真空感应炉熔炼工艺.pdf

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1、真空感应炉熔炼工艺 真空感应熔炼(VIM)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：(1)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

2、碳量极低的钢和合金。(2)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。(3)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 I 确污染小。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 Z(v-B)E:导体两端所

3、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。若感应线圈内砌有土甘蜗并装满金属炉料，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（E）,其大小通常以下式确定：E2-f-n: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=

4、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=|2Rt Q：焦耳-楞茨热，J;I:电流强度，A;R:导体电阻，Q;t:导体通电时间，s。当感应炉通以交流电后，在感应线圈内坍蜗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：1=-f/R,（R:金属炉料的有 效电阻，Q）。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

5、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（即增加真空度）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+0r C0T 真空下的脱气反应：2 H7H2T 2 Nr Nd 金属中元素的挥发：M rMef（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（如硅、铝等）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

6、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=FM(a c-a 沪 P 诚(C fc0-f O)即：C-0=PcdK 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,C0 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局而无限制的提局，因为只有液气分界面的碳氧 反应仅只遵

7、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 Cg 泡，那么 CO 勺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(即增 加真空度)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+C7ME+g SiO 2+2C7:Si+2COT Al 2Q+3Cr 2Al+3COT 同时，真空下碳这一特性也会作用于土甘蜗耐火材料。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

8、碳发生还原反应。因而坍蜗材料的选择很重要。由于以上过程的存在，反过来也会消耗C，降低钢中C。(2)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=KV PH2:%N=KV PN2(3)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局的元素，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 4、坍蜗 5、电源 6 锭模车 2、真空感应炉熔

9、炼的工艺过程：就是结合真空冶金与感应熔炼的特点制定合理有效的工艺。其整 个周期可分为以下几个主要阶段，即装料、熔化、精炼、浇注。(1)装料：真空感应炉所用炉料一般都是经过表面除锈和油污后的高纯原 料，有的合金元素还以纯金属形式加入。严禁采用潮湿的炉料，以免 带入气体和在熔炼时产生喷溅。装料时，应做到上松下紧，以防熔化 过程中上部炉料因卡住或焊接而出现“架桥”；在装大料前，应先在 炉底铺垫一层细小的轻料；高熔点不易氧化的炉料应装在坍蜗的中、下部高温区；易氧化的炉料应在金属液脱氧良好的条件下加入；易挥 发的元素加入时，熔炼室应先充以惰性气体 Ar 为好。(2)熔化期：装料完毕后，应开始抽真空。当真

10、空室压强达到时，便可送电加 热炉料。熔化初期，由于感应电流的集肤效应，炉料逐层熔化。这种 逐层熔化非常有利于去气和去除非金属夹杂，所以熔化期要保持较高 真空度和缓慢的熔化速度。所以开始熔化时不要求输入最大的功率，而是根据金属炉料的不同特点，逐级增加输入功率，使炉料以适当的 速度熔化。若熔化过快，则气体有可能从金属液中急剧析出，这将会 引起熔池的剧烈沸腾，甚至产生喷溅。如果发生喷溅，可采取降低熔 化速度(减小输入功率)或适当提高熔炼室压力(关闭真空阀门或充 入一定量的惰性气体)的方法加以控制。若采用两次加料熔化时，第 二次炉料应在坍蜗炉料熔化 70%80 胞加入，并等到补加料开始发红 后再提高输

11、入功率，以免冷料突然加入而放1、真空系统、加料系统 3、感应线圈 出大量气体产生喷溅。当 金属全部熔化，熔池表面无气泡逸出时，熔炼进入精炼期。(3)精炼期：精炼期的主要任务是：脱氧、去气、去除挥发性夹杂、调整温度、调 整成分。为完成上述任务必须控制好精炼温度、真空度和真空下保持 时间等工艺参数。a、精炼温度：温度升高有利于碳氧反应的进行、夹杂的分解挥发；但温度过高会加剧坍蜗与金属间的反应、增加合金元素的挥发损失，所以通常合金钢的精炼温度控制在所炼金属的熔点以上 100 Co b、真空度：真空度提高将促进碳氧反应，随着 CO 气泡的上浮排 出，有利于H和N的析出、非金属夹杂的上浮、氮化物 的分

12、解、微量有害元素的挥发。但过高的真空度会加剧坍蜗与金属间的反 应、增加合金元素的挥发损失，所以对于大型真空感应炉，精炼期的 真空度通常控制在15150Pa 小型炉则控制在1Pa c、真空下保持时间：金属液内氧含量是先降后升的，所以当氧 含量达到最低值的时间就是精炼时间，500kg 的炉子精炼时间为 5070min。炉料熔清后，应立即加入适量的块状石墨或其他高碳材料进行碳 氧反应。精炼后期，充分脱氧、去气、挥发夹杂物时，加入活泼金属 和微量添加元素，调整成分，加入顺序一般为 Al、Ti、Zr、B、R&Mg Ca,应做到均匀、缓慢，以免产生喷溅，加入后用大功率搅拌 12min,以加速合金的熔化和分布均匀，由于 Mn 的挥发性较强，一 般在出钢前35min 加入。(4)浇注：合金化后，温度成分合格后即可出钢浇注。浇注时采用 保温帽或绝热板。对于成分复杂的高温合金，浇注后可在真空下冷却。3、结语：真空感应熔炼作为制造高温合金、精密合金、特殊功能材料等的 重要工序之一，其作用将越来越重要、应用将越来越广泛。