真空感應(yīng)熔煉發(fā)展與展望

在20世紀(jì)40年代真空感應(yīng)熔煉主要煉制加熱用電阻合金，它純凈度高、拔絲容易;同時(shí)也用于生產(chǎn)軟磁合金。60年代以來(lái)，中國(guó)邵象華、美國(guó)埃里奧特(Elliott J.F.)和前蘇聯(lián)薩馬林(Cамарин A.M.)等對(duì)真空冶金物理化學(xué)作了較全面的評(píng)述并進(jìn)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(jìn)及潔凈度等方面有明顯的效果。在60年代以后真空感應(yīng)熔煉又增加了超高強(qiáng)度鋼、超純鐵素體不銹鋼及電子工業(yè)用高純靶材等產(chǎn)品。對(duì)于合金性能要求很高的材料常常采用真空感應(yīng)熔煉與真空電弧重熔或電渣重熔雙聯(lián)冶煉工藝，這時(shí)真空感應(yīng)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(zhì)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(yīng)熔煉今后在下述四個(gè)方面仍將獲得廣泛應(yīng)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(qiáng)度馬氏體時(shí)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(chǎn)無(wú)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(yīng)熔煉的熔煉工藝包 括坩堝的選擇與制備，爐料準(zhǔn)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(shè)備的生產(chǎn)率和金屬成品的質(zhì)量。通常小爐選用預(yù)制坩堝;較大熔煉爐(>250kg)采用打結(jié)法制備坩堝較為經(jīng)濟(jì)。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(xué)性質(zhì)。對(duì)熔點(diǎn)較低而又不與碳反應(yīng)的金屬，如鈾與銅，可選用石墨坩堝;對(duì)含化學(xué)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(jì)80年代真空感應(yīng)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(yīng)，從而可用真空感應(yīng)爐熔煉鈦、鋯等活性金屬;用預(yù)制氧化鈣坩堝可大大提高熔煉金屬的質(zhì)量。

爐料準(zhǔn)備

真空感應(yīng)熔煉用的原材料需經(jīng)仔細(xì)化驗(yàn)和選擇，如對(duì)在真空中不易去除的磷與硫的含量加以限制;經(jīng)過(guò)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(jià)格買(mǎi)低雜質(zhì)含量的原料，從而節(jié)省真空感應(yīng)凈化所需時(shí)間;同理，在使用返回料時(shí)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(shí)希望有一定量的碳，這樣在料熔化時(shí)碳可以充分脫氧，又起攪拌作用;相反在煉制超低碳合金時(shí)則配有過(guò)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(qiáng)烈噴濺損失，必要時(shí)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(yīng)注意熔池得到充分?jǐn)嚢枰岳诮饘僖撼煞志鶆蚝透鞣N冶金反應(yīng)的進(jìn)行;精煉期溫度應(yīng)選擇適當(dāng)，溫度高有利于提高反應(yīng)速度，但溫度過(guò)高會(huì)由于金屬液與坩堝材料反應(yīng)加速，從而導(dǎo)致金屬液含氧量增高等不利影響;精煉期真空度應(yīng)達(dá)到抽氣設(shè)備實(shí)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(shì)，只有在煉制需要加入易揮發(fā)合金元素時(shí)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(diào)整熔池溫度準(zhǔn)備澆注。

澆注

澆注工藝直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。首先是精確控制澆注溫度，選擇澆注溫度應(yīng)使金屬液具有良好流動(dòng)性，但不要使金屬液過(guò)熱導(dǎo)致燒傷模壁及冷凝產(chǎn)生的二次夾雜增多等缺點(diǎn)。其次采取措施防止浮渣等進(jìn)入鑄模，使用帶擋渣板的導(dǎo)流槽能得到良好效果;80年代研制出的各種泡沫陶瓷過(guò)濾器，對(duì)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(yīng)加熱等辦法。

真空感應(yīng)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(yīng)爐設(shè)備投資較大，縮短熔煉周期以提高設(shè)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(yīng)的進(jìn)行。為了得到充分的攪拌，有的感應(yīng)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(wèn)題。

真空系統(tǒng)

選擇真空系統(tǒng)首先應(yīng)考慮熔室初抽的時(shí)間及各閘閥隔離室抽空所需的時(shí)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(duì)精煉期真空度的要求，這與選用的原材料種類(lèi)、成分和對(duì)熔煉后合金成分的要求有很大關(guān)系;還要考慮外來(lái)氣體源，這對(duì)大型爐子更為重要，例如由各真空密封處密封不嚴(yán)引起的漏氣，坩堝、絕緣物、導(dǎo)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(dá)到每kg坩堝容量6.65×10^-2～1.33×10^-1N.L/(m·s)。對(duì)爐體漏氣要求愈小愈好，因?yàn)橥徽婵斩认侣獯蟮臓t子熔煉冶金效果差。通過(guò)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(shí)爐體受熱產(chǎn)生的大量放氣。

爐體結(jié)構(gòu)

往往根據(jù)用戶(hù)需要設(shè)計(jì)，因而是多種多樣。通常包括熔煉室和裝料及輔助設(shè)備兩大部分。(1)熔煉室。對(duì)小型真空感應(yīng)爐(<500kg/爐)通常選擇側(cè)傾坩堝澆注的結(jié)構(gòu)，在熔煉室內(nèi)澆注，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊。對(duì)工業(yè)規(guī)模用真空感應(yīng)爐(>1t/爐)也為側(cè)傾澆注;但鑄錠室與熔煉室經(jīng)真空閘閥隔開(kāi);坩堝與錠模之間經(jīng)過(guò)一個(gè)水平導(dǎo)流槽相連接;這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)半連續(xù)冶煉、縮短冶煉周期，大大提高設(shè)備利用率。但設(shè)備投資會(huì)有一定增加。(2)裝料與輔助設(shè)備。有塊料、合金料與液態(tài)金屬等加料裝置設(shè)備，常用為前兩種。小爐的塊料打開(kāi)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(zhuān)用閘閥在坩堝上方建有加料室，用底開(kāi)式吊籃通過(guò)加料機(jī)構(gòu)將塊料直接送入坩堝。(3)合金加料器。位于熔煉室之上，總?cè)萘考s為熔煉料的2%～10%，為多格分別貯料，通過(guò)真空閘閥與振動(dòng)送料器將各種合金料于合適的熔煉期間分別加入坩堝內(nèi)的液態(tài)金屬中。(4)合金液取樣器。為了控制冶煉過(guò)程，必須在不同熔煉期間取樣分析合金成分與雜質(zhì)含量。取樣器可通過(guò)一小真空閥直接自熔池內(nèi)取樣，或者通過(guò)加料裝置閘閥自熔池中取樣。(5)測(cè)溫裝置。溫度是冶煉工藝的重要參數(shù)，使用輻射光學(xué)高溫計(jì)測(cè)溫，必須及時(shí)清除玻窗上的揮發(fā)物并對(duì)其進(jìn)行校正;因此，標(biāo)準(zhǔn)的方法是用浸入式熱電偶測(cè)溫，它可通過(guò)專(zhuān)門(mén)真空閥門(mén)送入，或經(jīng)過(guò)加料室閘閥送入。除此之外，還有搗料桿、可移動(dòng)坩堝蓋，錠模及導(dǎo)流槽等附屬設(shè)備。真空感應(yīng)熔煉設(shè)備以德國(guó)萊波特海拉斯(Leybold Her-aeus)公司和美國(guó)康薩克(Consarc)公司的產(chǎn)品較為先進(jìn)。中國(guó)主要生產(chǎn)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(yīng)熔煉，真空電弧熔煉，電子束熔煉等3種。

真空熔煉真空感應(yīng)熔煉

將金屬爐料放入置于線圈中的坩堝內(nèi)，當(dāng)線圈接通交流電源時(shí)，在線圈中間產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，爐料中即產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。由于金屬爐料本身形成一閉合回路，所以在爐料中同時(shí)產(chǎn)生了感應(yīng)電流，即渦流，爐料靠渦流加熱和熔化。利用這個(gè)原理進(jìn)行熔煉的方法稱(chēng)為感應(yīng)熔煉。而處于真空條件下的感應(yīng)熔煉則為真空感應(yīng)熔煉。真空感應(yīng)熔煉能夠嚴(yán)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(zhì)，提高合金的純凈度。但真空感應(yīng)熔煉存在著坩堝耐火材料對(duì)金屬液的沾污問(wèn)題，且通常采用鋼錠模澆注，鋼錠結(jié)晶組織與普通熔煉的鑄錠組織比較并無(wú)改善。真空感應(yīng)熔煉主要用來(lái)熔煉高溫合金、精密合金及特殊鋼材料，其主要產(chǎn)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(lái)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(guò)程中它逐漸消耗;而非自耗電極系利用鎢等高熔點(diǎn)材料制成，在爐料熔煉過(guò)程中它基本上不消耗。采用自耗電極的真空電弧爐稱(chēng)自耗電極電弧爐，簡(jiǎn)稱(chēng)自耗爐;采用非自耗電極的真空電弧爐稱(chēng)非自耗電極電弧爐，簡(jiǎn)稱(chēng)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(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)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(chēng)為水冷銅結(jié)晶器。熔煉時(shí)，可以將自耗電極(被熔煉材料)接負(fù)極，水冷銅結(jié)晶器接正極，通電后兩極間產(chǎn)生弧光放電，將電能轉(zhuǎn)變成熱能，產(chǎn)生高溫使材料熔化。熔煉過(guò)程中液態(tài)金屬熔滴通過(guò)高溫弧區(qū)后落入金屬熔池，并在水冷銅結(jié)晶器內(nèi)凝固成錠。通過(guò)金屬液與氣相間以及熔池內(nèi)發(fā)生的一系列物理化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到提高金屬的純凈度，改善其結(jié)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(zhì);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(jié)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(yù)制電極，且鋼錠表面較差。真空電弧熔煉可用來(lái)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(lái)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(yáng)極的加速下，以高速射向陽(yáng)極(做成電極的被熔物料相當(dāng)于陽(yáng)極)，當(dāng)高速的電子束射到電極表面碰撞時(shí)，由動(dòng)能轉(zhuǎn)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(lái)加熱金屬液面，使熔池保持必要的溫度和時(shí)間，以利于金屬的精煉。最后金屬液在水冷結(jié)晶器中凝固成錠。電子束熔煉也稱(chēng)電子轟擊爐熔煉。電子束熔煉具有突出的優(yōu)點(diǎn)：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(zhì);熔煉溫度高，冶金反應(yīng)充分，能熔煉任何難熔金屬;金屬熔滴匯聚在水冷結(jié)晶器內(nèi)，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(yīng)用范圍已從難熔金屬擴(kuò)展到高溫合金、精密合金、半導(dǎo)體材料和一些具有特殊用途鋼種的熔煉。只是由于其設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建設(shè)投資昂貴等原因限制了它的發(fā)展規(guī)模。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，真空熔煉技術(shù)也取得很大進(jìn)展，新的真空熔煉的爐型也不斷涌現(xiàn)。例如，真空感應(yīng)熔煉通常脫硫效果并不好，近期出現(xiàn)了真空感應(yīng)有渣熔煉，即在真空感應(yīng)熔煉過(guò)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(shí)就可發(fā)生下列脫硫反應(yīng)：(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(nèi)pCO值可達(dá)到很低的水平，這對(duì)于合金的脫硫是極為有利的。工作表明，用200kg真空感應(yīng)爐重熔高硫鈷豆，造石灰螢石渣，脫硫效果達(dá)44%。真空感應(yīng)有渣熔煉，還可以抑制元素的揮發(fā)過(guò)程，這對(duì)于減少貴重元素的損失和準(zhǔn)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(diǎn)，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?xún)A動(dòng)的水冷坩堝控制冷卻過(guò)程，使被熔煉金屬液在坩堝內(nèi)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(dāng)大的熔池，熔煉結(jié)束時(shí)快速傾轉(zhuǎn)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(wú)坩堝區(qū)域熔煉，生產(chǎn)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(dá)到生產(chǎn)規(guī)模，正在進(jìn)一步的完善和發(fā)展之中。2100433B

真空感應(yīng)熔煉爐，是在真空條件下,利用中頻感應(yīng)加熱原理,使金屬熔化的真空冶煉成套設(shè)備。

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