真空感应熔炼的工艺过程

《真空感应熔炼的工艺过程》由会员分享，可在线阅读，更多相关《真空感应熔炼的工艺过程（7页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、真空感应熔炼的工艺过程真空感应熔炼（VIM）是在真空条件下，利用电磁感应在金属 导体内产生涡流加热炉料进行熔炼的方法，具有熔炼室体积小，抽真 空时间和熔炼周期短，便于温度压力控制、可回收易挥发元素、准确 控制合金成分等特点。由于以上特点，现在已发展为特殊钢、精密合 金、电热合金、高温合金及耐蚀合金等特殊合金生产的重要工序之一。1、基本原理： 真空感应熔炼的两个基本原理应用是：感应加热和真空环境。1.1 感应熔炼是除电弧炉以外较重要的一种电炉熔炼方法。与电弧炉 相比，其特点有：（1）电磁感应加热。由于加热方式不同，感应炉没有电弧加热所 必须的石墨电极，从而杜绝了电极增碳的可能，因而可以熔炼电弧炉

2、 很难熔炼的含碳量极低的钢和合金。（2）熔池中存在一定强度的电磁搅拌，可促进钢水成分和温度均 匀，钢中夹杂合并、长大和上浮。（3）熔池比表面积小。优点是熔炼过程中容易控制气氛，无电弧 及电弧下高温区，合金元素烧损少、吸气少，所以有利于成分控制、 气体含量低和缩短熔炼时间；缺点是渣钢界面面积小，再加上熔渣不 能被感应加热，渣温低，流动性差，反应力低，不利于渣钢界面冶金 反应的进行，特别是脱硫、脱磷等，因而对原材料要求较为严格。（4）烟尘少对环境污染小。熔炼过程中基本无火焰，也无燃烧产物。 感应加热的原理： 感应加热原理主要依据两则电学基本定律： 一是法拉第电磁感应定律：E=B L v sinZ

3、（v B）E:导体两端所感应的电势；B：磁感应强度；v:相对速度；Z（vB）:磁感应强度的方向与速度方向之间的夹角。当一座无芯感应炉的感应线圈中通有频率为 f 的交变电流时，则 在感应圈所包围的空间和四周产生一个交变磁场，该交变磁场的极 性、磁感应强度与交变频率随着产生该交变磁场的交变电流而变化。 若感应线圈内砌有坩埚并装满金属炉料，则交变磁场的一部分磁力线 将穿过金属炉料，磁力线的交变就相当于金属炉料与磁力线之间产生 了切割磁力线的相对运动。因此，在金属炉料中将产生感应电动势(E),其大小通常以下式确定：E=4.44fn：感应线圈中交变磁场的磁通量，Wb；f：交变电流的频率，Hz；n:炉料所

4、形成回路的匝数，通常n=l。二是焦耳-楞茨定律： 又称为电流热效应原理。当电流在导体内流动时，定向流动的电子要 克服各种阻力，这种阻力用导体的电阻来描述，电流克服电阻所消耗 的能量将以热能的形式放出。这就是电流的热效应：Q=I2RtQ:焦耳-楞茨热，J；I：电流强度，A;R：导体电阻，Q；t:导体通电时间，s。当感应炉通以交流电后，在感应线圈内坩埚里的金属炉料由一法 拉第电磁感应定律产生感应电动势，由于金属炉料本身形成一闭合回 路，所以在金属炉料中产生感应电流：1=4.440 f/R，(R:金属炉料 的有效电阻，Q)。该感应电流又依照二焦耳-楞茨定律在炉料中放出 热量，使炉料被加热。1.2 真

5、空冶金的原理：影响一个化学反应的外部因素主要是：温度、浓度和压力。真空 冶金就是通过改变外界压力对冶金过程中诸多化学反应中有气相参 加的反应产生影响，当反应生成物中的气体摩尔数大于反应物中的气 体摩尔数，减小系统的压力(即增加真空度)则可以使平衡反应向着 增加气态物质的方向移动，促使反应进行的更完全。以下几类反应器 中发生的反应属于此类：真空下的碳脱氧反应：C+0一C0f真空下的脱气反应：2H一H f22NN f2金属中元素的挥发：Me一Mef(1) 在真空环境下，碳的行为很有意思。在常压下，碳的脱氧能 力较弱，因此常用金属脱氧剂（如硅、铝等）来进行沉淀脱氧，但硅、 铝脱氧后形成的氧化物夹杂会

6、部分残留在钢中，降低钢的纯洁度。在 一般条件下，当钢中c=0.20%，与之平衡的0=0.01%，当钢中C降低时，与之平衡的O还要升高，而现今有些特殊用途的钢 和合金中的氧含量要求又远低于0.01%，因而在一般条件下仅用碳来 脱氧是达不到脱氧要求的。碳氧反应的平衡常数为：K=P /（a a）二 P /（ %C f %0 f ）C0 c 0C0C0即：C0= P /KC0由于K值在某一温度下是一常数，当将炉内CO不断抽走，即降 低炉内的P，C0的数值也会同时降低，即在真空条件下，CO碳氧反应会进行的更完全。当气相压力降至0.1atm时，碳的脱氧能 力可超过硅；若气相压力降至133.322Pa时，碳

7、的脱氧能力可超过铝。 但碳的脱氧能力并不会随着真空度的提高而无限制的提高，因为只有 液气分界面的碳氧反应仅只遵循上述热力学原理，金属液体内部的碳 氧反应不仅遵循上述热力学原理，还要受到动力学条件的约束。金属 液体内部如果要形成C0气泡，那么C0的生成压必须大于炉气压力、 气泡产生处金属液柱的静压力和表面张力造成的压力之和。因而仅减 小炉气压力（即增加真空度）是不够的，此时限制碳脱氧的主要因素 是表面张力和静压力。此原理不仅能降低溶解于金属中的氧，还能还原金属夹杂中的氧, 如： Mn0+CfMn+COfSi0+2CfSi+2C0 f2Al 0+3C-2Al+3C0 f23同时，真空下碳这一特性也

8、会作用于坩埚耐火材料。在真空熔炼 的精炼期，此时熔池处于高温、高真空下，炉衬中的氧化物及杂质会 分解并与碳发生还原反应。因而坩埚材料的选择很重要。由于以上过程的存在，反过来也会消耗C，降低钢中C。（2）真空下的脱气： 金属中的气体是指溶解在其中的氢和氮而言。氢和氮在空气中以 分子状态存在，在金属中则以单原子或离子状态存在，这种双原子气 体在金属中的溶解度与气体分压力的平方根成正比。H=K VPH H2%N=KVPN N2（3）真空下杂质及合金元素的挥发：在真空条件下，金属中某些蒸气压较高的元素，当熔室内压力 降低至低于其蒸气压力时，这些元素就会从液态金属中挥发出来。因 而应合理制定工艺制度，促

9、进杂质的挥发、减少有用元素的挥发。215匚II匸1=1 16二口IlWol500kg 真空感应炉1、真空系统4、坩埚2、加料系统5、电源3、感应线圈6、锭模车2、真空感应炉熔炼的工艺过程：就是结合真空冶金与感应熔炼的特点制定合理有效的工艺。其整 个周期可分为以下几个主要阶段，即装料、熔化、精炼、浇注。（1）装料：真空感应炉所用炉料一般都是经过表面除锈和油污后的高纯原 料，有的合金元素还以纯金属形式加入。严禁采用潮湿的炉料，以免 带入气体和在熔炼时产生喷溅。装料时，应做到上松下紧，以防熔化 过程中上部炉料因卡住或焊接而出现“架桥”；在装大料前，应先在 炉底铺垫一层细小的轻料；高熔点不易氧化的炉料

10、应装在坩埚的中、 下部高温区；易氧化的炉料应在金属液脱氧良好的条件下加入；易挥 发的元素加入时，熔炼室应先充以惰性气体Ar为好。（2）熔化期：装料完毕后，应开始抽真空。当真空室压强达到0.67Pa时，便可 送电加热炉料。熔化初期，由于感应电流的集肤效应，炉料逐层熔化。 这种逐层熔化非常有利于去气和去除非金属夹杂，所以熔化期要保持 较高真空度和缓慢的熔化速度。所以开始熔化时不要求输入最大的功 率，而是根据金属炉料的不同特点，逐级增加输入功率，使炉料以适 当的速度熔化。若熔化过快，则气体有可能从金属液中急剧析出，这 将会引起熔池的剧烈沸腾，甚至产生喷溅。如果发生喷溅，可采取降 低熔化速度（减小输入

11、功率）或适当提高熔炼室压力（关闭真空阀门 或充入一定量的惰性气体）的方法加以控制。若采用两次加料熔化时， 第二次炉料应在坩埚炉料熔化 70%80%时加入，并等到补加料开始 发红后再提高输入功率，以免冷料突然加入而放出大量气体产生喷 溅。当金属全部熔化，熔池表面无气泡逸出时，熔炼进入精炼期。（3）精炼期： 精炼期的主要任务是：脱氧、去气、去除挥发性夹杂、调整温度、调 整成分。为完成上述任务必须控制好精炼温度、真空度和真空下保持 时间等工艺参数。a、精炼温度：温度升高有利于碳氧反应的进行、夹杂的分解挥发； 但温度过高会加剧坩埚与金属间的反应、增加合金元素的挥发损失， 所以通常合金钢的精炼温度控制在

12、所炼金属的熔点以上100C。b、真空度：真空度提高将促进碳氧反应，随着CO气泡的上浮排 出，有利于H和N的析出、非金属夹杂的上浮、氮化物 的分 解、微量有害元素的挥发。但过高的真空度会加剧坩埚与金属间的反 应、增加合金元素的挥发损失，所以对于大型真空感应炉，精炼期的 真空度通常控制在15150Pa；小型炉则控制在0.1IPa。c、真空下保持时间：金属液内氧含量是先降后升的，所以当氧 含量达到最低值的时间就是精炼时间， 500kg 的炉子精炼时间为 5070min。炉料熔清后，应立即加入适量的块状石墨或其他高碳材料进行碳 氧反应。精炼后期，充分脱氧、去气、挥发夹杂物时，加入活泼金属 和微量添加元素，调整成分，加入顺序一般为 Al、 Ti、 Zr、 B、 Re、 Mg、Ca，应做到均匀、缓慢，以免产生喷溅，加入后用大功率搅拌 12min，以加速合金的熔化和分布均匀，由于Mn的挥发性较强，一 般在出钢前35min加入。（4）浇注：合金化后，温度成分合格后即可出钢浇注。浇注时采用 保温帽或绝热板。对于成分复杂的高温合金，浇注后可在真空下冷却。3、结语：真空感应熔炼作为制造高温合金、精密合金、特殊功能材料等的 重要工序之一，其作用将越来越重要、应用将越来越广泛。