真空感應爐設備及冶煉工藝研究

陳榮

（應達工業（上海）有限公司，上海201203）

1 真空感應爐介紹

1.1 真空感應爐簡介

真空感應冶煉，英文名為Vacuum Induction Melting（VIM），采用了感應加熱（中頻）的系統理論實現電能轉換為熱源能量，即類似圓盤電纜產生渦流一樣的原理促使被熔化金屬（待熔煉原料）由于渦流生熱而熔化，在熔化過程中去除雜質、合金成分調整、有害元素去除、添加有益元素、均勻化成份，改善產品綜合性能，實現高品質金屬產品的熔煉方式。 這些工藝流程全部是在真空條件下完成的，原因是真空條件下可以比較容易地將溶于鋼和合金中的氧、氮、氫和碳去除到遠比大氣下冶煉更低的含量水平，同時對在高溫熔煉溫度下蒸氣壓比基體金屬高的雜質元素可以通過揮發去除，而合金中需要加入的鋁、鈦、硼及鋯等活潑元素的成份通過真空設備的特殊配置氬氣分壓功能控制，因此經過真空感應熔煉的金屬材料可明顯地提高韌性、疲勞強度、耐腐蝕性能等多種性能，可以生產各種特殊材料合金，是保障這些特殊材料生產的不可缺少的裝備之一。真空感應爐一般分為間斷式、半連續式和連續式三種，其真空系統和控制系統作為重要的組成部分,直接影響產品質量與產量。標準的無芯感應爐體包括鋼外殼、感應線圈、感應線圈固定支撐結構等。爐體通過液壓驅動實現前傾澆鑄產品，后傾輔助攪拌，化解“熔煉架橋”等問題。鋼外殼起到保證爐體結構剛性并確保實現熔融金屬的冶煉、澆鑄等功能；感應圈提供感應磁場，提供熔化金屬的能量；感應圈支撐結構是固定感應圈的機構，保證感應圈保持剛性標準結構；磁軛連接感應線圈和外部鋼殼體，該磁軛覆蓋線圈約80%的周邊，盡量保證了勵磁感應線圈產生的磁場不外漏。同時圓柱形的鋼殼體外一般會配置相對應的檢查窗口，從檢查窗口可以輕易檢查并發現內部感應線圈問題以便及時發現并及時處理。

1.2 真空感應爐的組成

標準的真空感應爐一般由熔煉室、鑄模室、上加料室、側加料室（一般大于2.5T 爐型配置）、溜槽室、熔煉坩堝、真空系統等組成。熔煉室是最大的真空腔體，熔煉坩堝、模車、模車控制機構等都部署其中，是實現熔煉的場所和空間；鑄模室是精煉完成后產品澆鑄的空間，配備模車和模車機械結構；上加料室，是單獨的真空腔體，實現小批次材料添加、合金元素添加、測溫取樣功能；測加料為單獨的真空腔體，實現連續生產時的熔煉材料添加，可以保持熔煉室真空狀態下連續加料，保護高溫條件下的坩堝避免受到大氣侵蝕；溜槽室也是單獨的真空腔體，在出鋼前放入加熱的流槽，保證熔融的鋼水通過溜槽分別澆鑄到鑄模中；熔煉電源提供熔煉時的能量，即提供頻率、電流、功率、攪拌功率等能量并按照操作人員的指令精準控制；Crucible 即為坩堝（熔爐），是由耐火材料通過特殊的工藝燒結成型的容納冶煉金屬的裝置。被熔煉金屬或合金在熔爐中進行冶煉、工藝控制、化學成分控制、精煉等，實現在熔融金屬中的各種工藝控制。

輔助系統包括水、壓縮空氣、液壓和氬氣。水提供真空感應爐所有的冷卻，包括真空系統泵組冷卻、坩堝冷卻、熔煉電源冷卻等；壓縮空氣提供動力能源，例如真空閥門的動作、各種控制氣缸的動作等；液壓系統提供重載動力能源，比如坩堝傾翻動作、模車動作、側加料動作、上加料動作等；氬氣提供熔煉時分壓功能，同時兼顧安全功能，當系統出現故障可以立即實現回填至大氣狀態，避免故障擴大化。

1.3 通用技術真空技術指標

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1.4 真空系統配置

初級真空系統一般配置4 臺真空泵500M3/H，2 臺5,000M3/H羅茨泵；高真空系統一般配置2 臺真空泵500 M3/H，2 臺5,000M3/H 羅茨泵和4 臺4,400 L/S 的油增壓泵，例如Edwards 18B4 組成。 熔煉電源額定功率一般為750KW，500HZ，所需熔煉功率815KAV。最大熔煉溫度可以達到1,700°C。隨著技術的不斷進步，熔煉噸位、熔煉電源也不斷增大，國內真空感應爐常規爐型已經增至6-12 噸?？刂葡到y由PLC 如SLC500，Studio5000 等配合上位機HMI 組成。

2 真空感應熔煉爐VIM 的熔煉機理

2.1 真空感應熔煉爐VIM原理

真空感應爐，顧名思義是在真空的氛圍下實現金屬合金的冶煉，是電磁感應原理在被熔煉金屬合金中形成渦流生熱進行加熱冶煉的方法。真空系統、真空度、真空抽空時間、氬氣分壓度、溫度等均可以實現精準控制。對于冶金雜質去除、合金在線取樣、成份調整等可以實現精準控制。已成為冶金工業生產優質碳素鋼、優質合金鋼、工具鋼（合金）、高速鋼、軸承鋼等特殊金屬材料的重要裝備。

2.2 真空感應熔煉爐的熔煉優勢

杜絕外來物的污染問題是電磁感應對熔煉金屬加熱的絕對優勢，鑒于這種獨到的優勢，可以生產對鋼和合金中碳含量要求非常低的產品，冶煉的合金超高純潔，性能高、品質優。對于由生產原材料混入產品的各種雜質可通過真空感應爐的特殊功能精準控制其揮發狀態，精準去除，因此對熔煉金屬可以提純，提高產品的品質。真空感應爐冶煉時可利用真空特性以及真空感應爐的配置進行精準脫氧，產品的清潔度進一步提高，精準調整和控制化學成份。

2.3 電磁感應線圈加熱的原理

焦耳——楞茨（Joule-Lenz）定律的電流熱效應理論和電磁感應定律- 法拉第Faraday 相互完美組合是感應加熱的基本理論。電磁感應現象是指形成回路的導電體產生磁場變化時會產生相關的電壓，即感應電動勢，同時會產生感應電流。感應電動勢和感應電流的大小和交變的電磁場有關，通過感應電流形成感應加熱，使需要熔煉的金屬合金吸收熱量熔化，進而進行熔煉的工藝過程。一般來說，感應回路都是由若干匝數的線圈串聯組成，以N 表示匝數，如果磁通量通過設計計算并經過相應的加工制造，要求是每一個匝數磁通量一致，其表達式為φ=nφ，φ 在表達式中表示磁通量，單位是Wb。自由電子在運動中形成電流，即可理解為這是在閉合回路中流動的感應電流，其運動時需要克服相應的電磁阻力，因此其能量將被消耗一部分形成其他能量做功。這些消耗的能量根據能量守恒定律轉化為熱量。

焦耳楞次定律（Joule-Lenz's law）的數學表達式如下：

Q=I2Rt, 式中

Q——導體的發熱量

I——感應電流

T——導體上通過電流的時間

感應加熱方法的基本物理原則是電磁感應現象和電流的熱效應現象。

2.3.1 感應電流的布局

集膚效應、鄰近效應和圓環效應是感應電流在需要熔煉的金屬中分布時的三種效應。正確利用這三種效應非常有利于控制熔煉時所需要的熔煉參數，進而精準控制熔煉。由于爐料形狀、爐料占總裝爐量的體積、比例、密度、導電率、熔點等因素均能影響電源參數的選擇、熔化速率的選擇等。這些參數的合理選擇，再配合合適的真空度抽速，可以滿足不同材質的合理的熔化要求。當導體中有頻率交變的電流流通時，電流流動的程度不是均勻的，表現為電流密度從導體外面到內部減弱的趨勢，也就是說，電流集膚效應就是單位電流流經導電體表面時，電流最大。 通電導體除了本身由于外部電源的作用產生電動勢外，由于其本身通過電流時又產生了感應電動勢，它和外部電源作用的電動勢方向相反，相互疊加的結果是削弱了外部電源做功的電動勢。由于感應電流作用于被加熱金屬中，其內部通過的磁通較大，因此感應電動勢較大，通過疊加削弱了外部電源做工的電動勢也較大；反之，其被加熱金屬外部的通過的磁通較少，因此感應電動勢較小，通過疊加削弱了外部電源做工的電動勢也較小。這樣，兩種感應電動勢和外部做工的感應電動勢相互疊加，最終體現出來的就是被加熱金屬表面的感應電動勢最大，即表面的電流最大，這就是引起表面集膚效應的根本原因。

2.3.2 感應加熱原理

如果坩堝內（感應圈內）裝有金屬材料，金屬材料處于通電的感應圈內將會被交變的磁力線穿過，由于磁力線的交變特性，既可以理解為金屬材料與磁力線產生相對運動，即切割磁力線，從而形成相應的感應電動勢。焦耳一愣茨定律則繼續發揮作用，形成閉環的感應電動勢會形成電流，電流流動時需要克服阻力，即電阻。因此，當電流流經電阻時產生大量的熱量并以熱能的形式加以釋放。即當感應爐通過感應電源被施加交流電后，在感應圈內根據相關的電磁感應定律產生感應電動勢，在閉環的狀態下形成感應電流，感應電流根據集膚效應及焦耳- 楞次定律產生加熱能量對待熔煉金屬加熱做功，逐步熔化金屬實現冶金熔煉。

3 真空感應爐熔煉工藝

標準的熔煉工藝一般分為4 個步驟：待熔化材料加料、升溫熔化、精煉、出鋼澆鑄。

3.1 待熔化材料加料

加料是指在熔煉前經待熔煉金屬裝填到坩堝中的作業。加料通用法則一般如下：

3.1.1 裝料之前檢查坩堝，確保坩堝處理干凈，沒有其他雜質原料保留其中，同時檢查坩堝的各項功能是否正常；

3.1.2 材料要烘干除銹和處理，避免水分及潮氣帶入材料中，尤其是材料內部的密閉腔體內需要特殊關注，避免有液體被封入其中，否則熔煉時會產生爆濺等影響安全的因素；

3.1.3 一般來說，裝料時保持下部密實，密度越大越好，即小料盡量向中下部擺放，中大料向中上部擺放，這樣可以避免熔煉時材料相互卡住或者形成“搭橋”現象；

3.1.4 容易揮發的元素加入時需要使用專用的合金加料倉進行加料，同時要控制真空度，對真空度要求不高的熔煉，例如在10Pa-50Pa 之間，此時可采用分壓功能沖入部分氬氣；

3.1.5 活潑金屬加入時更要控制原料的純度、干燥度以及系統的真空度，確保緩慢加入，減少其燃燒損失并通過取樣分析來補充。標準的真空感應爐都有專設的加料裝置，間斷式、半連續式和連續式的感應爐都有不同的加料方式。間斷式的都是在大氣狀態下加料，加料完畢關閉爐門抽空，同時可緩慢施加一定的電源功率開始烘烤爐料。當真空度達到工藝規定的壓強即利用真空系統的精確控制保持壓強的平衡，同時開始緩慢提升功率進行升溫、熔化爐料。配備合金加料腔室和測溫取樣腔室，這兩個真空腔室獨立于熔煉室，具有單獨抽空能力的腔室，可以保證在熔煉室真空狀態下，即被熔煉金屬處于熔融狀態下可以單獨對這兩個腔室進行抽空、破空，實現通過合金加料室添加合金調節成份，同時也可添加少量的待熔煉金屬，但是這種方式添加的金屬量非常小。半連續加料方式，真空感應爐的結構配置需要增加不同的真空腔室，即上加料室、溜槽室、鑄模室、合金加料室。這些不同的腔室相互獨立，可以單獨實現抽空。當一次熔煉結束后，坩堝還持續熱態，此時利用上加料室配合加料桶，實現小批量的加料。但是如果需要大量加料，爐蓋還需要打開，這樣的缺點是熔煉室需要破除真空，造成坩堝急冷并受到大氣侵蝕而降低耐火材料壽命；連續加料方式，其結構除了和半連續加料方式相同外，增加了側加料室。除了實現上述功能外，可以進行連續真空狀態下加料，即一次熔煉結束后，坩堝還處于熱態，此時熔煉室不需要破真空。在此之前，側加料室預先在大氣狀態下已經填充了一次熔煉的被熔煉金屬，然后抽真空，一般保持和熔煉室的真空度在3-5 倍偏差以內即可，即熔煉室是5Pa，可在25Pa 以內時即開啟熔煉室和側加料室的平衡閥門，保持兩個腔體真空度平衡，開啟連接兩個腔體中間的隔離閥，通過震動加料器將被熔煉金屬送入坩堝中，實現真空狀態下加料。

3.2 升溫熔化

完成加料后即可開始送電升溫熔化，熔化期的主要任務就是使爐料熔化，避免合金元素的燒損以及脫硫。但是熔化速度需要精準控制，原因是爐料熔化時并不是想象中的各部分均勻被加熱熔化，而是裝料方式、密實度、爐料的潔凈度、感應圈的感應特性等造成各個部位產生的溫度并不均勻，因此爐料的熔化速度是不均勻的，非精準的熔化速度極易產生大量的飛濺或者材料“搭橋”現象，尤其是原材料潔凈度不好時，噴濺的狀態會更加惡劣，因此要保持比較高的真空度和比較緩慢的熔化速率。

若發生噴濺現象，噴濺的鋼液遇到沒有熔化的待熔化金屬會以熔融狀態黏貼上去，形成類似焊接的機理而導致“搭橋”現象。解決方法一是利用上加料室添加重量較大的塊料將“搭橋”破壞；方法二是利用坩堝配備的傾爐裝置進行坩堝前傾或者后傾來解決，通過傾翻爐體讓液態金屬逐步熔化“搭橋”的金屬以破壞“搭橋”；方法三，降低真空度，方式是降低抽速、視具體情況關閉一組或幾組泵組、降低脫氣強度，有利于降低“搭橋”風險。

3.3 精煉

精煉期間的主要工作是液態金屬提純和成份調整，使之符合產品的化學成分要求，目標是去除有害雜質，降低氣體含量，進行合金化。爐料熔清后根據工藝要求和計算加入定量的石墨或者其他的脫氧劑進行脫氧反應。由于真空熔煉氛圍，氧和碳迅速進行化合反應生成大量的一氧化碳并以氣體的形式從鋼液中逸出，被真空系統排出。熔煉初期，鋼液是比較沸騰的，原因就是熔煉時通過人為添加化合物，使大量的非需要保留的元素迅速和化合物反應，生成氣體排出。當鋼液中的非保留元素反應并排出的工藝過程接近尾聲時，鋼液將逐步趨于平穩并進一步的徹底的反應分解，排出鋼液；同時系統在繼續抽真空，雜質在高溫和真空狀態下被分解、排出，鋼液進一步得到凈化。

當鋼液中氣體及夾雜物含量達到標準要求時，可考慮加入部分的活潑元素和微量添加元素，其目的是提高鋼液的溫度，為下一步的澆鑄做準備，同時也可以微量的調整成份。有些元素會與鋼液中氧發生劇烈反應，放出大量的熱，此時需要審慎判斷并分部分量添加，減少反應強度。

精煉過程中升高溫度會促進反應，溫度的升高有利于氮化合物的分解和氮含量的降低，有利于脫氮反應；溫度的升高有利于微量有害雜質的反應析出并蒸發去除。由于溫度過高會使鋼水和坩堝的耐火材料等發生冶煉過程中不希望的物理化學反應，因而在此階段，液態金屬的溫度也不是越高、時間越長越好。

為了提高熔煉金屬的純潔度，排出雜質，最重要的方法是使雜質通過高溫合金反應，生成氣態物質而被真空系統排出。因此較高的真空度配合合理的合金反應可以實現提純金屬的目的，但是真空度不是越高越好，一些合理的合金元素可能在極高的真空度下被高溫蒸發并散失，同時高真空也加劇了液態金屬和耐火材料發生反應的可能性，因此合理控制真空度，并合理使用真空感應爐配置的分壓系統功能來適時的填充惰性氣體（一般為氬氣）來避免合理元素的散失，排出雜質。

精煉期主要是對熔煉金屬進行精煉提純，重點是去除氣體和夾雜物，因此要及時分析鋼液成份，及時了解鋼液狀態，在其達到最后狀態后要及時澆鑄，因為高溫狀態下的精煉期如果時間太久可能反而會產生增氧等問題，因此經過取樣分析后在鋼液中O2含量最低時可以考慮出鋼澆鑄。

一般情況下可以參考如下爐型和相適應的精煉時間（主要根據雜質去除情況、脫氣情況、合金化程度、有害元素去除程度等多種因素考慮）：

?噸位 kg 精煉時間 Min 6-10 -15 -35 -80

3.4 出鋼澆鑄

出鋼澆鑄前經過了一定時間的精煉，鋼液的成份已經達到需要的標準，此時重點應該關注鋼液的溫度。溫度過低則影響澆鑄，可能會出現堵塞澆鑄通道；溫度過高又增加了影響產品品質的風險及澆鑄危險性。體積較小的鑄錠可以在真空腔體中通過小的中間包或者直接澆鑄成型；大型鑄件則需要較長的中間包，將鐵水引流到鑄模上方進行澆鑄，中間包在澆鑄前需要提前加熱，一般為700-900 度，原則上溫度越高越高，這樣越不容易堵塞澆鑄通道。一般來說，澆鑄溫度應比鋼液的熔點高100度左右以提高鋼液的流動性。對于含有特殊合金元素的鋼液，比如Mo, Al, Co 等，應特殊對待，根據經驗控制合適的功率以保持合適的澆鑄溫度。

4 結論

本文主要介紹了當前國際領先技術的真空感應爐的基本原理、配置、功能、冶煉、澆鑄等方面的基礎知識，旨在讓有這方面需求同時又沒有接觸過這種裝備的人員對該技術有一定的全方位了解，也可作為裝備升級改造的參考范例。

產品品質的提升是基于裝備先進性和落后裝備的升級改造，因此投入一定的資金成本配置先進的裝備可以提高產品的品質和競爭力，形成一種良性循環。由于篇幅和方向的限制，本文沒有更深入的研究真空感應熔煉各方面的知識和技巧，感興趣的人員可進一步研究以提高真空感應熔煉技術和水平，最大限度發揮這種先進制造業的優勢，提升企業的國內國際競爭力。