真空感應(yīng)爐熔煉工藝

1、真空感應(yīng)爐熔煉工藝真空感應(yīng)熔煉（VIM）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)行熔煉的方法，具有熔煉室體積小，抽真空時(shí)間和熔 煉周期短，便于溫度壓力控制、可回收易揮發(fā)元素、準(zhǔn)確控制合金成分等 特點(diǎn)。由于以上特點(diǎn)，現(xiàn)在已發(fā)展為特殊鋼、精密合金、電熱合金、高溫 合金及耐蝕合金等特殊合金生產(chǎn)的重要工序之一。1、基本原理： 真空感應(yīng)熔煉的兩個(gè)基本原理應(yīng)用是：感應(yīng)加熱和真空環(huán)境。感應(yīng)熔煉是除電弧爐以外較重要的一種電爐熔煉方法。與電弧爐相比， 其特點(diǎn)有：（1）電磁感應(yīng)加熱。由于加熱方式不同，感應(yīng)爐沒(méi)有電弧加熱所必須 的石墨電極，從而杜絕了電極增碳的可能，因而可以熔煉電弧爐很難熔煉 的含

2、碳量極低的鋼和合金。（2）熔池中存在一定強(qiáng)度的電磁攪拌，可促進(jìn)鋼水成分和溫度均勻， 鋼中夾雜合并、長(zhǎng)大和上浮。（3）熔池比表面積小。優(yōu)點(diǎn)是熔煉過(guò)程中容易控制氣氛，無(wú)電弧及電 弧下高溫區(qū)，合金元素?zé)龘p少、吸氣少，所以有利于成分控制、氣體含量 低和縮短熔煉時(shí)間； 缺點(diǎn)是渣鋼界面面積小， 再加上熔渣不能被感應(yīng)加熱， 渣溫低，流動(dòng)性差，反應(yīng)力低，不利于渣鋼界面冶金反應(yīng)的進(jìn)行，特別是 脫硫、脫磷等，因而對(duì)原材料要求較為嚴(yán)格。（4）煙塵少對(duì)環(huán)境污染小。熔煉過(guò)程中基本無(wú)火焰，也無(wú)燃燒產(chǎn)物。 感應(yīng)加熱的原理： 感應(yīng)加熱原理主要依據(jù)兩則電學(xué)基本定律： 一是法拉第電磁感應(yīng)定律：E=B - L-vsin/（v-B）

3、E:導(dǎo)體兩端所感應(yīng)的電勢(shì)；B:磁感應(yīng)強(qiáng)度；v:相對(duì)速度；/（VB）:磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向與速度方向之間的夾角。當(dāng)一座無(wú)芯感應(yīng)爐的感應(yīng)線圈中通有頻率為f的交變電流時(shí)，則在感 應(yīng)圈所包圍的空間和四周產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，該交變磁場(chǎng)的極性、磁感應(yīng) 強(qiáng)度與交變頻率隨著產(chǎn)生該交變磁場(chǎng)的交變電流而變化。若感應(yīng)線圈內(nèi)砌有坩堝并裝滿金屬爐料，則交變磁場(chǎng)的一部分磁力線將穿過(guò)金屬爐料，磁 力線的交變就相當(dāng)于金屬爐料與磁力線之間產(chǎn)生了切割磁力線的相對(duì)運(yùn) 動(dòng)。因此，在金屬爐料中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（E）,其大小通常以下式確 定：E=A fn：感應(yīng)線圈中交變磁場(chǎng)的磁通量，Wbf:交變電流的頻率，Hz；n：爐料所形成回路的匝數(shù)，通常

4、n=1。二是焦耳-楞茨定律： 又稱為電流熱效應(yīng)原理。當(dāng)電流在導(dǎo)體內(nèi)流動(dòng)時(shí)，定向流動(dòng)的電子要克服 各種阻力， 這種阻力用導(dǎo)體的電阻來(lái)描述， 電流克服電阻所消耗的能量將 以熱能的形式放出Q=I2RtQ：焦耳-楞茨熱，I：電流強(qiáng)度，A；R：導(dǎo)體電阻，Q;t：導(dǎo)體通電時(shí)間，當(dāng)感應(yīng)爐通以交流電后，在感應(yīng)線圈內(nèi)坩堝里的金屬爐料由一法拉第 電磁感應(yīng)定律產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由于金屬爐料本身形成一閉合回路，所以 在金屬爐料中產(chǎn)生感應(yīng)電流：匸.f/R,（R:金屬爐料的有效電阻，Q）該感應(yīng)電流又依照二焦耳-楞茨定律在爐料中放出熱量，使?fàn)t料被加熱。真空冶金的原理： 影響一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的外部因素主要是：溫度、濃度和壓力。真空

5、冶金 就是通過(guò)改變外界壓力對(duì)冶金過(guò)程中諸多化學(xué)反應(yīng)中有氣相參加的反應(yīng) 產(chǎn)生影響,當(dāng)反應(yīng)生成物中的氣體摩爾數(shù)大于反應(yīng)物中的氣體摩爾數(shù),減 小系統(tǒng)的壓力（即增加真空度）則可以使平衡反應(yīng)向著增加氣態(tài)物質(zhì)的方 向移動(dòng),促使反應(yīng)進(jìn)行的更完全。 以下幾類反應(yīng)器中發(fā)生的反應(yīng)屬于此類： 真空下的碳脫氧反應(yīng)： 真空下的脫氣反應(yīng)：2金屬中元素的揮發(fā)：（1）在真空環(huán)境下,碳的行為很有意思。在常壓下,碳的脫氧能力較 弱,因此常用金屬脫氧劑 （如硅、 鋁等） 來(lái)進(jìn)行沉淀脫氧,但硅、鋁脫氧 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。 在一般條件下,這就是電流的熱效應(yīng)：J；s。C+07COT2H7H2TNTN2

6、TMe7Met當(dāng)鋼中C=%與之平衡的O=%當(dāng)鋼中C降低時(shí)，與之平衡的 0還要升高，而現(xiàn)今有些特殊用途的鋼和合金中的氧含量要求又遠(yuǎn)低 于%，因而在一般條件下僅用碳來(lái)脫氧是達(dá)不到脫氧要求的。碳氧反應(yīng)的平衡常數(shù)為：K=pcj（acaO）=Pcd（%C-fc0即：%C:%0 = Pcc/K由于K值在某一溫度下是一常數(shù)，當(dāng)將爐內(nèi) 內(nèi)的PCO,%C%0的數(shù)值也會(huì)同時(shí)降低，應(yīng)會(huì)進(jìn)行的更完全。當(dāng)氣相壓力降至?xí)r，碳的脫氧能力可超過(guò)硅；若氣相 壓力降至?xí)r，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)僅只遵循上述熱 力學(xué)原理，金屬液體內(nèi)部的碳氧反應(yīng)不僅遵循

7、上述熱力學(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，那么CO的生成壓 必須大于爐氣壓力、氣泡產(chǎn)生處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（即增加真空度）是不夠的，此時(shí)限制碳脫氧 的主要因素是表面張力和靜壓力。此原理不僅能降低溶解于金屬中的氧，還能還原金屬夾雜中的氧,如: Mn0+C7Mr+COrSiO2+2C7Si+2C0rAl2Q+3C72Al+3COr同時(shí)，真空下碳這一特性也會(huì)作用于坩堝耐火材料。在真空熔煉的精 煉期，此時(shí)熔池處于高溫、高真空下，爐襯中的氧化物及雜質(zhì)會(huì)分解并與 碳發(fā)生還原反應(yīng)。因而坩堝材料的選擇很重要。由于以上過(guò)程的存在，反過(guò)

8、來(lái)也會(huì)消耗C，降低鋼中C。（2）真空下的脫氣：金屬中的氣體是指溶解在其中的氫和氮而言。氫和氮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。%H =KV PH2%N =KV PM2（3）真空下雜質(zhì)及合金元素的揮發(fā)：在真空條件下，金屬中某些蒸氣壓較高的元素，當(dāng)熔室內(nèi)壓力降低至低于其蒸氣壓力時(shí)，這些元素就會(huì)從液態(tài)金屬中揮發(fā)出來(lái)。因而應(yīng)合理 制定工藝制度，促進(jìn)雜質(zhì)的揮發(fā)、減少有用元素的揮發(fā)。fO)co不斷抽走，即降低爐即在真空條件下，碳氧反4、坩堝5、電源6、錠模車500kg真空感應(yīng)爐1、真空系統(tǒng)2、加料系統(tǒng)3、感應(yīng)線圈2AMal

9、iMali!|丄上耿“弋.審.”艸馬 遠(yuǎn);隘魁應(yīng)j _J- -:f2、真空感應(yīng)爐熔煉的工藝過(guò)程： 就是結(jié)合真空冶金與感應(yīng)熔煉的特點(diǎn)制定合理有效的工藝。其整個(gè)周 期可分為以下幾個(gè)主要階段，即裝料、熔化、精煉、澆注。（1）裝料： 真空感應(yīng)爐所用爐料一般都是經(jīng)過(guò)表面除銹和油污后的高純?cè)希?的合金元素還以純金屬形式加入。嚴(yán)禁采用潮濕的爐料，以免帶入氣體和 在熔煉時(shí)產(chǎn)生噴濺。裝料時(shí)，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”；在裝大料前，應(yīng)先在爐底鋪墊一層細(xì)小的 輕料；高熔點(diǎn)不易氧化的爐料應(yīng)裝在坩堝的中、下部高溫區(qū)；易氧化的爐 料應(yīng)在金屬液脫氧良好的條件下加入；易揮發(fā)的元素加

10、入時(shí)，熔煉室應(yīng)先 充以惰性氣體Ar為好。（2）熔化期：裝料完畢后，應(yīng)開(kāi)始抽真空。當(dāng)真空室壓強(qiáng)達(dá)到時(shí)，便可送電加熱爐 料。熔化初期，由于感應(yīng)電流的集膚效應(yīng)，爐料逐層熔化。這種逐層熔化 非常有利于去氣和去除非金屬夾雜，所以熔化期要保持較高真空度和緩慢 的熔化速度。所以開(kāi)始熔化時(shí)不要求輸入最大的功率，而是根據(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，這將會(huì)引起熔池的劇烈沸騰，甚至產(chǎn) 生噴濺。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)閉真空閥門或充入一定量的惰性氣體） 的方法加以控制。 若采用兩

11、次加料熔化時(shí)，第二次爐料應(yīng)在坩堝爐料熔化70%80%時(shí)加入， 并等到補(bǔ)加料開(kāi)始發(fā)紅后再提高輸入功率，以免冷料突然加入而放出大量 氣體產(chǎn)生噴濺。當(dāng)金屬全部熔化，熔池表面無(wú)氣泡逸出時(shí)，熔煉進(jìn)入精煉 期。（3）精煉期： 精煉期的主要任務(wù)是：脫氧、去氣、去除揮發(fā)性?shī)A雜、調(diào)整溫度、調(diào)整成 分。為完成上述任務(wù)必須控制好精煉溫度、真空度和真空下保持時(shí)間等工 藝參數(shù)。a、精煉溫度：溫度升高有利于碳氧反應(yīng)的進(jìn)行、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，所以通 常合金鋼的精煉溫度控制在所煉金屬的熔點(diǎn)以上100C。b真空度：真空度提高將促進(jìn)碳氧反應(yīng)，隨著CO氣泡的上浮排出， 有利于H和N的析出、非金屬夾雜的上浮、氮化物 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，精煉期的真空度通常控制在15150Pa小型爐則控制在1Pa。C、真空下保持時(shí)間：金屬液內(nèi)氧含量是先降后升的，所以當(dāng)氧含量達(dá) 到最低值的時(shí)間就是精煉時(shí)間，500kg的爐子精煉時(shí)間為5070min。爐料熔清后，應(yīng)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)。精煉后期，充分脫氧、去氣、揮發(fā)夾雜物時(shí)，加入活潑金屬和微量添 加元素，調(diào)整成分，加入順序一般為Al、Ti、Zr、B、Re、Mg、Ca,應(yīng)做 到均勻、