复几次。

　　炉体熔炼合金的工作原理是靠电极间放出电弧所产生的的　　高温来融化金属，炉内一个电极是高熔点金属钨棒，它可以移动来选择进行熔炼，另一个电极是放置于炉内干锅上的要熔金属块粒当钨棒趋近这些金属块粒时，如同电焊一样，电极间发生强烈的电弧，产生高温把金属块粒熔融，断电后，熔融的合金就冷凝成“旋扣锭”，为了这些小钉合金化均匀，减少偏析，往往要把这些“旋扣”反复多熔炼几遍炉内熔炼合金如图3所示　　图2熔炼出的“旋扣锭”　　图3炉内熔炼合金　　需要注意的是炉内在熔炼合金时往往要达到上千的温度，而炉体是采用钢结构制造，其不可能承受如此高的温度，所以炉体　　采用了双层水冷结构，内层为不锈钢，外层为钢板焊接而成，两层钢结构之间不断的通入冷水进行冷却　　4实验步骤　　合金的设计与配料　　查资料得到各碳钢的含碳量国家标准如下表1　　表1各碳钢含碳量国家标准/%　　将工业纯铁固定于台虎钳上，用手工锯锯出六块50g左右的纯铁，并用砂轮机打磨掉纯铁试块上的氧化皮　　用分析天平称出各纯铁试块的质量，并将其各个对应于20#、45#、60#、T8、T10、T12　　根据各个碳钢的含碳量要求及对应原料中纯铁的质量，算出熔炼各个碳钢分别所需的石墨量。

各碳钢所需原料量及理论含碳量如表2　　合金的熔炼　　预抽前级真空　　接通控制柜总电源　　关好炉体抽气阀，开“机械泵”，推进三通阀杆，开扩散泵蝶阀，打开热偶真空计测量低真空，抽到6×10-2Torr(5Pa)　　开扩散泵冷却水，开“扩散泵“，拉出三通阀杆，关好扩散泵蝶阀，将扩散泵预热30分钟至1小时　　装料：扩散泵预热的同时，可以进行装料　　打开样品室，清洗炉体、坩埚、电极和机械手　　装料　　关门，拧紧样品室四个密封旋钮　　对样品室抽真空　　拉出三通阀杆，缓慢打开炉体阀，对样品室抽气达到低真空后，全部打开炉体阀，并再一次旋紧样品室四个密封旋钮，若真空上不去，检查以下事项：　　a.样口室充气阀是否关严；　　b.样品室四个密封旋钮是否拧紧；　　c.机械手活动部分是否漏气；　　d.样品室门上的密封圈上是否有异物　　当低真空达到5×10-3Torr后，推进三通阀杆，开扩散泵蝶阀，对真空室抽高真空真空达到1×10-1Pa时，打开电离规管测试开关，测高真空测高真空时，可先使用去气开关进行去气，测定后要随时关闭电离规管开关　　用氩气清洗真空室　　当真空度达到5×10-5Torr）5×10-3Pa）后，关炉体阀，　　真空感应炉熔炼之工艺　　真空感应熔炼是在真空条件下，利用电磁感应在金属导体内产生涡流加热炉料进行熔炼的方法，具有熔炼室体积小，抽真空时间和熔炼周期短，便于温度压力控制、可回收易挥发元素、准确控制合金成分等特点。

由于以上特点，现在已发展为特殊钢、精密合金、电热合金、高温合金及耐蚀合金等特殊合金生产的重要工序之一　　1、基本原理：　　真空感应熔炼的两个基本原理应用是：感应加热和真空环境　　感应熔炼是除电弧炉以外较重要的一种电炉熔炼方法与电弧炉相比，其特点有：　　电磁感应加热由于加热方式不同，感应炉没有电弧加热所必须的石墨电极，从而杜绝了电极增碳的可能，因而可以熔炼电弧炉很难熔炼的含碳量极低的钢和合金　　熔池中存在一定强度的电磁搅拌，可促进钢水成分和温度均匀，钢中夹杂合并、长大和上浮　　熔池比表面积小优点是熔炼过程中容易控制气氛，无电弧及电弧下高温区，合金元素烧损少、吸气少，所以有利于成分控制、气体含量低和缩短熔炼时间；缺点是渣钢界面面积小，再加上熔渣不能被感应加热，渣温低，流动性差，反应力低，不利于渣钢界面冶金反应的进行，特别是脱硫、脱磷等，因而对原材料要求较为严格　　烟尘少对环境污染小熔炼过程中基本无火焰，也无燃烧产物感应加热的原理：　　感应加热原理主要依据两则电学基本定律：　　一是法拉第电磁感应定律：　　E=B·L·v·sin∠(v·B)　　E:导体两端所感应的电势；　　B:磁感应强度；　　v:相对速度；　　∠(v·B):磁感应强度的方向与速度方向之间的夹角。

　　当一座无芯感应炉的感应线圈中通有频率为f的交变电流时，则在感应圈所包围的空间和四周产生一个交变磁场，该交变磁场的极　　性、磁感应强度与交变频率随着产生该交变磁场的交变电流而变化若感应线圈内砌有坩埚并装满金属炉料，则交变磁场的一部分磁力线将穿过金属炉料，磁力线的交变就相当于金属炉料与磁力线之间产生了切割磁力线的相对运动因此，在金属炉料中将产生感应电动势，其大小通常以下式确定：　　E=Ф·f·n　　Ф:感应线圈中交变磁场的磁通量，Wb；　　f:交变电流的频率，Hz；　　n:炉料所形成回路的匝数，通常n=1　　二是焦耳-楞茨定律：　　又称为电流热效应原理当电流在导体内流动时，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：　　Q=I2Rt　　Q:焦耳-楞茨热，J；　　I:电流强度，A；　　R:导体电阻，Ω；　　t:导体通电时间，s　　当感应炉通以交流电后，在感应线圈内坩埚里的金属炉料由一法拉第电磁感应定律产生感应电动势，由于金属炉料本身形成一闭合回路，所以在金属炉料中产生感应电流：I=Ф·f/R，该感应电流又依照二焦耳-楞茨定律在炉料中放出热量，使炉料被加热。

　　真空冶金的原理：　　影响一个化学反应的外部因素主要是：温度、浓度和压力真空冶金就是通过改变外界压力对冶金过程中诸多化学反应中有气相参加的反应产生影响，当反应生成物中的气体摩尔数大于反应物中的气体摩尔数，减小系统的压力则可以使平衡反应向着增加气态物质的方向移动，促使反应进行的更完全以下几类反应器中发生的反应属于此类：　　真空下的碳脱氧反应：〔C〕+〔O〕→CO↑　　真空下的脱气反应：2〔H〕→H2↑　　2〔N〕→N2↑　　金属中元素的挥发：〔Me〕→Me↑　　(1)在真空环境下，碳的行为很有意思在常压下，碳的脱氧能力较弱，因此常用金属脱氧剂来进行沉淀脱氧，但硅、铝脱氧后形成的氧化物夹杂会部分残留在钢中，降低钢的纯洁度在一般条件下，当钢中〔C〕=%，与之平衡的〔O〕=%，当钢中〔C〕降低时，与之平衡的〔O〕还要升高，而现今有些特殊用途的钢和合金中的氧含量要求又远低于%，因而在一般条件下仅用碳来脱氧是达不到脱氧要求的　　碳氧反应的平衡常数为：　　K=PCO/(ac·aO)=PCO/(〔%C〕·fC·〔%O〕·fO)　　即：〔%C〕·〔%O〕=PCO/K　　由于K值在某一温度下是一常数，当将炉内CO不断抽走，即降低炉内的PCO，〔%C〕·〔%O〕的数值也会同时降低，即在真空条件下，　　碳氧反应会进行的更完全。

当气相压力降至时，碳的脱氧能力可超过硅；若气相压力降至时，碳的脱氧能力可超过铝但碳的脱氧能力并不会随着真空度的提高而无限制的提高，因为只有液气分界面的碳氧反应仅只遵循上述热力学原理，金属液体内部的碳氧反应不仅遵循上述热力学原理，还要受到动力学条件的约束金属液体内部如果要形成CO气泡，那么CO的生成压必须大于炉气压力、气泡产生处金属液柱的静压力和表面张力造成的压力之和因而仅减小炉气压力是不够的，此时限制碳脱氧的主要因素是表面张力和静压力　　此原理不仅能降低溶解于金属中的氧，还能还原金属夹杂中的氧,如:MnO+〔C〕→〔Mn〕+CO↑　　SiO2+2〔C〕→〔Si〕+2CO↑　　Al2O3+3〔C〕→2〔Al〕+3CO↑　　同时，真空下碳这一特性也会作用于坩埚耐火材料在真空熔炼的精炼期，此时熔池处于高温、高真空下，炉衬中的氧化物及杂质会分解并与碳发生还原反应因而坩埚材料的选择很重要　　由于以上过程的存在，反过来也会消耗〔C〕，降低钢中〔C〕　　真空下的脱气：　　金属中的气体是指溶解在其中的氢和氮而言氢和氮在空气中以分子状态存在，在金属中则以单原子或离子状态存在，这种双原子气体在金属中的溶解度与气体分压力的平方根成正比。

　　〔%H〕=KH√PH2　　〔%N〕=KN√PN2　　真空下杂质及合金元素的挥发：　　在真空条件下，金属中某些蒸气压较高的元素，当熔室内压力降低至低于其蒸气压力时，这些元素就会从液态金属中挥发出来因而应合理制定工艺制度，促进杂质的挥发、减少有用元素的挥发　　500kg真空感应炉　　1、真空系统2、加料系统3、感应线圈　　4、坩埚5、电源6、锭模车　　特种熔炼学习报告　　特种冶金也称特种熔炼是泛指转炉、电弧炉、平炉、感应炉等普通熔炼方法以外的熔炼方法　　从冶炼热源及冶炼气氛上特种冶炼分为：电渣冶金、真空电弧熔炼、感应炉熔炼、电子束熔炼、等离子冶金等5大类　　特种冶金主要用于制备那些以普通熔炼方法不能或难以熔炼的特殊金属材料，是生产高质量特殊钢及超级合金、难熔合金(W、Mo、Nb、Ta、Re)、活泼金属(Ti、V、Zr等)、高纯金属(如零夹杂钢)及近终形铸件的手段　　特种熔炼方法分类。