真空感应熔炼

工业设备

真空感应熔炼（Vacuum induction melting，简称VIM）在电磁感应过程中会产生涡电流，使金属熔化。此制程可用来提炼高纯度的金属及合金。主要包括真空感应炉熔炼、悬浮熔炼和冷坩埚熔炼。由于在真空下熔炼容易将溶于钢和合金中的氮、氢、氧和碳去除到远比常压下冶炼为低的水平，同时对于在熔炼温度下蒸气压比基体金属高的杂质元素(铜、锌、铅、锑、铋、锡和砷等)可通过挥发去除，而合金中需要加入的铝、钛、硼及锆等活性元素的成分易于控制。因此经真空感应熔炼的金属材料可明显地提高韧性、疲劳强度、耐腐蚀性能，高温蠕变性能以及磁性合金的磁导率等多种性能。

熔炼设备

真空感应炉包括电源输入系统、真空系统和炉体三大部分。

电源输入系统

由于真空感应炉设备投资较大，缩短熔炼周期以提高设备利用率就成为选择电源功率的重要因素，通常选择300～500kW熔炼每吨金属;电源频率的选择主要考虑熔池能得到充分的搅拌以利于合金料熔化和精炼反应的进行。为了得到充分的搅拌，有的感应炉备有搅拌辅助电源;选择较低输入电压，有利于解决真空下放电的绝缘问题。

真空系统

选择真空系统首先应考虑熔室初抽的时间及各闸阀隔离室抽空所需的时间，例如通常主熔炼室要求15min抽空至13.3N/m(即1×10Torr);然后考虑精炼期气体排出量和对精炼期真空度的要求，这与选用的原材料种类、成分和对熔炼后合金成分的要求有很大关系;还要考虑外来气体源，这对大型炉子更为重要，例如由各真空密封处密封不严引起的漏气，坩埚、绝缘物、导流槽等耐火材料放气，还有炉壁沉积的挥发物吸气后的放气等。通常允许熔炼前熔炼室漏气加放气达到每kg坩埚容量6.65×10-2～1.33×10-1N.L/(m·s)。对炉体漏气要求愈小愈好，因为同一真空度下漏气大的炉子熔炼冶金效果差。通过在熔炼室安放便于清除挥发物的冷凝捕集器以及采用温水冷却炉壁可显著减少熔炼时炉体受热产生的大量放气。

炉体结构

往往根据用户需要设计，因而是多种多样。通常包括熔炼室和装料及辅助设备两大部分。(1)熔炼室。对小型真空感应炉(<500kg/炉)通常选择侧倾坩埚浇注的结构，在熔炼室内浇注，优点是结构紧凑。对工业规模用真空感应炉(>1t/炉)也为侧倾浇注;但铸锭室与熔炼室经真空闸阀隔开;坩埚与锭模之间经过一个水平导流槽相连接;这种结构的优点是可以实现半连续冶炼、缩短冶炼周期，大大提高设备利用率。但设备投资会有一定增加。(2)装料与辅助设备。有块料、合金料与液态金属等加料装置设备，常用为前两种。小炉的块料打开炉盖直接用手装料;大型炉子为了使熔炼室连续保持真空，专用闸阀在坩埚上方建有加料室，用底开式吊篮通过加料机构将块料直接送入坩埚。(3)合金加料器。位于熔炼室之上，总容量约为熔炼料的2%～10%，为多格分别贮料，通过真空闸阀与振动送料器将各种合金料于合适的熔炼期间分别加入坩埚内的液态金属中。(4)合金液取样器。为了控制冶炼过程，必须在不同熔炼期间取样分析合金成分与杂质含量。取样器可通过一小真空阀直接自熔池内取样，或者通过加料装置闸阀自熔池中取样。(5)测温装置。温度是冶炼工艺的重要参数，使用辐射光学高温计测温，必须及时清除玻窗上的挥发物并对其进行校正;因此，标准的方法是用浸入式热电偶测温，它可通过专门真空阀门送入，或经过加料室闸阀送入。除此之外，还有捣料杆、可移动坩埚盖，锭模及导流槽等附属设备。真空感应熔炼设备以德国莱波特海拉斯(Leybold Her-aeus)公司和美国康萨克(Consarc)公司的产品较为先进。中国主要生产厂家为上海电炉厂、锦州电炉厂等。

熔炼工艺

真空感应熔炼的熔炼工艺包括坩埚的选择与制备，炉料准备，熔化和精炼以及浇注等。

坩埚的选择与制备

坩埚的寿命和坩埚与液态金属相互作用直接影响设备的生产率和金属成品的质量。通常小炉选用预制坩埚;较大熔炼炉(>250kg)采用打结法制备坩埚较为经济。用得最广泛地是不同纯度的氧化铝和氧化镁为基的耐火材料，选用何种耐火材料取决于被熔合金的化学性质。对熔点较低而又不与碳反应的金属，如铀与铜，可选用石墨坩埚;对含化学活性多的合金则可选用氧化钙或氧化钇稳定化的氧化锆耐火材料。20世纪80年代真空感应炉的坩埚材料有了重要发展，用水冷铜片镶制坩埚可彻底免除坩埚与金属液间反应，从而可用真空感应炉熔炼钛、锆等活性金属;用预制氧化钙坩埚可大大提高熔炼金属的质量。

炉料准备

真空感应熔炼用的原材料需经仔细化验和选择，如对在真空中不易去除的磷与硫的含量加以限制;经过熔炼虽然可以脱除原料中含有的氧与氮等气体，但宁肯花稍高的价格买低杂质含量的原料，从而节省真空感应净化所需时间;同理，在使用返回料时必须清除氧化皮、油、脂及其他易挥发污物。

熔化与精炼

在第一批装料中含有全部非活性合金元素，同时希望有一定量的碳，这样在料熔化时碳可以充分脱氧，又起搅拌作用;相反在炼制超低碳合金时则配有过量氧以便在熔化期充分脱碳。熔化期要避免激烈沸腾造成金属液强烈喷溅损失，必要时在熔化期通入一定压力的氩气以抑止金属液沸腾。在精炼期应注意熔池得到充分搅拌以利于金属液成分均匀和各种冶金反应的进行;精炼期温度应选择适当，温度高有利于提高反应速度，但温度过高会由于金属液与坩埚材料反应加速，从而导致金属液含氧量增高等不利影响;精炼期真空度应达到抽气设备实际的最高值，通常在1.33～0.13 N/m(之间，以发挥真空冶炼的优势，只有在炼制需要加入易挥发合金元素时才通入氩气阻止挥发损失;一般活性合金组元在金属液充分脱氧后加入，然后调整熔池温度准备浇注。

浇注

浇注工艺直接影响产品质量。首先是精确控制浇注温度，选择浇注温度应使金属液具有良好流动性，但不要使金属液过热导致烧伤模壁及冷凝产生的二次夹杂增多等缺点。其次采取措施防止浮渣等进入铸模，使用带挡渣板的导流槽能得到良好效果;80年代研制出的各种泡沫陶瓷过滤器，对高温合金起到明显减小夹杂的净化效果。为了填充铸锭缩孔，可使用发热保温帽、绝热保温帽、电弧加热和感应加热等办法。

发展与展望

在20世纪40年代真空感应熔炼主要炼制加热用电阻合金，它纯净度高、拔丝容易;同时也用于生产软磁合金。60年代以来，中国邵象华、美国埃里奥特(Elliott J.F.)和前苏联萨马林(Cамарин A.M.)等对真空冶金物理化学作了较全面的评述并进行了多方面的研究。真空冶炼在金属的纯化、成分控制、性能改进及洁净度等方面有明显的效果。在60年代以后真空感应熔炼又增加了超高强度钢、超纯铁素体不锈钢及电子工业用高纯靶材等产品。对于合金性能要求很高的材料常常采用真空感应熔炼与真空电弧重熔或电渣重熔双联冶炼工艺，这时真空感应炉炼制电极，由真空电弧炉或电渣炉重熔成锭，这种双联冶炼出的锭子成分控制精确，杂质含量低，夹杂少而且具有良好铸锭组织改善加工成型性能。

真空感应熔炼今后在下述四个方面仍将获得广泛应用：(1)熔炼要求成分控制精确、纯度高、夹杂少的合金。如镍基高温合金、超高强度马氏体时效钢、超纯铁素体不锈钢及高纯金属等；(2)回收贵重合金料，如镍基合金、高合金不锈钢等；(3)生产无余量加工的精密铸造件；(4)用水冷铜片镶制坩埚与氧化钙坩埚熔炼活性金属合金如钛、锆等。

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