真空感应炉的特点和原理
2022-09-02
随着我国在高铁、核电、石油石化、航空航天等领域的快速发展，对钢铁材料提出了越来越高的要求：更高的强度、更苛刻的耐腐蚀性、耐高温性、更强的抗疲劳性等，真空感应熔炼技术是生产高端特种钢的重要保证。在许多特殊的加热或熔炼方法中，感应加热技术用于冶炼和制备金属材料，它可以精确控制钢中的气体，非金属夹杂物和微量有害物质。杂质的水平起着至关重要的作用。本文介绍了感应熔炉和真空感应熔炼技术的发展历程，以及感应熔炼技术在不同场合的应用。根据不同真空感应炉类型的结构，比较其优缺点。展望真空感应炉未来的发展方向，并阐述其发展趋势。真空感应炉的发展和进步主要体现在设备整体结构的逐步完善，大型设备的趋势日益明显，控制系统更加智能化。
当交流电通过感应线圈时，线圈周围产生交变磁场，炉内的导电材料在交变磁场的作用下产生感应电位，在装料表面一定深度形成电流（涡流），电荷被涡流加热熔化。感应炉是利用材料的感应电热效应来加热或熔化材料的电炉。
通过将感应炉置于真空中熔炼和精炼高温合金的方法称为高温合金的真空感应熔炼（VIM）。目前，高合金化的优质高温合金几乎无一例外地采用真空感应熔炼法作为第一次熔炼，然后是第二次熔炼，甚至第三次熔炼。
20世纪40年代采用大气冶炼，高温合金的使用温度限制在750°C左右。 20世纪50年代，真空技术被发明出来，采用真空冶炼来提高高温合金的质量，改善热加工性能，使合金元素进一步提高，使变形高温合金的使用温度从800°C左右提高到950°C。 后来，利用真空冶金技术开发铸造高温合金，在相同的成分下，铸造高温合金的使用温度比变形合金高30C左右。由于铸造成型消除了热加工的难度，因此可以进一步提高Al，Ti，Nb，Ta等强化元素的含量，并且可以将使用温度提高20°C。 因此，真空冶炼在高温合金的发展中发挥了非常重要的作用。
20世纪20年代，工业真空感应炉投入使用。1923年，德国使用真空感应炉熔化Co和Ni合金，容量为4t，功率为350kW。从那时起，真空感应炉逐渐发展起来。
1958年，一台容量为“它”的真空感应炉投入生产，用于熔炼高温合金，1961年，一台容量为6t的真空感应炉也投入生产。1968年，美国正式采用60t真空感应炉生产，真空度可达1.33xlO-2Pa[1]，1956年我国从国外进口了两台10kg小型真空感应炉，其中中国科学院金属公司拥有一台，用于冶炼卸扣基铸造高温合金， 并在金属研究所的早期高温合金研究中发挥了非常重要的作用。
在20世纪80年代引进3/6t真空感应炉的基础上，近年来国内多家特种钢厂都配备了具有当代世界先进水平的12t大型真空感应炉。德国进口12tVIM1400真空感应炉极限真空度为0.01Pa，漏风率为27Pa·L/S，可精确控制合金的化学成分，特别是对氧具有高亲和力的元素（如Al、Ti、B、Zr、Mg），先进的电磁搅拌系统可加速熔化以及温度和成分的均匀性，浇注过程中通过两层排渣和陶瓷过滤来保证钢水的纯度， 且熔炼参数曲线可自动进行工艺控制，现场数据采集系统可显示并自动记录冶炼工艺参数，如功率、频率、真空度、漏气率、温度等，确保产品质量稳定，并为产品性别提供长期、真实、完整的可追溯性。
一、真空感应炉熔炼高温合金的特点
真空感应炉中高温合金熔炼的所有特点都来自“真空”一词。这种方法可以避免大气冶炼和铸造产生的合金元素的缺点，特别是易燃烧，难以控制的较多的活性元素，以及合金中气体，非金属夹杂物和有害金属杂质的高含量，如下所示：
1、金属材料在真空下熔化、精制、合金化、浇注，避免了与空气相互作用造成的污染，冶炼的高温合金纯度高。
2、在真空条件下，金属与空气的接触被切断，金属不易氧化，高温合金的化学成分可以精确控制，特别是对Al、Ti、B、Zr、Nb、稀土元素等与氧、氮具有较强亲和力的活性元素，严格控制在非常窄的范围内。Al和Ti在真空中可以控制在±0.12%的范围内，但在空气中只能控制在±0.25%的范围内。例如，在6t感应炉中对Inconel718进行真空熔炼时，对100台炉生产中各活性元素的波动范围进行了计数，得出Nb和A1的波动几乎都在分析误差范围内的结论。然而，这种合金中Nb含量每增加0.1%，屈服强度就会增加10MPa左右，这在常压下冶炼时很难保证。另一个例子是，只有当Si<0.2%，C在0.04%到0.08%±之间时，才能获得V-57的最佳综合性能。范围非常严格，只能通过真空感应熔炼来保证。
3.真空冶炼产生良好的脱气条件，使冶炼的高温合金具有较低的氢气，氧气和氮气含量。
4、原料带来的低熔点有害杂质，如Te、Pb、Se、Bi、Cu、Sb、As、Sn等，由于其蒸气压高，可在真空下挥发除去，使物料纯化。.例如，有一种由0.2C、20Co、5Mo、1.5Ti、4.8A1、0.05Zr、0.003B组成的变形卸扣基合金，真空熔炼前后的铅含量变化从5ppm降低到<2ppm（受分析精度限制），性能大大提高，在940°C和110Pa下的持续时间从72h延长到153h， 伸长率从9.5%提高到20%。
在研究Cr20Ni80合金和纯铁等一些有害杂质的挥发中，如神、锡、贵、领、铜、铅、补硒等，当在5xlO-3nunHg的真空下熔化时，杂质的挥发与温度、时间和温度有关。熔池的表面积，深度比和搅拌是相关的。熔池的合金成分也有很大的影响。砷和锡在镍合金中几乎不会发生变化，但在纯铁中却会不断减少。至于它们在Fe-Ni-Cr基合金熔池中将如何变化，值得研究。
5.在真空条件下，碳的脱氧能力很强，提高了几个数量级，脱氧产物CO不断抽出炉膛，使反应不断进行，从而克服了使用金属脱氧带来的脱氧产物。
6.炉内气氛和气压可任意控制。例如，有时需要Ar气体保护，因此合金元素的氧化燃烧损失较小，利用率高。这是真空感应炉熔炼高温合金最显著的特点之一。
7.电磁感应搅拌使熔体成分均匀，加速熔体表面反应，缩短冶炼周期。在产品应用方面，真空感应熔炼炉主要用于生产航空航天、导弹、火箭、原子能和电子工业所需的高温合金、超高强度钢、不锈钢等专用合金。
