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。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碳量極

2、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、長大和上浮。（3）熔池比表面積小。優(yōu)點(diǎn)是熔煉過程中容易控制氣氛，無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。熔煉過程中基本無火焰，也無燃燒產(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·v·sin(v&#

3、183;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，該交變磁場的極性、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，則交變磁場的一部分磁力線將穿過金屬爐料，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)線圈中交變磁場的磁通量，Wb；f:交變電流

4、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，；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：I=4.44·f/R，（R:金屬爐料的有效電阻，）。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

5、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。真空冶金就是通過改變外界壓力對(duì)冶金過程中諸多化學(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+OCO 真空下的脫氣反應(yīng)： 2HH2 2NN2金屬中元素的揮發(fā)： MeMe(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

6、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O=0.01%，當(dāng)鋼中C降低時(shí)，與之平衡的O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=PCO/(ac ·aO)= PCO/(%C·fC·%O·fO)即：%C·%O= PCO/K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PCO，%C·%O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)氣相壓力降至0.1atm時(shí)，碳的脫氧能力可

7、超過硅；若氣相壓力降至133.322Pa時(shí)，碳的脫氧能力可超過鋁。但碳的脫氧能力并不會(huì)隨著真空度的提高而無限制的提高，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+CMn+CO SiO2+2CSi+2CO Al2O3+3C2Al+3CO同時(shí)，真

8、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。由于以上過程的存在，反過來也會(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=KHPH2 %N=KNPN2 （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。因而應(yīng)合理制定工藝制度，促

9、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)過表面除銹和油污后的高純?cè)?，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

10、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

11、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)性夾雜、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100。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