真空感应炉的特点和原理

2022-11-01

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、更强的耐高温性、更强的抗疲劳性等，而真空感应熔炼技术是生产高端特种钢的重要保障。在众多特殊的加热或熔炼方法中，感应加热技术用于金属材料的熔炼和制备，可以准确控制钢中的气体、非金属夹杂物和微量有害物质。杂质的含量起着至关重要的作用。本文介绍了感应炉和真空感应熔炼技术的发展过程，以及感应熔炼技术在不同场合的应用。根据不同类型的真空感应炉的结构，比较其优缺点。展望真空感应炉的未来发展方向，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，设备大型化的趋势越来越明显，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势，在炉料表面形成一定深度的电流（涡流），炉料被涡流加热熔化。感应炉是一种利用材料的感应电热效应来加热或熔化材料的电炉。

将感应炉置于真空中熔炼和精炼超级合金的方法称为超级合金的真空感应熔炼（VIM）。目前，高合金化的优质超级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，甚至是第三次熔炼。

20世纪40年代采用大气熔炼，超合金的使用温度被限制在750℃左右。20世纪50年代，发明了真空技术，利用真空冶炼提高了超级合金的质量，改善了热加工性能，从而可以进一步增加合金元素，使变形超级合金的使用温度从800℃左右提高到950℃。后来，利用真空冶金技术发展了铸造超合金，在相同成分下，铸造超合金的使用温度比变形合金高30℃左右。由于铸造成型消除了热加工的困难，Al、Ti、Nb、Ta等强化元素的含量可以进一步提高，使用温度可以提高20℃。因此，真空冶炼在超级合金的发展中起到了非常重要的作用。

20世纪20年代，工业真空感应炉开始投入使用。德国在1923年使用真空感应炉熔化Co和Ni合金，容量为4t，功率为350kW。此后，真空感应炉逐渐发展起来。

1958年，容量为It的真空感应炉投入生产，用于熔化超级合金，1961年，容量为6t的真空感应炉也投入生产。1968年美国已正式使用容量为60t的真空感应炉进行生产，真空度可达1.33xlO-2Pa[1] 我国于1956年从国外进口了两台10kg的小型真空感应炉，其中中国科学院金属所拥有一台，用于熔炼镣铐型铸造超合金，对金属所早期超合金的研究起到了非常重要的作用。

在20世纪80年代引进3/6t真空感应炉的基础上，近年来，国内几家特钢厂已经配备了具有当代世界先进水平的12t大型真空感应炉。从德国进口的12tVIM1400真空感应炉的极限真空度为0. 01Pa，漏气率为27Pa-L/S，能准确控制合金的化学成分，特别是对氧亲和力高的元素（如Al、Ti、B、Zr、Mg），先进的电磁搅拌系统能加速熔化，温度和成分的均匀性。在浇注过程中，通过两层挡渣和陶瓷过滤，保证了钢水的纯净度，并可自动进行熔炼参数曲线的控制，现场数据采集系统可显示并自动记录熔炼过程参数，如功率、频率、真空度、漏气率、温度等。 , 以保证产品质量的稳定，并为产品提供长期、真实、完整的可追溯性。

一、真空感应炉熔炼超级合金的特点

真空感应炉熔炼高温合金的所有特点都来自于 "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，特别是活性较高的元素容易燃烧和难以控制，以及合金中气体、非金属夹杂物和有害金属杂质含量高等缺点，具体如下。

1. 金属材料在真空下熔化、精炼、合金化和浇注，避免了与空气相互作用造成的污染，冶炼出的超级合金纯度高。

2. 在真空条件下，金属与空气的接触被切断，金属不易被氧化，超级合金的化学成分可以得到精确控制，特别是与氧和氮有很强亲和力的活性元素如Al、Ti、B、Zr、Nb、稀土元素等被严格控制在一个非常狭窄的范围内。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感应炉中真空熔炼Inconel718时，统计了100个炉子生产中每个活性元素的波动范围，得出结论：Nb和A1的波动几乎在分析误差范围内。但是，这种合金中Nb含量每增加0.1%，屈服强度就能提高10MPa左右，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0.04-0.08%±之间时，才能获得V-57的最佳综合性能。这个范围非常严格，只有通过真空感应熔炼才能保证。

3. 真空冶炼创造了良好的脱气条件，使冶炼后的超级合金具有较低的氢气、氧气和氮气含量。

4. 原材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，可以在真空下挥发去除，使材料得到净化。. 例如，有一种成分为0.2C、20Co、5Mo、1.5Ti、4.8A1、0.05Zr、0.003B的变形镣铐基合金，真空熔炼前后铅含量的变化由5ppm降至<2ppm（受分析精度限制），性能大大改善，在940℃和110Pa下的持久时间由72h延长至153h，伸长率由9.5%提高到20%。

在研究Cr20Ni80合金和纯铁等一些有害杂质，如神、锡、桂、领、铜、铅、补、硒等，在5xlO-3nunHg的真空下熔化时，杂质的挥发与温度、时间、温度有关。熔池的表面积、深度比和搅拌情况有关。熔池的合金成分也有很大影响。砷和锡在镍合金中几乎没有变化，但它们在纯铁中不断减少。至于它们在Fe-Ni-Cr基合金熔池中会如何变化，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，而且脱氧产物CO不断被抽出炉外，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. 炉内的气氛和空气压力可以选择控制。例如，有时需要Ar气体保护，所以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超级合金的最显著特点之一。

7. 电磁感应搅拌使熔体成分均匀，加速了熔体表面的反应，缩短了熔炼周期。在产品应用方面，真空感应熔炼炉主要用于生产超级合金、超高强度钢、不锈钢以及航空航天、导弹、火箭、原子能和电子工业所需的其他特殊用途的合金。