真空感應(yīng)爐設(shè)備及冶煉工藝研究

陳榮

（應(yīng)達(dá)工業(yè)（上海）有限公司，上海201203）

1 真空感應(yīng)爐介紹

1.1 真空感應(yīng)爐簡介

真空感應(yīng)冶煉，英文名為Vacuum Induction Melting（VIM），采用了感應(yīng)加熱（中頻）的系統(tǒng)理論實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換為熱源能量，即類似圓盤電纜產(chǎn)生渦流一樣的原理促使被熔化金屬（待熔煉原料）由于渦流生熱而熔化，在熔化過程中去除雜質(zhì)、合金成分調(diào)整、有害元素去除、添加有益元素、均勻化成份，改善產(chǎn)品綜合性能，實現(xiàn)高品質(zhì)金屬產(chǎn)品的熔煉方式。 這些工藝流程全部是在真空條件下完成的，原因是真空條件下可以比較容易地將溶于鋼和合金中的氧、氮、氫和碳去除到遠(yuǎn)比大氣下冶煉更低的含量水平，同時對在高溫熔煉溫度下蒸氣壓比基體金屬高的雜質(zhì)元素可以通過揮發(fā)去除，而合金中需要加入的鋁、鈦、硼及鋯等活潑元素的成份通過真空設(shè)備的特殊配置氬氣分壓功能控制，因此經(jīng)過真空感應(yīng)熔煉的金屬材料可明顯地提高韌性、疲勞強(qiáng)度、耐腐蝕性能等多種性能，可以生產(chǎn)各種特殊材料合金，是保障這些特殊材料生產(chǎn)的不可缺少的裝備之一。真空感應(yīng)爐一般分為間斷式、半連續(xù)式和連續(xù)式三種，其真空系統(tǒng)和控制系統(tǒng)作為重要的組成部分,直接影響產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量。標(biāo)準(zhǔn)的無芯感應(yīng)爐體包括鋼外殼、感應(yīng)線圈、感應(yīng)線圈固定支撐結(jié)構(gòu)等。爐體通過液壓驅(qū)動實現(xiàn)前傾澆鑄產(chǎn)品，后傾輔助攪拌，化解“熔煉架橋”等問題。鋼外殼起到保證爐體結(jié)構(gòu)剛性并確保實現(xiàn)熔融金屬的冶煉、澆鑄等功能；感應(yīng)圈提供感應(yīng)磁場，提供熔化金屬的能量；感應(yīng)圈支撐結(jié)構(gòu)是固定感應(yīng)圈的機(jī)構(gòu)，保證感應(yīng)圈保持剛性標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)；磁軛連接感應(yīng)線圈和外部鋼殼體，該磁軛覆蓋線圈約80%的周邊，盡量保證了勵磁感應(yīng)線圈產(chǎn)生的磁場不外漏。同時圓柱形的鋼殼體外一般會配置相對應(yīng)的檢查窗口，從檢查窗口可以輕易檢查并發(fā)現(xiàn)內(nèi)部感應(yīng)線圈問題以便及時發(fā)現(xiàn)并及時處理。

1.2 真空感應(yīng)爐的組成

標(biāo)準(zhǔn)的真空感應(yīng)爐一般由熔煉室、鑄模室、上加料室、側(cè)加料室（一般大于2.5T 爐型配置）、溜槽室、熔煉坩堝、真空系統(tǒng)等組成。熔煉室是最大的真空腔體，熔煉坩堝、模車、模車控制機(jī)構(gòu)等都部署其中，是實現(xiàn)熔煉的場所和空間；鑄模室是精煉完成后產(chǎn)品澆鑄的空間，配備模車和模車機(jī)械結(jié)構(gòu)；上加料室，是單獨(dú)的真空腔體，實現(xiàn)小批次材料添加、合金元素添加、測溫取樣功能；測加料為單獨(dú)的真空腔體，實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)時的熔煉材料添加，可以保持熔煉室真空狀態(tài)下連續(xù)加料，保護(hù)高溫條件下的坩堝避免受到大氣侵蝕；溜槽室也是單獨(dú)的真空腔體，在出鋼前放入加熱的流槽，保證熔融的鋼水通過溜槽分別澆鑄到鑄模中；熔煉電源提供熔煉時的能量，即提供頻率、電流、功率、攪拌功率等能量并按照操作人員的指令精準(zhǔn)控制；Crucible 即為坩堝（熔爐），是由耐火材料通過特殊的工藝燒結(jié)成型的容納冶煉金屬的裝置。被熔煉金屬或合金在熔爐中進(jìn)行冶煉、工藝控制、化學(xué)成分控制、精煉等，實現(xiàn)在熔融金屬中的各種工藝控制。

輔助系統(tǒng)包括水、壓縮空氣、液壓和氬氣。水提供真空感應(yīng)爐所有的冷卻，包括真空系統(tǒng)泵組冷卻、坩堝冷卻、熔煉電源冷卻等；壓縮空氣提供動力能源，例如真空閥門的動作、各種控制氣缸的動作等；液壓系統(tǒng)提供重載動力能源，比如坩堝傾翻動作、模車動作、側(cè)加料動作、上加料動作等；氬氣提供熔煉時分壓功能，同時兼顧安全功能，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障可以立即實現(xiàn)回填至大氣狀態(tài)，避免故障擴(kuò)大化。

1.3 通用技術(shù)真空技術(shù)指標(biāo)

?

1.4 真空系統(tǒng)配置

初級真空系統(tǒng)一般配置4 臺真空泵500M3/H，2 臺5,000M3/H羅茨泵；高真空系統(tǒng)一般配置2 臺真空泵500 M3/H，2 臺5,000M3/H 羅茨泵和4 臺4,400 L/S 的油增壓泵，例如Edwards 18B4 組成。 熔煉電源額定功率一般為750KW，500HZ，所需熔煉功率815KAV。最大熔煉溫度可以達(dá)到1,700°C。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，熔煉噸位、熔煉電源也不斷增大，國內(nèi)真空感應(yīng)爐常規(guī)爐型已經(jīng)增至6-12 噸?？刂葡到y(tǒng)由PLC 如SLC500，Studio5000 等配合上位機(jī)HMI 組成。

2 真空感應(yīng)熔煉爐VIM 的熔煉機(jī)理

2.1 真空感應(yīng)熔煉爐VIM原理

真空感應(yīng)爐，顧名思義是在真空的氛圍下實現(xiàn)金屬合金的冶煉，是電磁感應(yīng)原理在被熔煉金屬合金中形成渦流生熱進(jìn)行加熱冶煉的方法。真空系統(tǒng)、真空度、真空抽空時間、氬氣分壓度、溫度等均可以實現(xiàn)精準(zhǔn)控制。對于冶金雜質(zhì)去除、合金在線取樣、成份調(diào)整等可以實現(xiàn)精準(zhǔn)控制。已成為冶金工業(yè)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)碳素鋼、優(yōu)質(zhì)合金鋼、工具鋼（合金）、高速鋼、軸承鋼等特殊金屬材料的重要裝備。

2.2 真空感應(yīng)熔煉爐的熔煉優(yōu)勢

杜絕外來物的污染問題是電磁感應(yīng)對熔煉金屬加熱的絕對優(yōu)勢，鑒于這種獨(dú)到的優(yōu)勢，可以生產(chǎn)對鋼和合金中碳含量要求非常低的產(chǎn)品，冶煉的合金超高純潔，性能高、品質(zhì)優(yōu)。對于由生產(chǎn)原材料混入產(chǎn)品的各種雜質(zhì)可通過真空感應(yīng)爐的特殊功能精準(zhǔn)控制其揮發(fā)狀態(tài)，精準(zhǔn)去除，因此對熔煉金屬可以提純，提高產(chǎn)品的品質(zhì)。真空感應(yīng)爐冶煉時可利用真空特性以及真空感應(yīng)爐的配置進(jìn)行精準(zhǔn)脫氧，產(chǎn)品的清潔度進(jìn)一步提高，精準(zhǔn)調(diào)整和控制化學(xué)成份。

2.3 電磁感應(yīng)線圈加熱的原理

焦耳——楞茨（Joule-Lenz）定律的電流熱效應(yīng)理論和電磁感應(yīng)定律- 法拉第Faraday 相互完美組合是感應(yīng)加熱的基本理論。電磁感應(yīng)現(xiàn)象是指形成回路的導(dǎo)電體產(chǎn)生磁場變化時會產(chǎn)生相關(guān)的電壓，即感應(yīng)電動勢，同時會產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流的大小和交變的電磁場有關(guān)，通過感應(yīng)電流形成感應(yīng)加熱，使需要熔煉的金屬合金吸收熱量熔化，進(jìn)而進(jìn)行熔煉的工藝過程。一般來說，感應(yīng)回路都是由若干匝數(shù)的線圈串聯(lián)組成，以N 表示匝數(shù)，如果磁通量通過設(shè)計計算并經(jīng)過相應(yīng)的加工制造，要求是每一個匝數(shù)磁通量一致，其表達(dá)式為φ=nφ，φ 在表達(dá)式中表示磁通量，單位是Wb。自由電子在運(yùn)動中形成電流，即可理解為這是在閉合回路中流動的感應(yīng)電流，其運(yùn)動時需要克服相應(yīng)的電磁阻力，因此其能量將被消耗一部分形成其他能量做功。這些消耗的能量根據(jù)能量守恒定律轉(zhuǎn)化為熱量。

焦耳楞次定律（Joule-Lenz's law）的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

Q=I2Rt, 式中

Q——導(dǎo)體的發(fā)熱量

I——感應(yīng)電流

T——導(dǎo)體上通過電流的時間

感應(yīng)加熱方法的基本物理原則是電磁感應(yīng)現(xiàn)象和電流的熱效應(yīng)現(xiàn)象。

2.3.1 感應(yīng)電流的布局

集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)和圓環(huán)效應(yīng)是感應(yīng)電流在需要熔煉的金屬中分布時的三種效應(yīng)。正確利用這三種效應(yīng)非常有利于控制熔煉時所需要的熔煉參數(shù)，進(jìn)而精準(zhǔn)控制熔煉。由于爐料形狀、爐料占總裝爐量的體積、比例、密度、導(dǎo)電率、熔點等因素均能影響電源參數(shù)的選擇、熔化速率的選擇等。這些參數(shù)的合理選擇，再配合合適的真空度抽速，可以滿足不同材質(zhì)的合理的熔化要求。當(dāng)導(dǎo)體中有頻率交變的電流流通時，電流流動的程度不是均勻的，表現(xiàn)為電流密度從導(dǎo)體外面到內(nèi)部減弱的趨勢，也就是說，電流集膚效應(yīng)就是單位電流流經(jīng)導(dǎo)電體表面時，電流最大。 通電導(dǎo)體除了本身由于外部電源的作用產(chǎn)生電動勢外，由于其本身通過電流時又產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢，它和外部電源作用的電動勢方向相反，相互疊加的結(jié)果是削弱了外部電源做功的電動勢。由于感應(yīng)電流作用于被加熱金屬中，其內(nèi)部通過的磁通較大，因此感應(yīng)電動勢較大，通過疊加削弱了外部電源做工的電動勢也較大；反之，其被加熱金屬外部的通過的磁通較少，因此感應(yīng)電動勢較小，通過疊加削弱了外部電源做工的電動勢也較小。這樣，兩種感應(yīng)電動勢和外部做工的感應(yīng)電動勢相互疊加，最終體現(xiàn)出來的就是被加熱金屬表面的感應(yīng)電動勢最大，即表面的電流最大，這就是引起表面集膚效應(yīng)的根本原因。

2.3.2 感應(yīng)加熱原理

如果坩堝內(nèi)（感應(yīng)圈內(nèi)）裝有金屬材料，金屬材料處于通電的感應(yīng)圈內(nèi)將會被交變的磁力線穿過，由于磁力線的交變特性，既可以理解為金屬材料與磁力線產(chǎn)生相對運(yùn)動，即切割磁力線，從而形成相應(yīng)的感應(yīng)電動勢。焦耳一愣茨定律則繼續(xù)發(fā)揮作用，形成閉環(huán)的感應(yīng)電動勢會形成電流，電流流動時需要克服阻力，即電阻。因此，當(dāng)電流流經(jīng)電阻時產(chǎn)生大量的熱量并以熱能的形式加以釋放。即當(dāng)感應(yīng)爐通過感應(yīng)電源被施加交流電后，在感應(yīng)圈內(nèi)根據(jù)相關(guān)的電磁感應(yīng)定律產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，在閉環(huán)的狀態(tài)下形成感應(yīng)電流，感應(yīng)電流根據(jù)集膚效應(yīng)及焦耳- 楞次定律產(chǎn)生加熱能量對待熔煉金屬加熱做功，逐步熔化金屬實現(xiàn)冶金熔煉。

3 真空感應(yīng)爐熔煉工藝

標(biāo)準(zhǔn)的熔煉工藝一般分為4 個步驟：待熔化材料加料、升溫熔化、精煉、出鋼澆鑄。

3.1 待熔化材料加料

加料是指在熔煉前經(jīng)待熔煉金屬裝填到坩堝中的作業(yè)。加料通用法則一般如下：

3.1.1 裝料之前檢查坩堝，確保坩堝處理干凈，沒有其他雜質(zhì)原料保留其中，同時檢查坩堝的各項功能是否正常；

3.1.2 材料要烘干除銹和處理，避免水分及潮氣帶入材料中，尤其是材料內(nèi)部的密閉腔體內(nèi)需要特殊關(guān)注，避免有液體被封入其中，否則熔煉時會產(chǎn)生爆濺等影響安全的因素；

3.1.3 一般來說，裝料時保持下部密實，密度越大越好，即小料盡量向中下部擺放，中大料向中上部擺放，這樣可以避免熔煉時材料相互卡住或者形成“搭橋”現(xiàn)象；

3.1.4 容易揮發(fā)的元素加入時需要使用專用的合金加料倉進(jìn)行加料，同時要控制真空度，對真空度要求不高的熔煉，例如在10Pa-50Pa 之間，此時可采用分壓功能沖入部分氬氣；

3.1.5 活潑金屬加入時更要控制原料的純度、干燥度以及系統(tǒng)的真空度，確保緩慢加入，減少其燃燒損失并通過取樣分析來補(bǔ)充。標(biāo)準(zhǔn)的真空感應(yīng)爐都有專設(shè)的加料裝置，間斷式、半連續(xù)式和連續(xù)式的感應(yīng)爐都有不同的加料方式。間斷式的都是在大氣狀態(tài)下加料，加料完畢關(guān)閉爐門抽空，同時可緩慢施加一定的電源功率開始烘烤爐料。當(dāng)真空度達(dá)到工藝規(guī)定的壓強(qiáng)即利用真空系統(tǒng)的精確控制保持壓強(qiáng)的平衡，同時開始緩慢提升功率進(jìn)行升溫、熔化爐料。配備合金加料腔室和測溫取樣腔室，這兩個真空腔室獨(dú)立于熔煉室，具有單獨(dú)抽空能力的腔室，可以保證在熔煉室真空狀態(tài)下，即被熔煉金屬處于熔融狀態(tài)下可以單獨(dú)對這兩個腔室進(jìn)行抽空、破空，實現(xiàn)通過合金加料室添加合金調(diào)節(jié)成份，同時也可添加少量的待熔煉金屬，但是這種方式添加的金屬量非常小。半連續(xù)加料方式，真空感應(yīng)爐的結(jié)構(gòu)配置需要增加不同的真空腔室，即上加料室、溜槽室、鑄模室、合金加料室。這些不同的腔室相互獨(dú)立，可以單獨(dú)實現(xiàn)抽空。當(dāng)一次熔煉結(jié)束后，坩堝還持續(xù)熱態(tài)，此時利用上加料室配合加料桶，實現(xiàn)小批量的加料。但是如果需要大量加料，爐蓋還需要打開，這樣的缺點是熔煉室需要破除真空，造成坩堝急冷并受到大氣侵蝕而降低耐火材料壽命；連續(xù)加料方式，其結(jié)構(gòu)除了和半連續(xù)加料方式相同外，增加了側(cè)加料室。除了實現(xiàn)上述功能外，可以進(jìn)行連續(xù)真空狀態(tài)下加料，即一次熔煉結(jié)束后，坩堝還處于熱態(tài)，此時熔煉室不需要破真空。在此之前，側(cè)加料室預(yù)先在大氣狀態(tài)下已經(jīng)填充了一次熔煉的被熔煉金屬，然后抽真空，一般保持和熔煉室的真空度在3-5 倍偏差以內(nèi)即可，即熔煉室是5Pa，可在25Pa 以內(nèi)時即開啟熔煉室和側(cè)加料室的平衡閥門，保持兩個腔體真空度平衡，開啟連接兩個腔體中間的隔離閥，通過震動加料器將被熔煉金屬送入坩堝中，實現(xiàn)真空狀態(tài)下加料。

3.2 升溫熔化

完成加料后即可開始送電升溫熔化，熔化期的主要任務(wù)就是使?fàn)t料熔化，避免合金元素的燒損以及脫硫。但是熔化速度需要精準(zhǔn)控制，原因是爐料熔化時并不是想象中的各部分均勻被加熱熔化，而是裝料方式、密實度、爐料的潔凈度、感應(yīng)圈的感應(yīng)特性等造成各個部位產(chǎn)生的溫度并不均勻，因此爐料的熔化速度是不均勻的，非精準(zhǔn)的熔化速度極易產(chǎn)生大量的飛濺或者材料“搭橋”現(xiàn)象，尤其是原材料潔凈度不好時，噴濺的狀態(tài)會更加惡劣，因此要保持比較高的真空度和比較緩慢的熔化速率。

若發(fā)生噴濺現(xiàn)象，噴濺的鋼液遇到?jīng)]有熔化的待熔化金屬會以熔融狀態(tài)黏貼上去，形成類似焊接的機(jī)理而導(dǎo)致“搭橋”現(xiàn)象。解決方法一是利用上加料室添加重量較大的塊料將“搭橋”破壞；方法二是利用坩堝配備的傾爐裝置進(jìn)行坩堝前傾或者后傾來解決，通過傾翻爐體讓液態(tài)金屬逐步熔化“搭橋”的金屬以破壞“搭橋”；方法三，降低真空度，方式是降低抽速、視具體情況關(guān)閉一組或幾組泵組、降低脫氣強(qiáng)度，有利于降低“搭橋”風(fēng)險。

3.3 精煉

精煉期間的主要工作是液態(tài)金屬提純和成份調(diào)整，使之符合產(chǎn)品的化學(xué)成分要求，目標(biāo)是去除有害雜質(zhì)，降低氣體含量，進(jìn)行合金化。爐料熔清后根據(jù)工藝要求和計算加入定量的石墨或者其他的脫氧劑進(jìn)行脫氧反應(yīng)。由于真空熔煉氛圍，氧和碳迅速進(jìn)行化合反應(yīng)生成大量的一氧化碳并以氣體的形式從鋼液中逸出，被真空系統(tǒng)排出。熔煉初期，鋼液是比較沸騰的，原因就是熔煉時通過人為添加化合物，使大量的非需要保留的元素迅速和化合物反應(yīng)，生成氣體排出。當(dāng)鋼液中的非保留元素反應(yīng)并排出的工藝過程接近尾聲時，鋼液將逐步趨于平穩(wěn)并進(jìn)一步的徹底的反應(yīng)分解，排出鋼液；同時系統(tǒng)在繼續(xù)抽真空，雜質(zhì)在高溫和真空狀態(tài)下被分解、排出，鋼液進(jìn)一步得到凈化。

當(dāng)鋼液中氣體及夾雜物含量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求時，可考慮加入部分的活潑元素和微量添加元素，其目的是提高鋼液的溫度，為下一步的澆鑄做準(zhǔn)備，同時也可以微量的調(diào)整成份。有些元素會與鋼液中氧發(fā)生劇烈反應(yīng)，放出大量的熱，此時需要審慎判斷并分部分量添加，減少反應(yīng)強(qiáng)度。

精煉過程中升高溫度會促進(jìn)反應(yīng)，溫度的升高有利于氮化合物的分解和氮含量的降低，有利于脫氮反應(yīng)；溫度的升高有利于微量有害雜質(zhì)的反應(yīng)析出并蒸發(fā)去除。由于溫度過高會使鋼水和坩堝的耐火材料等發(fā)生冶煉過程中不希望的物理化學(xué)反應(yīng)，因而在此階段，液態(tài)金屬的溫度也不是越高、時間越長越好。

為了提高熔煉金屬的純潔度，排出雜質(zhì)，最重要的方法是使雜質(zhì)通過高溫合金反應(yīng)，生成氣態(tài)物質(zhì)而被真空系統(tǒng)排出。因此較高的真空度配合合理的合金反應(yīng)可以實現(xiàn)提純金屬的目的，但是真空度不是越高越好，一些合理的合金元素可能在極高的真空度下被高溫蒸發(fā)并散失，同時高真空也加劇了液態(tài)金屬和耐火材料發(fā)生反應(yīng)的可能性，因此合理控制真空度，并合理使用真空感應(yīng)爐配置的分壓系統(tǒng)功能來適時的填充惰性氣體（一般為氬氣）來避免合理元素的散失，排出雜質(zhì)。

精煉期主要是對熔煉金屬進(jìn)行精煉提純，重點是去除氣體和夾雜物，因此要及時分析鋼液成份，及時了解鋼液狀態(tài)，在其達(dá)到最后狀態(tài)后要及時澆鑄，因為高溫狀態(tài)下的精煉期如果時間太久可能反而會產(chǎn)生增氧等問題，因此經(jīng)過取樣分析后在鋼液中O2含量最低時可以考慮出鋼澆鑄。

一般情況下可以參考如下爐型和相適應(yīng)的精煉時間（主要根據(jù)雜質(zhì)去除情況、脫氣情況、合金化程度、有害元素去除程度等多種因素考慮）：

?噸位 kg 精煉時間 Min 6-10 -15 -35 -80

3.4 出鋼澆鑄

出鋼澆鑄前經(jīng)過了一定時間的精煉，鋼液的成份已經(jīng)達(dá)到需要的標(biāo)準(zhǔn)，此時重點應(yīng)該關(guān)注鋼液的溫度。溫度過低則影響澆鑄，可能會出現(xiàn)堵塞澆鑄通道；溫度過高又增加了影響產(chǎn)品品質(zhì)的風(fēng)險及澆鑄危險性。體積較小的鑄錠可以在真空腔體中通過小的中間包或者直接澆鑄成型；大型鑄件則需要較長的中間包，將鐵水引流到鑄模上方進(jìn)行澆鑄，中間包在澆鑄前需要提前加熱，一般為700-900 度，原則上溫度越高越高，這樣越不容易堵塞澆鑄通道。一般來說，澆鑄溫度應(yīng)比鋼液的熔點高100度左右以提高鋼液的流動性。對于含有特殊合金元素的鋼液，比如Mo, Al, Co 等，應(yīng)特殊對待，根據(jù)經(jīng)驗控制合適的功率以保持合適的澆鑄溫度。

4 結(jié)論

本文主要介紹了當(dāng)前國際領(lǐng)先技術(shù)的真空感應(yīng)爐的基本原理、配置、功能、冶煉、澆鑄等方面的基礎(chǔ)知識，旨在讓有這方面需求同時又沒有接觸過這種裝備的人員對該技術(shù)有一定的全方位了解，也可作為裝備升級改造的參考范例。

產(chǎn)品品質(zhì)的提升是基于裝備先進(jìn)性和落后裝備的升級改造，因此投入一定的資金成本配置先進(jìn)的裝備可以提高產(chǎn)品的品質(zhì)和競爭力，形成一種良性循環(huán)。由于篇幅和方向的限制，本文沒有更深入的研究真空感應(yīng)熔煉各方面的知識和技巧，感興趣的人員可進(jìn)一步研究以提高真空感應(yīng)熔煉技術(shù)和水平，最大限度發(fā)揮這種先進(jìn)制造業(yè)的優(yōu)勢，提升企業(yè)的國內(nèi)國際競爭力。