真空感應(yīng)熔煉爐（vacuum induction furnace）是在真空條件下利用電磁感應(yīng)在金屬導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦流加熱爐料進(jìn)行熔煉的設(shè)備。
由于在真空下熔煉，容易將熔于鋼和合金中的氮、氫、氧和碳去除到遠(yuǎn)比常壓下冶煉為低的水平，同時(shí)，對(duì)于在熔煉溫度下，蒸氣壓比基體金屬高的雜質(zhì)元素（銅、鋅、鉛、銻、鉍、錫和砷等）可通過(guò)揮發(fā)去除，而合金中需要加入的鋁、鈦、硼及鋯等活性元素的成分易于控制。因此，經(jīng)真空感應(yīng)熔煉的金屬材料可明顯地提高韌性、疲勞強(qiáng)度、耐腐蝕性能、高溫蠕變性能以及磁性合金的磁導(dǎo)率等多種性能。
特點(diǎn)
真空感應(yīng)爐特點(diǎn)
(1）在真空環(huán)境下，沒(méi)有空氣和爐渣污染，金屬不易氧化、吸氣少，合金純凈，性能更好；
(2）真空下冶煉，有利于金屬內(nèi)部氧氣、氮?dú)獾葰怏w雜質(zhì)的去除，氣體含量低；
(3）有利于銅、鋅、鉛、銻、鉍、錫和砷等高蒸汽壓的金屬雜質(zhì)元素?fù)]發(fā)去除；
(4)有利于成分控制，特別是鋁、鈦、硼及鋯等活性元素等控制，合金元素?zé)龘p少；
(5）熔池中存在電磁攪拌，促進(jìn)鋼水成分和溫度均勻，有利于鋼中夾雜物的合并和上??；
(6）熔煉過(guò)程中基本無(wú)火焰，也無(wú)燃燒產(chǎn)物，對(duì)環(huán)境污染小。
應(yīng)用領(lǐng)域 真空感應(yīng)爐應(yīng)用領(lǐng)域 （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、鈷基合金、高熵合金等； （3）生產(chǎn)無(wú)余量加工的精密鑄造件； 工藝流程 真空感應(yīng)爐熔煉主要分為裝料、熔化、精煉、澆注等幾個(gè)階段。 裝料 1 原料要求 (1)準(zhǔn)確掌握各種冶煉原材料的化學(xué)成分，不允許混亂; (2)原材料中S、P含量低，低熔點(diǎn)有色金屬雜質(zhì)Pb、Bi、Sn等要低;(3)原材料氣體含量要少; (4)原材料要特別清潔、無(wú)銹，無(wú)油污; (5)原材料儲(chǔ)存在干燥環(huán)境，以免熔煉時(shí)帶入氣體，產(chǎn)生噴濺; (6)根據(jù)爐子容量大小和電源頻率，控制原材料尺寸; (7)原料可以是返回料、精鋼材、純金屬、中間合金。 2 裝料要求 直空感應(yīng)熔煉在直空室內(nèi)進(jìn)行，裝料與普通感應(yīng)熔煉有所不同，全部原料分成兩部分:一部分直接裝入坩堝:一部分裝入合金料箱中，以便在熔煉過(guò)程中投入熔池。 坩堝中裝料要求: (1)基本材料Fe、Ni、W、Mo、Co、V、C等可直接裝入坩堝內(nèi): (2)坩堝內(nèi)溫度不均勻，下高上低，原則上難熔金屬和量多元素裝在高溫區(qū): (3)坩堝底部放小塊料，以便快速形成熔池，大塊料放在坩堝中上部，利于預(yù)熱和順利塌料; (4)裝料應(yīng)做到上松下緊，以防熔化過(guò)程中上部爐料因卡住或焊接而出現(xiàn)“架橋”; (5)裝料時(shí)坩堝稍向前傾，上部裝料避免平攤放置，向出鋼一側(cè)集中: (6)熱爐條件下應(yīng)快速裝料，防止感應(yīng)圈水冷表面凝結(jié)水珠，坩堝吸氣增多，延長(zhǎng)抽氣時(shí)間，溫度降低，影響坩堝壽命。 裝入合金料箱中的材料主要包括: (1)活潑、易氧化和微量元素(如Al、Ti、Ce、Zr和B等)應(yīng)在金屬液脫氧良好的條件下加入; (2)蒸汽壓高、易揮發(fā)的元素(如Mn)加入時(shí)，熔煉室應(yīng)先充以惰性氣體Ar，控制爐內(nèi)氣壓。 熔化 熔化期的主要任務(wù):爐料熔化、去氣、去除低熔點(diǎn)有害雜質(zhì)和非金屬夾雜物，使金屬液溫度適當(dāng)、熔池上真空度符合要求，為精煉創(chuàng)造條件。熔化期在整個(gè)冶 煉過(guò)程中時(shí)間最長(zhǎng)。熔化期關(guān)鍵技術(shù)如下: (1)真空度 合爐后，抽至高真空度-2進(jìn)行送電加熱，爐料熔化前保持較高的真空度。熔化期內(nèi)，熔池由淺漸深，新的金屬液面不斷裸露出來(lái)，高真空度，有利于氣體、有害雜質(zhì)和非金屬夾雜物的排除。 (2)供電制度 熔化初期，由于感應(yīng)電流的集膚效應(yīng)，爐料逐層熔化。爐料逐層熔化有利于去氣和去除非金屬夾雜，因此，熔化期要保持較高真空度和緩慢的熔化速度。需要合理的供電制度，開(kāi)始熔化時(shí)，根據(jù)金屬爐料的不同特點(diǎn)，逐級(jí)增加輸入功率，使?fàn)t料以適當(dāng)?shù)乃俣热刍?。若熔化過(guò)快，則氣體有可能從金屬液中急劇析出，引起熔池的劇烈沸騰，甚至噴濺。 (3)熔化期噴濺 熔化速度過(guò)快，大塊冷料落入熔池，補(bǔ)加料太快或含氣過(guò)多，金屬液溫度過(guò)高等都會(huì)引起熔化期金屬液大量噴濺。噴出的金屬液大都黏附在坩堝壁上部，形成環(huán)形殼，不但損失大量金屬材料，還會(huì)導(dǎo)致冶煉工作無(wú)法進(jìn)行。如果發(fā)生噴濺，可采取降低熔化速度(減小輸入功率)或適當(dāng)提高熔煉室壓力(關(guān)閉真空液門(mén)或充入一定量的Ar氣)的方法加以控制。 精煉 精煉期的主要任務(wù):脫氧、去氣、去除揮發(fā)性?shī)A雜、調(diào)整溫度、調(diào)整成分。精煉過(guò)程中須控制好精煉溫度、真空度、真空時(shí)間以及合金化等工藝。 (1)精煉溫度 高精煉溫度有利于碳氧反應(yīng)及夾雜的分解揮發(fā)，但溫度過(guò)高，會(huì)加劇坩堝與金屬間的反應(yīng)，增加合金元素的揮發(fā)損失，因此，通常合金鋼的精煉溫度控制在所煉金屬的熔點(diǎn)以上100℃。 (2)真空度 真空度提高促進(jìn)碳氧反應(yīng)，隨著CO氣泡的上浮排出，有利于[H]和[N1的析出、非金屬夾雜的上浮、氨化物的分解、微量有害元素的揮發(fā)。但過(guò)高的真空度會(huì)加劇坩堝與金屬間的反應(yīng)、增加合金元素的揮發(fā)損失，所以對(duì)于大型真空感應(yīng)爐，精煉期的真空度通?？刂圃?/span>15~150Pa，小型爐控制在10Pa以下。 (3)真空時(shí)間 金屬液內(nèi)氧含量先降后升，因此，氧含量達(dá)到最低值的時(shí)間，為精煉最佳時(shí)間，真空感應(yīng)熔煉爐精煉時(shí)間為20-50min。爐料熔清后，立即加入適量的塊狀石墨或其他高碳材料進(jìn)行碳氧反應(yīng)。 (4)合金化 精煉后期，充分脫氧、去氣、揮發(fā)夾雜物后，加入活潑金屬和微量添加元素，調(diào)整成分，進(jìn)行合金化，加入順序一般為Al、Ti、Zr、B、Re、Mg、Ca，做到均勻、緩慢，以免產(chǎn)生噴濺，加入后大功率攪拌1~2min，加速合金熔化和分布均勻。由于Mn的揮發(fā)性較強(qiáng)，一般在出鋼前3~5min加入。 澆注 鋼液的出鋼溫度、澆注溫度關(guān)系到成品的冶金質(zhì)量，澆注時(shí)可采用保溫帽或絕熱板。 (1)澆注溫度 在澆注和金屬凝固過(guò)程中，鋼液中氣體的溢出，夾雜物的上浮，鋼液凝固時(shí)的補(bǔ)縮，需要鋼液有一定的過(guò)熱度，以保持良好的流動(dòng)性。但溫度過(guò)高，柱狀晶區(qū)加寬，偏析增大，錠了各向異性大，縮孔加深，鋼錠和電極拉裂傾向增加，甚至粘?；蚶瓟啵斐蓮U品;溫度過(guò)低，不利于氣體和夾雜的去除，鋼錠或電極表面質(zhì)量下降，等軸粗晶區(qū)擴(kuò)大，夾雜物增多，疏松嚴(yán)重，造成短尺廢品。因此，澆注溫度一般控制在液相點(diǎn)以上50~80℃。 (2)帶電澆注 帶電澆注的目的:一是在澆注時(shí)將浮渣推向坩鍋后側(cè)，避免流入鋼錠和電極中，二是保持鋼液溫度均勻，減少溫差。 (3)澆注后保持真空 澆注后不應(yīng)立即破壞真空，一般在出鋼5~15min后再破壞真空，避免紅熱鑄件及坩堝壁附著金屬的氧化，減輕下一爐次的冶煉負(fù)擔(dān)，保證合金質(zhì)量;可避免紅熱金屬的氧化和移動(dòng)鑄模，破壞結(jié)晶的正常進(jìn)行。對(duì)于成分復(fù)雜的高溫合金，澆注后可在真空下冷卻。 關(guān)鍵因素 1 脫氧 氧在鋼中為有害元素，在煉鋼過(guò)程中自然進(jìn)入，主要以FeO、MnO、SiO、等夾雜形式存在，使鋼的強(qiáng)度、塑性降低，尤其是對(duì)疲勞強(qiáng)度、沖擊韌性等有嚴(yán)重影響。在煉鋼末期加入錳，硅，鋁進(jìn)行脫氧，但不能除盡。 (1)硅、鋁等常用金屬脫氧劑 硅、鋁等金屬可進(jìn)行沉淀脫氧，脫氧后形成的氧化物夾雜會(huì)部分殘留在鋼中，降低鋼的純潔度。 (2)碳脫氧 在常壓下，碳的脫氧能力較弱，但在真空條件下，碳氧反應(yīng)會(huì)進(jìn)行的更完全，脫氧為氣態(tài)產(chǎn)物，不會(huì)遺留非金屬夾雜物。 [C]+[O]=co 當(dāng)氣相壓力降至0.1atm時(shí)，碳的脫氧能力可超過(guò)硅;若氣相壓力降至133.322Pa時(shí)，碳的脫氧能力可超過(guò)鋁。但碳的脫氧能力并不會(huì)隨著真空度的提高而無(wú)限制的提高，因?yàn)橹挥幸簹夥纸缑娴奶佳醴磻?yīng)只遵循熱力學(xué)原理，金屬液體內(nèi)部的碳氧反應(yīng)不僅遵循熱力學(xué)原理，還要受到動(dòng)力學(xué)條件的約束。金屬液體內(nèi)部如果要 形成CO氣泡，CO的生成壓必須大干爐氣壓力，氣泡產(chǎn)生外金屬液柱的靜壓力和表面張力造成的壓力之和。因而僅減小爐氣壓力(即增加直空度)難以達(dá)到，此時(shí)限制碳脫氧的主要因素是表面張力和靜壓力。鎂砂搗打坩堝在高直空度，高溫度下容易分解，使鋼液進(jìn)一步增氧，對(duì)鋼液的脫氧產(chǎn)生不利影響。用氧化鈣坩堝熔煉鋼液時(shí)，由氧化鈣優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，在真空精煉時(shí)不會(huì)對(duì)鋼液增氧，但真空度過(guò)高(如系統(tǒng)壓力小于1Pa時(shí))，氧化鈣熱穩(wěn)定性會(huì)降低，不利于鋼液的深度脫氧。 (3)過(guò)濾 獲得超純凈合金的最重要的輔助方法是過(guò)濾，并在實(shí)踐中獲得良好效果，采用孔隙度為10ppi的AlO和CaO過(guò)濾網(wǎng)，對(duì)于氧的脫除有效果。 2 脫氮 氮對(duì)鋼材性能的影響與碳、磷相似，隨著氮含量的增加，可使鋼材的強(qiáng)度顯著提高，塑性特別是韌性顯著降低，可焊性變差，同時(shí)增加時(shí)效傾向及冷脆性和熱脆性。因此，應(yīng)盡量減小和限制鋼中的氮含量，一般規(guī)定氮含量不高于0.018%。 中國(guó)科學(xué)院金屬研究所牛建平等人研究了真空感應(yīng)熔煉超純凈鎳基高溫合金脫氨的工藝。發(fā)現(xiàn)在氧化鈣坩堝中精煉加Al對(duì)脫氨有促進(jìn)作用;Ti加入對(duì)脫氮有明顯阻礙作用:提高真空度，可降低合金元素對(duì)脫氮的不利影響，達(dá)到極低含氮量。 3 脫氫 氫是一般鋼中最有害的元素，鋼中溶有氫會(huì)引起鋼的氫脆，白點(diǎn)等缺陷。氫與氧、氨一樣，在固態(tài)鋼中溶解度極小，在高溫時(shí)溶入鋼液，冷卻時(shí)來(lái)不及逸出而積聚在組織中形成高壓細(xì)微氣孔，使鋼的塑性、韌度和疲勞強(qiáng)度急劇降低，嚴(yán)重時(shí)造成裂紋、脆斷。 氫在空氣中以分子狀態(tài)存在，在金屬中則以單原子或離子狀態(tài)存在，這種雙原子氣體在金屬中的溶解度與氣體分壓力的平方根成正比，因此，提高熔煉直空度有助于除氫。 4 錳含量控制 錳能提高鋼材強(qiáng)度、提高淬透性、改善熱加工性能，并且價(jià)格相對(duì)便宜，與鐵無(wú)限固溶，在提高鋼材強(qiáng)度的同時(shí)，對(duì)塑性的影響相對(duì)較小。因此，錳被廣泛用于鋼中。 由干錳的蒸汽壓比較高，在高直空下?lián)]發(fā)嚴(yán)重，在鋼中含量不容易控制，經(jīng)過(guò)研究，在1500℃熔煉時(shí)，錳的蒸汽壓大約為2.7kPa，采用3kPa充氬量可以抑制 錳的揮發(fā)，達(dá)到對(duì)錳含量的控制。 5 控制熔煉過(guò)程放電 (1)利用真空機(jī)組改變真空室內(nèi)壓力防止放電 (2)依真空室內(nèi)壓力變化，確定是否采用油增壓擴(kuò)散泵抽真空抑制放電 (3)嚴(yán)肅真空衛(wèi)生要求，消除導(dǎo)電塵埃防止放電 (4)合理調(diào)整真空度與送電功率解決放電問(wèn)題 (5)降低感應(yīng)器的輸入電壓減少放電
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