真空感應(yīng)熔煉的工藝過(guò)程

1、真空感應(yīng)熔煉的工藝過(guò)程真空感應(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。1.1 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

2、可以熔煉電弧爐 很難熔煉的含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

3、 v sin/ （v B）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；/ （v B）: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=4.44 f n：感應(yīng)線圈中交變磁場(chǎng)的磁通量， Wbf:

4、交變電流的頻率， Hz；n： 爐料所形成回路的匝數(shù)，通常 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。這就是電流的熱效應(yīng)：Q=I2RtQ： 焦耳- 楞茨熱， J；I： 電流強(qiáng)度， A；R:導(dǎo)體電阻，Q;t： 導(dǎo)體通電時(shí)間， s。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：1=4.44 f/R , (R:金屬爐料 的有效電阻，Q )。該感應(yīng)電

5、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。1.2 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 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)：C+0宀COT真空下的脫氣反應(yīng)：2 H-2 NJ Nf金屬中元素的揮發(fā)：Me Mef(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

6、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，當(dāng)鋼中C=0.20%,與之平衡的0=0.01%,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 0.01%,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=PC/（a c a0）= P co/（ %C f“ 0 f O）即：%C %0 = PcdK由于K值在某一溫度下是一常數(shù)，當(dāng)將爐內(nèi) CO不斷抽走，即降 低爐內(nèi)的Pc。，C0的數(shù)值也會(huì)同時(shí)降低，即在真空條件下， 碳氧反應(yīng)會(huì)進(jìn)行的更完全。當(dāng)氣相壓力

7、降至 0.1atm 時(shí),碳的脫氧能 力可超過(guò)硅；若氣相壓力降至133.322Pa時(shí)，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?液氣分界面的碳氧反應(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：MnO+ C Mr+CO

8、tSiO 2+2C Si+2C0TAl 2O+3Ct2Al+3C0t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)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 =KhV FH2%N =KnV FN2（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

9、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)。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4、坩堝5、電源6、錠模車2、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)?料，有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

10、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 0.67Pa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

11、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

12、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?？刂圃?5150Pa小型爐則控制在0.11Pa。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、緩慢