真空感应熔炼技术感应炉工艺的基本原理特点发展及利太阳能灯用

真空感应熔炼技术：感应炉工艺的基本原理、特点、发展及利太阳能灯用

随着我国在高铁、核电、石油石化、航空航天等领域的快速发展，对钢铁材料提出了愈电热片来愈高的要求：强度更高、耐腐蚀性更刻薄、耐高温性、抗疲劳性更强等，而真空感应熔炼技术是生产高端特殊钢的重要保障，在众多的特种加热或熔炼方法中，感应加热技术用于熔炼制备金属材料，在精确控制钢中气体、非金属夹杂物和微理容器材量有害杂质的含量水平方面，都起到了相当重要的作用。本文介绍了感应炉和真空感应熔炼技术的发展进程，和感保护卡应冶炼技术在不同场合的利用。针对不同真空感应炉炉型的结构，比较各自优劣势。展望未来真空感应炉的发展方向，论述其发展趋势。真空感应炉的发展进步主要体现在，装备整体结构逐渐完善，设备大型化趋势日趋明显，和具有更加智能的控制系统。

1感应炉工艺

1.1感应炉工艺的基本原理及特点

当交变电流通过感应圈时，在线圈周围产生交变磁场，炉内导电材料在交变磁场作用下产生感应电势，在炉料表面1定深度构成电流（涡流），炉料靠涡流加热融化。感应炉是利用物料的感应电热钻井泵效应而使物料加热或融化的电炉。

熔炼炉分为有芯感应炉和无芯感应炉两类。有芯感应炉有铁芯穿过感应器，用工频电源供电，主要用于各种铸铁、黄铜、青铜、锌等金属的熔炼和保温，电效力达90%以上，能利用废炉料，熔炼本钱低，最大炉容达270t。无芯感应炉无铁芯穿过感应器，分为工频感应炉、中频感应炉和高频感应炉，采取感应炉熔炼具有以下1些特点。

1.1.1感应炉熔炼加热的主要优点

1）加热速度快。

由于感应加热进程主要是依托电磁感应透热加上热量传输的方式实现，所以在很短的时间内，便能够将物料加热到预期的深度和温度。

2）热量损失少、加热效力较高。

在感应加热的进程中，能量以电磁波的情势传递进行的，所受外界影响较小，能量分散少，提高了加热效力。

3）污染少。

加热的能源真空玻璃主要是电能，加热进程中不会产生有害的气体和其他污染物，属于新型的清船用电话洁能源类型。

4）加工质量比较高。

由于加热速度较快，再加上保护气体的作用，使得金属表面氧化的概率大大下降，熔炼出的金属品质也较好。

5）易于实现自动与手动控制。

由于加热源的主要参数是电源的功率和频率，电流在加热进程中，通过对电源电流、频率的改变，来改变温度的提升和保温，感应炉操作起来简单易行。

1.1.2感应炉熔炼的1些不足的地方

1）装备费用高。

感应加热用电源与其他电炉的电源相比价格高，即高高腰洋装频加热时，需要作为热源的高频振荡器，中频加热时，需要晶闸管变频电源或IGBT电源。即便用商用频率进行加热，在无铁芯型感应炉的情况下，由于炉子功率因素差，需要使用大量的进相电容器，因此电源装备价格高。

2）遭到被加热物体的电气特性的控制。

由于对被加热物体直接产生感应电流，因此，需要合适于被加热物体的导磁率、固有电阻、形状的加热线圈。

3）搅拌引发杂质混入。

打桩锤

在感应加热熔炼的情况下，由于搅拌力的作用，在熔液中产生了搅拌。由于该搅拌力与频率的平方根成反比，频率变得越低搅拌力变得越大。如果熔液的搅拌力过大，构成坩埚的耐火材料越容易混入熔液中，成为非金属夹杂物，使铸锭的质量下降。对此要采取使线圈比熔液的高度足够地低，从而抑制因熔液压力引发的搅拌力。

4）如果选错频率，就达不到加热目的。

1.2感应炉的发展及利用

1831年，法拉第（M.Faraday）发现电磁感应现象：当通过闭合导体回路的磁通量产生变化时，回路中就产生感应电流。根据电磁感应现象，法拉第创建了现代感应加热的概念。1890年瑞典人发明了第1台感应熔炼炉——开槽式有芯炉，1916年美国人制造出闭槽式有芯炉，用于有色金属的冶炼。工频炉产生于20世纪30年代，1921年无芯炉在美国出现，采取火花式中频电源，后来出现了中频机组电源和现在的晶闸管变频电源，工频无芯炉的产生已是20世纪30年代了。

1957年，美国所研制的晶闸管，标志了现代电力电子技术的开始，也引领着感应加热李子技术进入到实际利用当中。1966年，瑞士和西德首先利用晶闸管研制感应加热装置，从此感应加热技术开始飞速发展。不久高频电源、倍频电源等也由于不同的工艺要求而相继出现。

我国的感应加热处理技术真正始于1956年，从前苏联引进，主要利用于汽车工业。20世纪后期，随着电源装备制造业的发展，感应淬火工艺设备也紧随其后发展起来。现在我国感应淬火工艺设备日趋扩大，产品品种繁多，原来需要进口的设备逐步被国产产品取代，在为国家节省外汇的同时，也发展了国内的相干企业。目前，感应加热制造业的主要服务对象主要是汽车制造业，今后现代冶金工业将对感应加热有着较高的需求。

目前，感应熔炼领域技术的发展正在向以下几个方向进行：

1）高频电源采取半导体功率器件，输出功率愈来愈大。

2）中频感应熔炼炉，电源功率越大，整流的脉波数较多，配置的炉体愈来愈大。

3）真空感应炉的吨位愈来愈大。

4）特种感应加热，被加热金属温度控制的精度误差愈来愈小。

5）感应加热的多供电电源（1拖多）功率愈来愈大，拖的炉子愈来愈多。

6）计算机软件对其系统的检测、控制、管理，正趋于简单化、智能化、网络化，并具有故障自诊断功能等。

2真空感应炉工艺

2.1真空感应炉工艺的基本原理

真空感应熔炼（简称VIM）在密闭真空条件下，电磁感应进程中会产生涡电流，使金属融化，可用来熔炼高纯度的金属及合金。主要包括真空感应炉熔炼、悬浮熔炼和冷坩埚熔炼。由于在真空下熔炼，容易将熔于钢和合金中的氮、氢、氧和碳去除到远比常压下冶炼为低的水平，同时，对在熔炼温度下，蒸气压比基体金属高的杂质元素（铜、锌、铅、锑、铋、锡和砷等）可通过挥发去除，而合金中需要加入的铝、钛、硼及锆等活性元素的成份易于控制机械手。因此，经真空感应熔炼的金属材料可明显地提高韧性、疲劳强度、耐腐蚀性能、高温蠕变性能和磁性合金的磁导率等多种性能。

真空感应炉冶炼的特点：

1）精确控制化学成份。

真空感应炉冶炼的重要功能就是能够精确地控制钢的化学成份，特别是能够准确控制易氧化元素的含量。目前，重要的钢与合金都要求得到理想的目标成份。

2）冶炼钢具有较高的纯净度。

材料的纯净度一样是决定材料工艺性能和使用性能的重钮扣机要因素。真空感应炉冶炼的钢中气体、非金属夹杂物和微量有害杂质的含量水平远低于其他冶炼方法生产的钢。

3）冶炼工艺的可调性强。

真空感应炉冶炼的工艺条件，如真空度、温度、精炼时间、炉内气氛等，能够在较大的范围内进行调剂，从而到达不同的效果。真空感应炉为冶金反应创造了良好的热力学和动力学条件。

◆真空条件下，提高了碳的脱氧能力；

◆在高温和高真空下，脱氮和去除有害杂质的能力得到提高；

◆调剂炉内压强，以减少合金元素挥发和氧化损失。

2.2真空感应炉的发展和利用

2.2.1国外真空感应技术的发展

真空感应炉大约始于1920年，用于熔炼镍铬合金。直到第2次世界大战，由于真空技术的进步，使真空感应炉熔炼才开始真塑胶场地正发展起来。2战期间，欧美等国家已到达了实用化程度，并获得了飞速发展，日本也相继采取。这类方法多用于熔炼耐热钢、轴承钢、纯铁、铁镍合金、不锈钢等多种金属材料，这1真空熔炼工艺使材料的断裂强度、高温韧性、耐氧化性等指标都得到了明显改良。

真空感应炉1般用无铁芯型的感应圈，设置在炉体内的称内热型；感应圈设在真空炉体外的称外热型。外热型炉主要用于小型炉，容量为0.5⑶kg，电源多数用高频产生器。内热型炉，小型炉亦可用，饼干机但主要用在大型炉。1956年真空感应炉的容量已到达1.0⑴.5t和2.3t。1962年到达5.4t，用于制作真空电弧炉电极。这类炉子熔炼效果好，活性金属消耗少，成份容易控制。

由于大型真空抽气装备（如增压泵）的出现，真空感应炉也逐渐向大型化方向发展。以美国为例，1969年真空感应炉的容量已到达27t的范围，满足了各种金属材料工业化生产的要求。西欧各国家也在20世纪60年代，将炉子向大型化发展其实不断改进，可在冶炼进程中不破坏真空，在装料、铸模准备及浇铸操作等进程，实现连续或半连续的真空感应熔炼，自动控制操作可提高冶炼速度和效果。最近几年来，美、日等国家在所用的坩埚耐火材料表面上喷涂1层内衬，大大提高了坩埚的使用寿命，减少了对熔炼金属的污染。

国外真空感应炉晶闸管变频电源的功率已达10MW以上，频率150⑸00Hz。炉子的功率越大，电源的频率越低。在电控方面，较大容量的炉子均采取PLC控制。这类控制方式已非常成熟，要实现PLC控制，需要有可靠的传感元件，使用很多真空元器件及各种接近开关、磁性元件。将真空度、液压缸、气缸、卷扬机的位置信号，浇注转台的转动角度信号等联接至PLC，把分散的扩大单元与中央控制器相连接，到达控制的目的。

真空冶金的特点是炉料与大气隔绝，所以能熔炼在高温下易与氧、氮等气体化合或对其污染的金属。真空感应熔炼在高温合金、精密合金、高强度钢、超高强度钢等生产中得到广泛利用，对现代航空、航天技术的发展有重要贡献。还用于有特殊耐蚀和强度性能要求的不锈钢、软磁材料、导热材料和其他特殊自粘铝箔合金。概况起来讲，随着技术的发展，真空冶金主要用于熔炼含有易氧化烧损元素的材料，对氮、氢、氧等气体敏感的材料、高蒸气压元素作为有害杂质而在常压下难以去除的材料、洁净度要求极高的材料和组织要求非常均匀致密的材料等。

国外高水平真空感应熔炼工艺，可将元素Al、Ti的波动范围控制在±0.10%之内，B的钢筋波动范围控制在±0.010%之内；由于真空感应炉内，冶炼空间氧、氢等气体的分压很低，溶解在钢液中的气体会自动从钢液中逸出并被抽出炉外去除，因此，下降了钢中气体含量。国外高水平真空感应熔炼技术，可将氧含量控制在3ppm以下，氮含量控制在5ppm以下，氢含量控制在1ppm以下。

最近几年来，在真空冶金技术的数值摹拟和从工艺装备角度控制产品质量方面，都得到了较大的发展。例如，随着计算机技术的不断发展，计算水平得到迅速提高，科研工作者从技术本身机理动身，建磁选设备立了大量的数学模型，用于描写真空冶金工艺进程中的各种物理场及其可能存在的复杂化学反应，深入理解相应的工艺进程，试图找到更好地控制冶金反应进程的途径。

根据生产和经济性要求，真空感应熔炼可以进行不同程度的扩大，在与其他浇注系统组合，有很强的适应性，从而扩大了真空感应炉的功能，实现了1机多用，提高了综合经济效益。真空感应熔炼可以分为以下几种典型类型：

1）VIM-铜箔VCC（Vacuum Induct ion Mel ting with Vertical Cont inuous Casting）真空感应熔炼带垂直连续铸造；

2）VI M-HMC/VMC（Vacuum I nduct i on Mel t i ng wi t h Hor i zont al or Ver t i cal Mol d Chamber）真空感应熔炼带分离的水平或垂直铸模室；

3）VIM-HCC（Vacuum I nduc t天线插头 i on Mel t i ng wi t h Horizont al Continuous Casting）真空感应熔炼带水平连续铸造；

4）VI M-I C（Vac uum I塔吊 nduc t i on Mel t i ng wi t h Investment Casting）真空熔模铸造；

5）VI M-FC（Vacuum I nduct i on Mel t ing with Fl ake Cast ing）真空感应熔炼带薄片铸造；

6）V I D（V a c u u m Induct ion Degassing）真空感应脱气；

7）V I D P（V a c u u m I nduc t i on Degas s i ng and Pouring）真空感应脱气和浇注。

新型真空感应熔炼VIDP具有融化、精炼、合金化、脱气和浇注的功能，又称为真空感应脱气浇注炉。其熔炼室体积比同等容量常规炉小，缩短了抽真空时间和熔炼周期。小体积的熔炼室有益于温度和压力的控制、回收易挥发元素和准确控制合金成份。对有些材料，如耐热钢、耐蚀钢等特殊钢，仅需要在真空下保温、脱气（也可精炼），而没必要在真空下浇注，由此设计出了1种钟罩式真空脱气炉VID（Vacuum Induction Degassing）。

VID不强求在真空下加入钢液，运行真空度在13.3Pa⑴33.3Pa（1⑴0⑴ torr）范围内。这类情势的炉子体积小，对1定用处而言，其技术经济性好，不必体积庞大的LF/VD型脱气炉。VID代表了1种灵活机动的小容量炉子的2次冶金的概念。

2.2.2我国真空感应炉熔炼技术的发展

1）装备结构和功能多样化。

我国在引进消化吸收国外真空感应炉装备先进技术的基础上，也研制了多种类型的真空感应炉，包括立式单室真空感应炉、立式双室真空感应炉、带有流槽室的真空感应炉、锭模室升降式真空感应炉、带有底吹系统的真空感应炉、双门带坩埚旋转式真空感应炉、侧门旋转轴式真空感应炉。熔炼室和铸锭室相分离，实现连铸的铸锭功能。

东北京大学学也于2004年开发成功了200kg的多功能真空感应精炼炉，具有真空下顶吹氧、底吹惰性气体（Ar、N2）、喷粉、造渣和合金化等功能，可以实现超纯铁素体不锈钢、超纯IF钢、电工钢等特殊钢的冶炼。

2）装备大型化。

初期，我国的收音机真空感应炉都比较小，大多数为200kg，其余的炉子容量在350⑴300kg之间，多数是进口的。1978年抚钢从德国引进了1台3t/6t大型真空感应炉。另外一台为4.5t/6t，于1997年初投产。抚顺特殊钢有限责任公司于2004年引进了1台德国ALD公司制造的6t/12t真空感应炉，宝钢特钢也引进了12t的真空感应炉。2016年抚钢从德国引进了20t的大型真空感应胶鞋炉，目前正计划引进1台30t真空感应炉。

近几年，我国多家民营钢铁企业引进了多台6t大型真空感应炉。另外，国产真空感应炉大型化也获得进展。目前，已能设计制造13t以下的装备，2015年投产了1台13t的真空感应炉，目前太钢又投产了1台6t的国产真空感应炉。

3）设备和工艺技术的进步。

（1）电磁搅拌和惰性气体搅拌

感应炉冶炼本身已存在较强烈功放板的搅拌作用，加上电磁搅拌后，气体上升到熔液界面大量析出，对材料的脱气有很好的效果。但必须注意的是，要选择适合的搅拌功率，避免对炉衬的过度冲击。

在气体搅拌时，惰性气体通过注入坩埚底部的锥型多孔塞进入熔池。当惰性气体穿过熔融金属时，起重葫芦气泡体积和表面积增大，靠近金属液面时，体积明显膨胀，使气体和金属间有更高的比表面进行交换反应，缩短了熔液表面的更换周期，并改良了全部熔池的均匀性。同时，还使细小的氧化物聚集，夹杂物漂浮到熔融金属表面，到达净化材料的效果。

钟点工（2）熔炼电源

初期的感应炉电源都是电动机-发机电变频机组。到1970年后，真空感应炉大多配置可控硅静止变频电源。经过40多年的发展，可控硅静止变频电源技术已非常成熟。在全部摄相机冶炼周期中，功率从1%⑴00%的平滑调理，使操作极为灵活、准确、无波动；变频电源的频率在1定范围内是变化的，能自动跟踪适应炉料的变化，无需大电流接触器来开关电容器，调理炉子的功率因数；效力高，3相对称电网负荷，工作状态非常优越。

（3）PLC控制

可编程序控制技术，使得真空熔炼装备的自动化和半自动化运行成为可能。装备严格按用户设置的程序运行，工艺技术条件得以严格控制，可重复性强。对装备运行和工艺进程实行高度控制。例如，真空机组的开关、监测，真空阀门的开闭、联锁、切换，故障的辨认、报警，预防误操作等都由PLC控制。

（4）计算机辅助系统的利用

根据实践所积累的丰富经验数据，编制成计算机软件，计算机通过对实测的温度与软件给定的工艺曲线进行比较，调剂电源功率输出，从而控制钢液的温度，避免精炼期熔液的温度过热和太低，实现经济运行。熔池的实际温度是通过扫描式光学高温计连续测定。在丈量进程中，熔池表面的渣子、添加合金元素、光学玻璃的污染等缘由，都会影响被测数据的准确性，计算机将自动进行修正。

精炼后期，取样分析后1般要调剂合金成份。在中间分析的基础上，按合金成份的要求，补加合金元素的数量由计算机计算决定，并由打印机记录存档。

（5）中间包冶金技术的利用

为了更好地去除钢中夹杂物，提高钢水洁净度，添加可实现加热、保温功能滤渣去夹杂物中间包系统。中间包设有挡墙和挡坝，有益于夹杂物的上浮，钢水经挡渣、过滤后注入锭模，减少了渣子和夹杂物进入钢锭，对提高钢材质量有极大的作用。

2.3真空感应熔炼技术的发展方向

真空感应熔炼今后在下述4个方面仍将取得广泛利用：

1）熔炼要求成份控制精确、纯度高、夹杂少的合金。如镍基高温合金、超高强度马氏体时效钢、超纯铁素体不锈钢及高纯金属等；

2）回收贵重合金料，如镍基合金、高合金不锈钢等；

3）生产无余量加工的精密铸造件；

4）用水冷铜片镶制坩埚与氧化钙坩埚熔炼活性金属合金如钛、锆等。

真空感应熔炼技术是生产高端特殊钢和特种合金的重要保障。未来我国用于高铁、核电站、百万千瓦火力发机电组、燃气轮机、车用涡轮增压器、石油石化、航空航天、军事工业等领域的高端特殊钢和高温合金将不断增加，对钢铁材料提出了愈来愈高的要求：强度更高、耐腐蚀性更刻薄、耐高温性、抗疲劳性更强等。对钢铁材料的冶炼环节来说，除保证设计的材料成份以外，保证其洁净度，控制其均匀性，取得致密均匀的铸态组织是保证高性能材料的基础。