真空感應熔煉

真空感應熔煉的熔煉工藝包 括坩堝的選擇與制備，爐料準備，熔化和精煉以及澆注等。

坩堝的選擇與制備

坩堝的壽命和坩堝與液態(tài)金屬相互作用直接影響設備的生產率和金屬成品的質量。通常小爐選用預制坩堝;較大熔煉爐(>250kg)采用打結法制備坩堝較為經濟。用得最廣泛地是不同純度的氧化鋁和氧化鎂為基的耐火材料，選用何種耐火材料取決于被熔合金的化學性質。對熔點較低而又不與碳反應的金屬，如鈾與銅，可選用石墨坩堝;對含化學活性多的合金則可選用氧化鈣或氧化釔穩(wěn)定化的氧化鋯耐火材料。20世紀80年代真空感應爐的坩堝材料有了重要發(fā)展，用水冷銅片鑲制坩堝可徹底免除坩堝與金屬液間反應，從而可用真空感應爐熔煉鈦、鋯等活性金屬;用預制氧化鈣坩堝可大大提高熔煉金屬的質量。

爐料準備

真空感應熔煉用的原材料需經仔細化驗和選擇，如對在真空中不易去除的磷與硫的含量加以限制;經過熔煉雖然可以脫除原料中含有的氧與氮等氣體，但寧肯花稍高的價格買低雜質含量的原料，從而節(jié)省真空感應凈化所需時間;同理，在使用返回料時必須清除氧化皮、油、脂及其他易揮發(fā)污物。

熔化與精煉

在第一批裝料中含有全部非活性合金元素，同時希望有一定量的碳，這樣在料熔化時碳可以充分脫氧，又起攪拌作用;相反在煉制超低碳合金時則配有過量氧以便在熔化期充分脫碳。熔化期要避免激烈沸騰造成金屬液強烈噴濺損失，必要時在熔化期通入一定壓力的氬氣以抑止金屬液沸騰。在精煉期應注意熔池得到充分攪拌以利于金屬液成分均勻和各種冶金反應的進行;精煉期溫度應選擇適當，溫度高有利于提高反應速度，但溫度過高會由于金屬液與坩堝材料反應加速，從而導致金屬液含氧量增高等不利影響;精煉期真空度應達到抽氣設備實際的最高值，通常在1.33～0.13 N/m(之間，以發(fā)揮真空冶煉的優(yōu)勢，只有在煉制需要加入易揮發(fā)合金元素時才通入氬氣阻止揮發(fā)損失;一般活性合金組元在金屬液充分脫氧后加入，然后調整熔池溫度準備澆注。

澆注

澆注工藝直接影響產品質量。首先是精確控制澆注溫度，選擇澆注溫度應使金屬液具有良好流動性，但不要使金屬液過熱導致燒傷模壁及冷凝產生的二次夾雜增多等缺點。其次采取措施防止浮渣等進入鑄模，使用帶擋渣板的導流槽能得到良好效果;80年代研制出的各種泡沫陶瓷過濾器，對高溫合金起到明顯減小夾雜的凈化效果。為了填充鑄錠縮孔，可使用發(fā)熱保溫帽、絕熱保溫帽、電弧加熱和感應加熱等辦法。

在20世紀40年代真空感應熔煉主要煉制加熱用電阻合金，它純凈度高、拔絲容易;同時也用于生產軟磁合金。60年代以來，中國邵象華、美國埃里奧特(Elliott J.F.)和前蘇聯(lián)薩馬林(Cамарин A.M.)等對真空冶金物理化學作了較全面的評述并進行了多方面的研究。真空冶煉在金屬的純化、成分控制、性能改進及潔凈度等方面有明顯的效果。在60年代以后真空感應熔煉又增加了超高強度鋼、超純鐵素體不銹鋼及電子工業(yè)用高純靶材等產品。對于合金性能要求很高的材料常常采用真空感應熔煉與真空電弧重熔或電渣重熔雙聯(lián)冶煉工藝，這時真空感應爐煉制電極，由真空電弧爐或電渣爐重熔成錠，這種雙聯(lián)冶煉出的錠子成分控制精確，雜質含量低，夾雜少而且具有良好鑄錠組織改善加工成型性能。

真空感應熔煉今后在下述四個方面仍將獲得廣泛應用：(1)熔煉要求成分控制精確、純度高、夾雜少的合金。如鎳基高溫合金、超高強度馬氏體時效鋼、超純鐵素體不銹鋼及高純金屬等；(2)回收貴重合金料，如鎳基合金、高合金不銹鋼等；(3)生產無余量加工的精密鑄造件；(4)用水冷銅片鑲制坩堝與氧化鈣坩堝熔煉活性金屬合金如鈦、鋯等。 2100433B

真空感應爐包括電源輸入系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和爐體三大部分。

電源輸入系統(tǒng)

由于真空感應爐設備投資較大，縮短熔煉周期以提高設備利用率就成為選擇電源功率的重要因素，通常選擇300～500kW熔煉每噸金屬;電源頻率的選擇主要考慮熔池能得到充分的攪拌以利于合金料熔化和精煉反應的進行。為了得到充分的攪拌，有的感應爐備有攪拌輔助電源;選擇較低輸入電壓，有利于解決真空下放電的絕緣問題。

真空系統(tǒng)

選擇真空系統(tǒng)首先應考慮熔室初抽的時間及各閘閥隔離室抽空所需的時間，例如通常主熔煉室要求15min抽空至13.3N/m(即1×10Torr);然后考慮精煉期氣體排出量和對精煉期真空度的要求，這與選用的原材料種類、成分和對熔煉后合金成分的要求有很大關系;還要考慮外來氣體源，這對大型爐子更為重要，例如由各真空密封處密封不嚴引起的漏氣，坩堝、絕緣物、導流槽等耐火材料放氣，還有爐壁沉積的揮發(fā)物吸氣后的放氣等。通常允許熔煉前熔煉室漏氣加放氣達到每kg坩堝容量6.65×10^-2～1.33×10^-1N.L/(m·s)。對爐體漏氣要求愈小愈好，因為同一真空度下漏氣大的爐子熔煉冶金效果差。通過在熔煉室安放便于清除揮發(fā)物的冷凝捕集器以及采用溫水冷卻爐壁可顯著減少熔煉時爐體受熱產生的大量放氣。

爐體結構

往往根據(jù)用戶需要設計，因而是多種多樣。通常包括熔煉室和裝料及輔助設備兩大部分。(1)熔煉室。對小型真空感應爐(<500kg/爐)通常選擇側傾坩堝澆注的結構，在熔煉室內澆注，優(yōu)點是結構緊湊。對工業(yè)規(guī)模用真空感應爐(>1t/爐)也為側傾澆注;但鑄錠室與熔煉室經真空閘閥隔開;坩堝與錠模之間經過一個水平導流槽相連接;這種結構的優(yōu)點是可以實現(xiàn)半連續(xù)冶煉、縮短冶煉周期，大大提高設備利用率。但設備投資會有一定增加。(2)裝料與輔助設備。有塊料、合金料與液態(tài)金屬等加料裝置設備，常用為前兩種。小爐的塊料打開爐蓋直接用手裝料;大型爐子為了使熔煉室連續(xù)保持真空，專用閘閥在坩堝上方建有加料室，用底開式吊籃通過加料機構將塊料直接送入坩堝。(3)合金加料器。位于熔煉室之上，總容量約為熔煉料的2%～10%，為多格分別貯料，通過真空閘閥與振動送料器將各種合金料于合適的熔煉期間分別加入坩堝內的液態(tài)金屬中。(4)合金液取樣器。為了控制冶煉過程，必須在不同熔煉期間取樣分析合金成分與雜質含量。取樣器可通過一小真空閥直接自熔池內取樣，或者通過加料裝置閘閥自熔池中取樣。(5)測溫裝置。溫度是冶煉工藝的重要參數(shù)，使用輻射光學高溫計測溫，必須及時清除玻窗上的揮發(fā)物并對其進行校正;因此，標準的方法是用浸入式熱電偶測溫，它可通過專門真空閥門送入，或經過加料室閘閥送入。除此之外，還有搗料桿、可移動坩堝蓋，錠模及導流槽等附屬設備。真空感應熔煉設備以德國萊波特海拉斯(Leybold Her-aeus)公司和美國康薩克(Consarc)公司的產品較為先進。中國主要生產廠家為上海電爐廠、錦州電爐廠等。

根據(jù)加熱熱源的不同，真空熔煉主要可分為真空感應熔煉，真空電弧熔煉，電子束熔煉等3種。

真空熔煉真空感應熔煉

將金屬爐料放入置于線圈中的坩堝內，當線圈接通交流電源時，在線圈中間產生交變磁場，爐料中即產生感應電勢。由于金屬爐料本身形成一閉合回路，所以在爐料中同時產生了感應電流，即渦流，爐料靠渦流加熱和熔化。利用這個原理進行熔煉的方法稱為感應熔煉。而處于真空條件下的感應熔煉則為真空感應熔煉。真空感應熔煉能夠嚴格控制合金中活潑元素如鋁、鈦等的含量，可以有效地去除合金中的氣體和非金屬夾雜物以及有色金屬雜質，提高合金的純凈度。但真空感應熔煉存在著坩堝耐火材料對金屬液的沾污問題，且通常采用鋼錠模澆注，鋼錠結晶組織與普通熔煉的鑄錠組織比較并無改善。真空感應熔煉主要用來熔煉高溫合金、精密合金及特殊鋼材料，其主要產品是鑄錠、精密鑄件和雙聯(lián)熔煉用的電極母材。

真空熔煉真空電弧熔煉

在真空條件下利用電弧來加熱和熔煉金屬的熔煉方法。這種熔煉方法所使用的電極有自耗電極和非自耗電極兩種。自耗電極是由被熔煉材料(即爐料)制成，在熔煉過程中它逐漸消耗;而非自耗電極系利用鎢等高熔點材料制成，在爐料熔煉過程中它基本上不消耗。采用自耗電極的真空電弧爐稱自耗電極電弧爐，簡稱自耗爐;采用非自耗電極的真空電弧爐稱非自耗電極電弧爐，簡稱非自耗爐。非自耗電極熔煉已較少使用，而自耗電極熔煉大量應用于生產實踐中，成為二次重熔的主要手段之一。真空電弧熔煉的坩堝一般用銅制成，外面用水冷卻，稱為水冷銅結晶器。熔煉時，可以將自耗電極(被熔煉材料)接負極，水冷銅結晶器接正極，通電后兩極間產生弧光放電，將電能轉變成熱能，產生高溫使材料熔化。熔煉過程中液態(tài)金屬熔滴通過高溫弧區(qū)后落入金屬熔池，并在水冷銅結晶器內凝固成錠。通過金屬液與氣相間以及熔池內發(fā)生的一系列物理化學反應，達到提高金屬的純凈度，改善其結晶組織和性能的目的。真空電弧熔煉不受大氣、耐火材料和鑄模等的沾污;可以去除鋼及合金中的氣體和有害金屬雜質;熔煉中夾雜物也可上浮去除一部分，并可改善夾雜物在合金中的分布及形態(tài);水冷銅結晶器中的鋼錠鑄態(tài)組織比普通鑄錠為好。但真空電弧熔煉需預制電極，且鋼錠表面較差。真空電弧熔煉可用來熔煉鈦、鋯、鎢、鉬等活潑金屬、難熔金屬以及它們的合金，也可用來熔煉高溫合金及有特殊用途的鋼和合金。

真空熔煉電子束熔煉

在高真空環(huán)境中，將陰極材料(通常選用難熔金屬如鎢等)加熱至高溫后，在高壓直流電作用下發(fā)射電子，用磁透鏡聚集成電子束，并在陽極的加速下，以高速射向陽極(做成電極的被熔物料相當于陽極)，當高速的電子束射到電極表面碰撞時，由動能轉變成的熱能將被熔物料熔化。它不僅能熔化電極，而且有一部分能量可以用來加熱金屬液面，使熔池保持必要的溫度和時間，以利于金屬的精煉。最后金屬液在水冷結晶器中凝固成錠。電子束熔煉也稱電子轟擊爐熔煉。電子束熔煉具有突出的優(yōu)點：工作真空度高(約10-～10-Pa)，非常有利于去除氣體、非金屬夾雜物及金屬雜質;熔煉溫度高，冶金反應充分，能熔煉任何難熔金屬;金屬熔滴匯聚在水冷結晶器內，可以有效地控制熔池溫度和冷凝速度，有利于獲得良好的金屬錠組織。電子束熔煉的應用范圍已從難熔金屬擴展到高溫合金、精密合金、半導體材料和一些具有特殊用途鋼種的熔煉。只是由于其設備結構復雜，建設投資昂貴等原因限制了它的發(fā)展規(guī)模。

隨著科學技術的進步，真空熔煉技術也取得很大進展，新的真空熔煉的爐型也不斷涌現(xiàn)。例如，真空感應熔煉通常脫硫效果并不好，近期出現(xiàn)了真空感應有渣熔煉，即在真空感應熔煉過程中，造堿性熔渣。由于一般合金中都有或多或少的碳存在，這時就可發(fā)生下列脫硫反應：(CaO) [MeS] [C]======(CaS) [Me] {CO}。

在真空熔煉條件下，由于爐氣不斷被抽出，爐內pCO值可達到很低的水平，這對于合金的脫硫是極為有利的。工作表明，用200kg真空感應爐重熔高硫鈷豆，造石灰螢石渣，脫硫效果達44%。真空感應有渣熔煉，還可以抑制元素的揮發(fā)過程，這對于減少貴重元素的損失和準確控制合金成分也是有利的。為克服真空電弧熔煉不能澆注成型的缺點，發(fā)明了真空凝殼爐。它是利用真空電弧熔煉原理，采用可以傾動的水冷坩堝控制冷卻過程，使被熔煉金屬液在坩堝內壁形成一薄層“凝殼”，將被熔煉金屬液和坩堝隔離，并形成相當大的熔池，熔煉結束時快速傾轉坩堝將金屬液注入鑄?；蜩T型凝固成型。凝殼爐在熔煉鈦和鈦合金方面取得了很好的冶金效果。此外，特別適用于難熔金屬提純和單晶制取的無坩堝區(qū)域熔煉，生產定向渦輪葉片的真空定向凝固爐，以及制備金屬間化合物(例如Ni₃Al、Ti₃Al等)用的冷坩堝懸浮熔煉等均已達到生產規(guī)模，正在進一步的完善和發(fā)展之中。2100433B

真空感應熔煉爐，是在真空條件下,利用中頻感應加熱原理,使金屬熔化的真空冶煉成套設備。

真空感應熔煉爐是在真空條件下,利用中頻感應加熱原理,使金屬熔化的真空冶煉成套設備。生產鎳基高溫合金、鈦合金、不銹鋼、超高強度鋼等特種合金材料的重要冶煉設備。其自動控制系統(tǒng)作為重要的組成部分,直接影響產品的質量和產量。2100433B