真空感应熔炼技术的发展与趋势

2021-12-20

随着现代工业技术的飞速发展，人们对机械零件的使用要求越来越高，越苛刻的使用环境对金属材料的耐高温、耐磨、耐疲劳等性能提出了更高的要求。 .

对于某些特定的金属或合金材料，无论是前期的研发试验还是后期的量产和投入使用，研究或获得高性能金属合金材料都需要金属冶炼设备、表面热处理设备等的支持。在许多特殊的加热或冶炼方法中，感应加热技术用于冶炼和制备金属材料或在一定过程中对材料进行烧结和热处理，发挥了至关重要的作用。

本文介绍了真空感应熔炼技术的发展历程以及感应熔炼技术在不同场合的应用。根据不同真空感应炉类型的结构，比较其优缺点。展望真空感应炉未来的发展方向，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、模块化趋势日益明显和控制系统更加智能化。

1、真空感应熔炼技术

1.1 原理

__kindeditor_temp_url__感应加热技术通常是指利用电磁感应原理，对磁敏性较好的材料获得感应电流，以达到在真空条件下加热目的的技术。电流以一定频率通过围绕金属材料的电磁线圈。变化的电流会产生感应磁场，从而在金属中产生感应电流并产生大量热量来加热材料。当热量较低时，可用于真空感应热处理等工艺。当热量高时，产生的热量足以熔化金属，可用于制备金属或合金材料。

1.2、应用

1.2.1、真空感应熔炼

真空感应熔炼技术是目前加热金属材料最高效、最快速、低耗、节能、环保的感应加热技术。该技术主要应用于感应熔炼炉等设备，应用范围广泛。将固体金属原材料放入由线圈包裹的坩埚中。当电流流过感应线圈时，会产生感应电动势，在金属电荷内部产生涡流。当电流热量大于金属炉料的散热速率时，热量积聚越来越多，达到一定程度时，金属从固态熔化到液态，从而达到熔炼金属的目的。在这个过程中，由于整个过程在真空环境中进行，有利于去除金属内部的气体杂质，得到的金属合金材料更加纯净。同时，在熔炼过程中，通过控制真空环境和感应加热，可以调节熔炼温度，及时补充合金金属，达到精炼的目的。在熔炼过程中，由于感应熔炼技术的特点，坩埚内的液态金属材料可以通过电磁力的相互作用自动搅拌，使成分更加均匀。这也是感应熔炼技术的一大优势。

与传统熔炼相比，真空感应熔炼具有节能、环保、工人工作环境好、劳动强度低等优点。采用感应熔炼技术，最终合金材料杂质少，合金加入比例更合适，能更好地满足工艺对材料性能的要求。

真空感应熔炼技术已经大规模应用，从用于实验研究的几公斤感应炉到用于实际生产的数十吨的大型感应炉。由于其操作工艺简单，熔化过程容易控制，熔化温度快。，所熔炼的金属具有成分均匀的优点，应用前景广阔，近年来得到迅速发展。

1.2.2、真空感应烧结

真空烧结是指在真空度为（10-10-3Pa）的环境中，在熔点以下的温度下，将金属、合金或金属化合物粉末烧结成金属制品和金属坯料。真空条件下烧结，金属与气体无反应，不受吸附气体影响。不仅致密化效果好，还能起到净化还原作用，降低烧结温度，常温烧结比可降低100℃～150℃，节约能耗，提高烧结炉的使用寿命，获得高质量的产品。

对于某些材料，需要通过加热的原子转移来实现粒子间的结合，而感应烧结技术在这个过程中起到了加热的作用。真空感应烧结的优点是有助于在真空条件下减少大气中的有害物质（水蒸气、氧气、氮气等杂质），避免脱碳、渗氮、渗碳、还原、氧化等一系列反应. 在此过程中，孔隙中的气体量减少，气体分子的化学反应减少。同时，在材料出现在液相之前就去除了材料表面的氧化膜，使材料在熔融结合时结合得更加紧密，提高了其耐磨性。力量。此外，真空感应烧结对降低产品成本也有一定的作用。

因为在真空环境中气体含量比较低，热的对流和传导可以忽略不计。热量主要从加热元件以辐射的形式传递到材料表面。选择是根据具体的烧结温度和材料的物理和化学性能。合适的加热元件也很重要。与真空电阻加热相比，感应烧结采用中频功率加热，在一定程度上避免了采用电阻加热的真空炉的高温隔热问题。

目前，感应烧结技术主要应用于钢铁和冶金领域。此外，在特殊陶瓷材料上，感应烧结增强了固体颗粒的结合，帮助晶粒长大，压缩空隙，进而增加密度，形成致密的多晶烧结体。感应烧结技术在新材料的研究中也得到越来越广泛的应用。

1.2.3、真空感应热处理

目前应该有更多的感应热处理技术，主要集中在感应淬火技术。将工件放入感应器（线圈）中，当一定频率的交流电通过感应器时，其周围就会产生交变磁场。交变磁场的电磁感应在工件中产生闭合涡流。由于趋肤效应，即感应电流在工件截面上的分布很不均匀，工件表面的电流密度很高，向内逐渐减小。

工件表面高密度电流的电能转化为热能，使表面温度升高，即实现表面加热。电流频率越高，工件表面与内部的电流密度差越大，加热层越薄。加热层温度超过钢的临界点温度后，迅速冷却，实现表面淬火。由感应加热原理可知，通过调节通过感应线圈的电流频率，可以适当改变电流的穿透深度。深度可调也是感应热处理的一大优势。但感应淬火技术适应性差，不适用于复杂的机械工件。淬火工件表层虽然具有较大的压内应力，但其抗疲劳断裂能力较高。但只适用于简单工件的流水线生产。

目前，感应淬火技术的应用主要用于曲柄的表面淬火。轴s 和 cam轴s 在汽车行业。这些零件虽然结构简单，但工作环境恶劣，具有一定的耐磨性、抗弯曲性、耐磨损性能。疲劳要求，通过感应淬火提高其耐磨性和抗疲劳性也是满足性能要求的最合理的方法。它广泛应用于 表面处理 汽车工业中的某些零件。

2、真空感应熔炼设备

真空感应熔炼设备采用感应熔炼技术，通过机械结构的匹配，在实际使用中实现原理。该设备通常利用电磁感应原理，将感应线圈和物料放入一个密闭的腔体中，通过抽真空系统将容器内的气体抽出，然后利用电源使电流通过感应线圈，产生感应电动势，在材料内部形成漩涡，当发热达到一定程度时，材料开始熔化。在熔炼过程中，通过设备上的其他配套部件实现功率控制、测温、真空测量、补加料等一系列操作，最后通过坩埚倒置将液态金属倒入模具中，形成金属锭。冶炼。真空感应熔炼设备的主要结构包括以下几部分：

除上述部件外，真空熔炼炉还应配备电源、控制系统、冷却系统，为设备熔化材料提供能量输入，并对关键部位提供一定的冷却。以防止系统过热而导致结构寿命缩短或损坏。对于有特定工艺要求的感应冶炼设备，有相关的辅助部件，如传动小车、炉门开闭、离心浇铸盘、观察窗等。对于杂质较多的设备，还应配备气体过滤器系统等。可见，一套完整的感应熔炼设备除了必要的部件外，还可以根据具体的工艺要求，通过添加其他部件来实现不同的功能，为金属制备提供便利的条件和实施方法。

2.1. 真空感应熔炼炉

真空感应熔炼炉是先在真空下通过感应加热将金属熔化，然后将液态金属倒入模具中得到金属锭的冶炼设备。真空感应炉的发展始于1920年左右，主要用于冶炼镍铬合金。直到二战推动了真空技术的进步，真空感应熔炼炉才真正得到发展。这一时期，由于对合金材料的需求，真空感应熔炼炉不断向大型化发展，从最初的几吨到几十吨的超大型感应炉。为适应大批量生产，除了设备容量的变化，感应炉的结构也从以循环为单位的循环炉发展到连续或半连续真空感应熔炼，用于装料、模具制备、冶炼和浇注操作。连续运行无需停炉，节省了装料时间和等待钢锭冷却的时间。连续生产提高了效率，也增加了合金产量。更好地满足实际生产的需要。与国外相比，我国早期的真空感应炉容量较小，主要在2吨以下。大型冶炼炉仍依赖国外进口。随着近几十年的发展，我国也可以自行发展大规模真空感应冶炼。炉，最大冶炼量达十余吨。 VIM真空感应熔炼炉发展较早，结构简单，使用方便，维护成本低，在实际生产中得到广泛应用。

真空感应熔炼炉的基本形式。金属材料通过可旋转的转台添加到熔化坩埚中。另一面与坩埚对齐，通过将热电偶向下插入熔融金属中来实现温度测量。熔炼后的金属由回转机构带动，注入成型模具，实现金属的熔炼。整个过程简单，操作方便。每次冶炼都需要一两个工人来完成。在冶炼过程中，可以实现对材料成分的实时温度监控和调整，最终金属材料更符合工艺要求。

2.2. 真空感应膜式燃气炉

对于某些材料，在此过程中不需要在真空室中完成浇注，只需在真空环境中保温和脱气即可。在VIM炉的基础上，逐步发展出VID脱气炉真空感应膜式煤气炉。

真空感应脱气炉的主要特点是结构紧凑，炉膛体积小。更小的体积更有利于快速抽气和更好的真空度。该设备与常规脱气炉相比，体积较小，温度损失小，灵活性和经济性较好，适用于液体或固体加料。 VID炉可用于特殊钢和有色金属的冶炼和脱气，需要在大气环境或保护气氛条件下浇注到模具中。整个冶炼过程可实现物料的脱碳精炼、脱氢、脱氧、脱硫等杂质的去除，有利于精确调整化学成分，满足工艺要求。
在一定的真空条件或保护气氛下，通过感应脱气炉的加热使金属材料逐渐熔化，在此过程中可以去除内部气体。如果在该过程中加入适当的反应气体，它会与金属内部的碳元素结合生成气态碳化物，从炉中除去，达到脱碳精炼的目的。在浇注过程中，需要引入一定的保护气氛，以保证已经脱气的金属材料与大气中的气体隔离，最终完成金属材料的脱气精炼。

2.3. 真空感应脱气浇注炉

真空感应脱气浇注炉是在前两种冶炼技术的基础上发展起来的。 1988年，德国ALD公司的前身Leybold-Heraeus制造了第一台VIDP炉。这种炉型的技术核心是一个集成了感应线圈坩埚的紧凑型真空熔炼室。它只比感应线圈大一点，只包含感应线圈和坩埚。电缆、水冷管路和液压翻转机构均安装在熔炼室外。优点是保护电缆和水冷管道免受钢水飞溅和温度和压力的周期性变化造成的损坏。由于拆卸方便，便于更换坩埚，VIDP炉壳配备三个炉体。制备坩埚炉衬缩短了生产周期，提高了生产效率。

炉盖通过真空密封支撑在炉架和两个液压缸柱上轴承s。浇注时，两个液压缸顶在侧面的炉盖上，炉盖带动熔化室绕真空倾斜轴承. 在倾斜浇注状态下，熔化室与感应线圈坩埚之间没有相对运动。流道是VIDP炉的重要组成部分。由于VIDP炉的设计将熔炼室与铸锭室隔离开来，钢水必须通过真空流道进入铸锭室。锭室开闭呈方形斜边。它由两部分组成。固定部分与流道室相邻，活动部分沿地面轨道水平移动，完成铸锭室的开启和关闭。在某些设备中，活动部分设计成30度，左右向上打开，方便装卸锭模和起重机的日常维护和维修。冶炼开始时，炉体由下方液压机构提升，与炉体上部结构炉盖接合，并用专用机构锁紧。炉盖上端通过真空与加料室相连阀.

由于仅将熔炼部分封闭在真空室中，通过导流槽倒出，炉体结构紧凑，熔炼室更小，真空度控制得更好更快。与传统的感应熔炼炉相比，具有抽真空时间短、泄漏率低等特点。配备PLC逻辑控制系统，可实现理想的压力控制。同时，电磁搅拌系统可以稳定地搅拌熔池，加入的元素会从上到下均匀地溶解在熔池中，保持温度接近恒定。浇注时，流道由外部加热系统加热，减少浇口初期浇注堵塞和流道热裂。通过加装过滤挡板等措施，可减轻钢水冲击，提高金属纯度。由于VIDP炉体积小，真空泄漏检测和维修更容易，炉内清洁时间更短。此外，炉内温度可以用一个小型的、易于更换的热电偶来测量。

2.4、感应水冷坩埚

水冷坩埚电磁感应真空悬浮熔炼法是近年来发展较快的一种熔炼方法。主要用于制备高熔点、高纯度和极活泼的金属或非金属材料。通过将铜坩埚切割成等分的铜瓣结构，并通过每个瓣块进行水冷，这种结构增强了电磁推力，使熔融金属在中间被挤压形成一个隆起并脱离坩埚壁。将金属置于交变电磁场中。该装置将容量集中在坩埚内部的体积空间，然后在炉料表面形成强大的涡流。一方面释放焦耳热使电荷熔化，另一方面形成洛伦兹力使熔化体悬浮并产生强烈的搅拌。添加的合金元素能快速均匀地混合在熔体中，使化学成分更均匀，温度传导更平衡。由于磁悬浮作用，熔体与坩埚内壁脱离接触，防止坩埚污染熔体。同时，它减少了热传导，增强了热辐射，减少了熔融金属的散热，达到了更高的温度。对于添加的金属炉料，可根据需要的时间和设定温度进行熔化保温，炉料无需提前处理。水冷坩埚熔炼在去除金属夹杂物和脱气精炼方面可以达到电子束熔炼的水平，同时蒸发损失更小，能耗更低，提高生产效率。由于感应加热的非接触加热特性，对熔体的影响较小，对制备纯度较高或极活泼的金属有很好的效果。由于设备结构复杂，大容量设备仍难以实现磁悬浮冶炼。现阶段还没有大容量的水冷铜坩埚冶炼设备。目前的水冷坩埚设备仅用于小批量金属冶炼的实验研究。

三、感应熔炼设备未来发展趋势

随着真空感应加热技术的发展，炉型也在不断变化，以实现不同的功能。从简单的冶炼或加热结构，逐渐发展成能实现不同功能、更有利于生产的复杂结构。对于未来更复杂的工艺流程，如何实现精确的过程控制，测量和提取相关信息，尽可能降低人工成本，是感应熔炼设备的发展方向。

3.1、模块化

在一套完整的设备中，针对不同的使用要求，配备了不同的部件。组件的每个部分都执行自己的功能，以达到自己的使用目的。对于某些炉型，增加某些模块，使设备更加完善，例如配备完善的测温系统，有助于观察炉内物料随温度的变化，实现对温度的更合理控制；配备质谱仪检测材料成分调整添加合金元素的时间和顺序，以提高合金在工艺开发阶段的性能；配备电子枪、离子枪，解决部分难熔金属熔化等问题。在未来的感应冶金设备中，不同模块的不同组合，实现不同的功能，满足不同的工艺要求，已成为发展的必然趋势，也是不同领域的组合与借鉴。为了改进金属冶炼工艺，获得性能更好的材料，模块化设备将具有更强的市场竞争力。

3.2.智能控制

与传统冶炼相比，真空感应设备在实现过程控制方面具有很大的优势。由于计算机技术的发展，人机界面的友好操作、智能的信号采集和设备中合理的程序设置，可以轻松达到控制冶炼过程的目的，降低人工成本，使操作更加简单、方便。方便的。

在未来的发展中，更多的智能控制系统将加入到真空设备中。对于既定的工艺流程，人们将更容易通过智能控制系统精确控制熔炼温度，在特定时间添加合金材料，完成熔炼、保温、浇注等一系列动作。而这一切都将由计算机控制和记录，减少人为错误造成的不必要损失。对于重复冶炼过程，可实现更便捷、更智能的现代控制。

3.3. 信息化

感应熔炼设备在整个熔炼过程中会产生大量的熔炼信息，感应加热电源的实时参数变化、炉料、坩埚的温度场、感应线圈产生的电磁场、金属熔体的物理性质等。目前该设备仅实现简单的数据采集，在冶炼完成后提取数据后进行分析处理。未来，信息化的发展、数据的收集处理、分析过程必然会与冶炼过程几乎同步。完成冶金设备内部冶炼材料的数据采集，数据的计算机处理，实时显示当前情况下设备内部温度场和电磁场，信号传输，通过不同数据的实时反馈，方便人们对冶炼过程的实时观察和调整，加强了人为干预和控制。在冶炼过程中，及时进行调整，改进工艺，提高合金性能。