真空感应炉设备及冶炼工艺研究

1 真空感应炉介绍

1.1 真空感应炉简介

真空感应冶炼，英文名为Vacuum Induction Melting（VIM），采用了感应加热（中频）的系统理论实现电能转换为热源能量，即类似圆盘电缆产生涡流一样的原理促使被熔化金属（待熔炼原料）由于涡流生热而熔化，在熔化过程中去除杂质、合金成分调整、有害元素去除、添加有益元素、均匀化成份，改善产品综合性能，实现高品质金属产品的熔炼方式。 这些工艺流程全部是在真空条件下完成的，原因是真空条件下可以比较容易地将溶于钢和合金中的氧、氮、氢和碳去除到远比大气下冶炼更低的含量水平，同时对在高温熔炼温度下蒸气压比基体金属高的杂质元素可以通过挥发去除，而合金中需要加入的铝、钛、硼及锆等活泼元素的成份通过真空设备的特殊配置氩气分压功能控制，因此经过真空感应熔炼的金属材料可明显地提高韧性、疲劳强度、耐腐蚀性能等多种性能，可以生产各种特殊材料合金，是保障这些特殊材料生产的不可缺少的装备之一。真空感应炉一般分为间断式、半连续式和连续式三种，其真空系统和控制系统作为重要的组成部分,直接影响产品质量与产量。标准的无芯感应炉体包括钢外壳、感应线圈、感应线圈固定支撑结构等。炉体通过液压驱动实现前倾浇铸产品，后倾辅助搅拌，化解“熔炼架桥”等问题。钢外壳起到保证炉体结构刚性并确保实现熔融金属的冶炼、浇铸等功能；感应圈提供感应磁场，提供熔化金属的能量；感应圈支撑结构是固定感应圈的机构，保证感应圈保持刚性标准结构；磁轭连接感应线圈和外部钢壳体，该磁轭覆盖线圈约80%的周边，尽量保证了励磁感应线圈产生的磁场不外漏。同时圆柱形的钢壳体外一般会配置相对应的检查窗口，从检查窗口可以轻易检查并发现内部感应线圈问题以便及时发现并及时处理。

1.2 真空感应炉的组成

标准的真空感应炉一般由熔炼室、铸模室、上加料室、侧加料室（一般大于2.5T 炉型配置）、溜槽室、熔炼坩埚、真空系统等组成。熔炼室是最大的真空腔体，熔炼坩埚、模车、模车控制机构等都部署其中，是实现熔炼的场所和空间；铸模室是精炼完成后产品浇铸的空间，配备模车和模车机械结构；上加料室，是单独的真空腔体，实现小批次材料添加、合金元素添加、测温取样功能；测加料为单独的真空腔体，实现连续生产时的熔炼材料添加，可以保持熔炼室真空状态下连续加料，保护高温条件下的坩埚避免受到大气侵蚀；溜槽室也是单独的真空腔体，在出钢前放入加热的流槽，保证熔融的钢水通过溜槽分别浇铸到铸模中；熔炼电源提供熔炼时的能量，即提供频率、电流、功率、搅拌功率等能量并按照操作人员的指令精准控制；Crucible 即为坩埚（熔炉），是由耐火材料通过特殊的工艺烧结成型的容纳冶炼金属的装置。被熔炼金属或合金在熔炉中进行冶炼、工艺控制、化学成分控制、精炼等，实现在熔融金属中的各种工艺控制。

辅助系统包括水、压缩空气、液压和氩气。水提供真空感应炉所有的冷却，包括真空系统泵组冷却、坩埚冷却、熔炼电源冷却等；压缩空气提供动力能源，例如真空阀门的动作、各种控制气缸的动作等；液压系统提供重载动力能源，比如坩埚倾翻动作、模车动作、侧加料动作、上加料动作等；氩气提供熔炼时分压功能，同时兼顾安全功能，当系统出现故障可以立即实现回填至大气状态，避免故障扩大化。

1.3 通用技术真空技术指标

1.4 真空系统配置

初级真空系统一般配置4 台真空泵500M3/H，2 台5,000M3/H罗茨泵；高真空系统一般配置2 台真空泵500 M3/H，2 台5,000M3/H 罗茨泵和4 台4,400 L/S 的油增压泵，例如Edwards 18B4 组成。 熔炼电源额定功率一般为750KW，500HZ，所需熔炼功率815KAV。最大熔炼温度可以达到1,700°C。随着技术的不断进步，熔炼吨位、熔炼电源也不断增大，国内真空感应炉常规炉型已经增至6-12 吨。控制系统由PLC 如SLC500，Studio5000 等配合上位机HMI 组成。

2 真空感应熔炼炉VIM 的熔炼机理

2.1 真空感应熔炼炉VIM原理

真空感应炉，顾名思义是在真空的氛围下实现金属合金的冶炼，是电磁感应原理在被熔炼金属合金中形成涡流生热进行加热冶炼的方法。真空系统、真空度、真空抽空时间、氩气分压度、温度等均可以实现精准控制。对于冶金杂质去除、合金在线取样、成份调整等可以实现精准控制。已成为冶金工业生产优质碳素钢、优质合金钢、工具钢（合金）、高速钢、轴承钢等特殊金属材料的重要装备。

2.2 真空感应熔炼炉的熔炼优势

杜绝外来物的污染问题是电磁感应对熔炼金属加热的绝对优势，鉴于这种独到的优势，可以生产对钢和合金中碳含量要求非常低的产品，冶炼的合金超高纯洁，性能高、品质优。对于由生产原材料混入产品的各种杂质可通过真空感应炉的特殊功能精准控制其挥发状态，精准去除，因此对熔炼金属可以提纯，提高产品的品质。真空感应炉冶炼时可利用真空特性以及真空感应炉的配置进行精准脱氧，产品的清洁度进一步提高，精准调整和控制化学成份。

2.3 电磁感应线圈加热的原理

焦耳——楞茨（Joule-Lenz）定律的电流热效应理论和电磁感应定律- 法拉第Faraday 相互完美组合是感应加热的基本理论。电磁感应现象是指形成回路的导电体产生磁场变化时会产生相关的电压，即感应电动势，同时会产生感应电流。感应电动势和感应电流的大小和交变的电磁场有关，通过感应电流形成感应加热，使需要熔炼的金属合金吸收热量熔化，进而进行熔炼的工艺过程。一般来说，感应回路都是由若干匝数的线圈串联组成，以N 表示匝数，如果磁通量通过设计计算并经过相应的加工制造，要求是每一个匝数磁通量一致，其表达式为φ=nφ，φ 在表达式中表示磁通量，单位是Wb。自由电子在运动中形成电流，即可理解为这是在闭合回路中流动的感应电流，其运动时需要克服相应的电磁阻力，因此其能量将被消耗一部分形成其他能量做功。这些消耗的能量根据能量守恒定律转化为热量。

焦耳楞次定律（Joule-Lenz's law）的数学表达式如下：

Q=I2Rt, 式中

Q——导体的发热量

I——感应电流

T——导体上通过电流的时间

感应加热方法的基本物理原则是电磁感应现象和电流的热效应现象。

2.3.1 感应电流的布局

集肤效应、邻近效应和圆环效应是感应电流在需要熔炼的金属中分布时的三种效应。正确利用这三种效应非常有利于控制熔炼时所需要的熔炼参数，进而精准控制熔炼。由于炉料形状、炉料占总装炉量的体积、比例、密度、导电率、熔点等因素均能影响电源参数的选择、熔化速率的选择等。这些参数的合理选择，再配合合适的真空度抽速，可以满足不同材质的合理的熔化要求。当导体中有频率交变的电流流通时，电流流动的程度不是均匀的，表现为电流密度从导体外面到内部减弱的趋势，也就是说，电流集肤效应就是单位电流流经导电体表面时，电流最大。 通电导体除了本身由于外部电源的作用产生电动势外，由于其本身通过电流时又产生了感应电动势，它和外部电源作用的电动势方向相反，相互叠加的结果是削弱了外部电源做功的电动势。由于感应电流作用于被加热金属中，其内部通过的磁通较大，因此感应电动势较大，通过叠加削弱了外部电源做工的电动势也较大；反之，其被加热金属外部的通过的磁通较少，因此感应电动势较小，通过叠加削弱了外部电源做工的电动势也较小。这样，两种感应电动势和外部做工的感应电动势相互叠加，最终体现出来的就是被加热金属表面的感应电动势最大，即表面的电流最大，这就是引起表面集肤效应的根本原因。

2.3.2 感应加热原理

如果坩埚内（感应圈内）装有金属材料，金属材料处于通电的感应圈内将会被交变的磁力线穿过，由于磁力线的交变特性，既可以理解为金属材料与磁力线产生相对运动，即切割磁力线，从而形成相应的感应电动势。焦耳一愣茨定律则继续发挥作用，形成闭环的感应电动势会形成电流，电流流动时需要克服阻力，即电阻。因此，当电流流经电阻时产生大量的热量并以热能的形式加以释放。即当感应炉通过感应电源被施加交流电后，在感应圈内根据相关的电磁感应定律产生感应电动势，在闭环的状态下形成感应电流，感应电流根据集肤效应及焦耳- 楞次定律产生加热能量对待熔炼金属加热做功，逐步熔化金属实现冶金熔炼。

3 真空感应炉熔炼工艺

标准的熔炼工艺一般分为4 个步骤：待熔化材料加料、升温熔化、精炼、出钢浇铸。

3.1 待熔化材料加料

加料是指在熔炼前经待熔炼金属装填到坩埚中的作业。加料通用法则一般如下：

3.1.1 装料之前检查坩埚，确保坩埚处理干净，没有其他杂质原料保留其中，同时检查坩埚的各项功能是否正常；

3.1.2 材料要烘干除锈和处理，避免水分及潮气带入材料中，尤其是材料内部的密闭腔体内需要特殊关注，避免有液体被封入其中，否则熔炼时会产生爆溅等影响安全的因素；

3.1.3 一般来说，装料时保持下部密实，密度越大越好，即小料尽量向中下部摆放，中大料向中上部摆放，这样可以避免熔炼时材料相互卡住或者形成“搭桥”现象；

3.1.4 容易挥发的元素加入时需要使用专用的合金加料仓进行加料，同时要控制真空度，对真空度要求不高的熔炼，例如在10Pa-50Pa 之间，此时可采用分压功能冲入部分氩气；

3.1.5 活泼金属加入时更要控制原料的纯度、干燥度以及系统的真空度，确保缓慢加入，减少其燃烧损失并通过取样分析来补充。标准的真空感应炉都有专设的加料装置，间断式、半连续式和连续式的感应炉都有不同的加料方式。间断式的都是在大气状态下加料，加料完毕关闭炉门抽空，同时可缓慢施加一定的电源功率开始烘烤炉料。当真空度达到工艺规定的压强即利用真空系统的精确控制保持压强的平衡，同时开始缓慢提升功率进行升温、熔化炉料。配备合金加料腔室和测温取样腔室，这两个真空腔室独立于熔炼室，具有单独抽空能力的腔室，可以保证在熔炼室真空状态下，即被熔炼金属处于熔融状态下可以单独对这两个腔室进行抽空、破空，实现通过合金加料室添加合金调节成份，同时也可添加少量的待熔炼金属，但是这种方式添加的金属量非常小。半连续加料方式，真空感应炉的结构配置需要增加不同的真空腔室，即上加料室、溜槽室、铸模室、合金加料室。这些不同的腔室相互独立，可以单独实现抽空。当一次熔炼结束后，坩埚还持续热态，此时利用上加料室配合加料桶，实现小批量的加料。但是如果需要大量加料，炉盖还需要打开，这样的缺点是熔炼室需要破除真空，造成坩埚急冷并受到大气侵蚀而降低耐火材料寿命；连续加料方式，其结构除了和半连续加料方式相同外，增加了侧加料室。除了实现上述功能外，可以进行连续真空状态下加料，即一次熔炼结束后，坩埚还处于热态，此时熔炼室不需要破真空。在此之前，侧加料室预先在大气状态下已经填充了一次熔炼的被熔炼金属，然后抽真空，一般保持和熔炼室的真空度在3-5 倍偏差以内即可，即熔炼室是5Pa，可在25Pa 以内时即开启熔炼室和侧加料室的平衡阀门，保持两个腔体真空度平衡，开启连接两个腔体中间的隔离阀，通过震动加料器将被熔炼金属送入坩埚中，实现真空状态下加料。

3.2 升温熔化

完成加料后即可开始送电升温熔化，熔化期的主要任务就是使炉料熔化，避免合金元素的烧损以及脱硫。但是熔化速度需要精准控制，原因是炉料熔化时并不是想象中的各部分均匀被加热熔化，而是装料方式、密实度、炉料的洁净度、感应圈的感应特性等造成各个部位产生的温度并不均匀，因此炉料的熔化速度是不均匀的，非精准的熔化速度极易产生大量的飞溅或者材料“搭桥”现象，尤其是原材料洁净度不好时，喷溅的状态会更加恶劣，因此要保持比较高的真空度和比较缓慢的熔化速率。

若发生喷溅现象，喷溅的钢液遇到没有熔化的待熔化金属会以熔融状态黏贴上去，形成类似焊接的机理而导致“搭桥”现象。解决方法一是利用上加料室添加重量较大的块料将“搭桥”破坏；方法二是利用坩埚配备的倾炉装置进行坩埚前倾或者后倾来解决，通过倾翻炉体让液态金属逐步熔化“搭桥”的金属以破坏“搭桥”；方法三，降低真空度，方式是降低抽速、视具体情况关闭一组或几组泵组、降低脱气强度，有利于降低“搭桥”风险。

3.3 精炼

精炼期间的主要工作是液态金属提纯和成份调整，使之符合产品的化学成分要求，目标是去除有害杂质，降低气体含量，进行合金化。炉料熔清后根据工艺要求和计算加入定量的石墨或者其他的脱氧剂进行脱氧反应。由于真空熔炼氛围，氧和碳迅速进行化合反应生成大量的一氧化碳并以气体的形式从钢液中逸出，被真空系统排出。熔炼初期，钢液是比较沸腾的，原因就是熔炼时通过人为添加化合物，使大量的非需要保留的元素迅速和化合物反应，生成气体排出。当钢液中的非保留元素反应并排出的工艺过程接近尾声时，钢液将逐步趋于平稳并进一步的彻底的反应分解，排出钢液；同时系统在继续抽真空，杂质在高温和真空状态下被分解、排出，钢液进一步得到净化。

当钢液中气体及夹杂物含量达到标准要求时，可考虑加入部分的活泼元素和微量添加元素，其目的是提高钢液的温度，为下一步的浇铸做准备，同时也可以微量的调整成份。有些元素会与钢液中氧发生剧烈反应，放出大量的热，此时需要审慎判断并分部分量添加，减少反应强度。

精炼过程中升高温度会促进反应，温度的升高有利于氮化合物的分解和氮含量的降低，有利于脱氮反应；温度的升高有利于微量有害杂质的反应析出并蒸发去除。由于温度过高会使钢水和坩埚的耐火材料等发生冶炼过程中不希望的物理化学反应，因而在此阶段，液态金属的温度也不是越高、时间越长越好。

为了提高熔炼金属的纯洁度，排出杂质，最重要的方法是使杂质通过高温合金反应，生成气态物质而被真空系统排出。因此较高的真空度配合合理的合金反应可以实现提纯金属的目的，但是真空度不是越高越好，一些合理的合金元素可能在极高的真空度下被高温蒸发并散失，同时高真空也加剧了液态金属和耐火材料发生反应的可能性，因此合理控制真空度，并合理使用真空感应炉配置的分压系统功能来适时的填充惰性气体（一般为氩气）来避免合理元素的散失，排出杂质。

精炼期主要是对熔炼金属进行精炼提纯，重点是去除气体和夹杂物，因此要及时分析钢液成份，及时了解钢液状态，在其达到最后状态后要及时浇铸，因为高温状态下的精炼期如果时间太久可能反而会产生增氧等问题，因此经过取样分析后在钢液中O2 含量最低时可以考虑出钢浇铸。

一般情况下可以参考如下炉型和相适应的精炼时间（主要根据杂质去除情况、脱气情况、合金化程度、有害元素去除程度等多种因素考虑）：

3.4 出钢浇铸

出钢浇铸前经过了一定时间的精炼，钢液的成份已经达到需要的标准，此时重点应该关注钢液的温度。温度过低则影响浇铸，可能会出现堵塞浇铸通道；温度过高又增加了影响产品品质的风险及浇铸危险性。体积较小的铸锭可以在真空腔体中通过小的中间包或者直接浇铸成型；大型铸件则需要较长的中间包，将铁水引流到铸模上方进行浇铸，中间包在浇铸前需要提前加热，一般为700-900 度，原则上温度越高越高，这样越不容易堵塞浇铸通道。一般来说，浇铸温度应比钢液的熔点高100度左右以提高钢液的流动性。对于含有特殊合金元素的钢液，比如Mo, Al, Co 等，应特殊对待，根据经验控制合适的功率以保持合适的浇铸温度。

4 结论

本文主要介绍了当前国际领先技术的真空感应炉的基本原理、配置、功能、冶炼、浇铸等方面的基础知识，旨在让有这方面需求同时又没有接触过这种装备的人员对该技术有一定的全方位了解，也可作为装备升级改造的参考范例。

产品品质的提升是基于装备先进性和落后装备的升级改造，因此投入一定的资金成本配置先进的装备可以提高产品的品质和竞争力，形成一种良性循环。由于篇幅和方向的限制，本文没有更深入的研究真空感应熔炼各方面的知识和技巧，感兴趣的人员可进一步研究以提高真空感应熔炼技术和水平，最大限度发挥这种先进制造业的优势，提升企业的国内国际竞争力。