1、真空感應爐熔煉工藝真空感應熔煉（VIM）是在真空條件下，利用電磁感應在金屬導體內產生渦流加熱爐料進行熔煉的方法，具有熔煉室體積小，抽真空時間和熔煉周期短，便于溫度壓力控制、可回收易揮發元素、準確控制合金成分等特點。由于以上特點，現在已發展為特殊鋼、精密合金、電熱合金、高溫合金及耐蝕合金等特殊合金生產的重要工序之一。1、基本原理：真空感應熔煉的兩個基本原理應用是：感應加熱和真空環境。1.1 感應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，其特點有：（1）電磁感應加熱。由于加熱方式不同，感應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）熔池中存在一定強度的電磁攪拌，可促進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。優點是熔煉過程中容易控制氣氛，無電弧及電弧下高溫區，合金元素燒損少、吸氣少，所以有利于成分控制、氣體含量低和縮短熔煉時間；缺點是渣鋼界面面積小，再加上熔渣不能被感應加熱，渣溫低，流動性差，反應力低，不利于渣鋼界面冶金反應的進行，特別是脫硫、脫磷等，因而對原材料要求較為嚴格。（4）煙塵少對環境污染小。熔煉過程中基本無火焰，也無燃燒產物。感應加熱的原理：感應加熱原理主要依據兩則電學基本定律：一是法拉第電磁感應定律： E=B·L·v·sin(v&#

3、183;B)E:導體兩端所感應的電勢；B:磁感應強度；v:相對速度；(v·B):磁感應強度的方向與速度方向之間的夾角。 當一座無芯感應爐的感應線圈中通有頻率為f的交變電流時，則在感應圈所包圍的空間和四周產生一個交變磁場，該交變磁場的極性、磁感應強度與交變頻率隨著產生該交變磁場的交變電流而變化。若感應線圈內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于金屬爐料與磁力線之間產生了切割磁力線的相對運動。因此，在金屬爐料中將產生感應電動勢（E），其大小通常以下式確定：E=4.44·f·n:感應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，通常n=1。二是焦耳-楞茨定律：又稱為電流熱效應原理。當電流在導體內流動時，定向流動的電子要克服各種阻力，這種阻力用導體的電阻來描述，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：Q=I2RtQ: 焦耳-楞茨熱，J；I:電流強度，A；R:導體電阻，；t:導體通電時間，s。當感應爐通以交流電后，在感應線圈內坩堝里的金屬爐料由一法拉第電磁感應定律產生感應電動勢，由于金屬爐料本身形成一閉合回路，所以在金屬爐料中產生感應電流：I=4.44·f/R，（R:金屬爐料的有效電阻，）。該感應電流又依照二焦耳-楞茨定律在爐料中放出熱量，使爐料被

5、加熱。1.2 真空冶金的原理：影響一個化學反應的外部因素主要是：溫度、濃度和壓力。真空冶金就是通過改變外界壓力對冶金過程中諸多化學反應中有氣相參加的反應產生影響，當反應生成物中的氣體摩爾數大于反應物中的氣體摩爾數，減小系統的壓力（即增加真空度）則可以使平衡反應向著增加氣態物質的方向移動，促使反應進行的更完全。以下幾類反應器中發生的反應屬于此類： 真空下的碳脫氧反應： C+OCO 真空下的脫氣反應： 2HH2 2NN2金屬中元素的揮發： MeMe(1) 在真空環境下，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）來進行沉淀脫氧，但硅、鋁脫氧后形成的氧化物夾雜會部分

6、殘留在鋼中，降低鋼的純潔度。在一般條件下，當鋼中C=0.20%，與之平衡的O=0.01%，當鋼中C降低時，與之平衡的O還要升高，而現今有些特殊用途的鋼和合金中的氧含量要求又遠低于0.01%，因而在一般條件下僅用碳來脫氧是達不到脫氧要求的。碳氧反應的平衡常數為：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，當將爐內CO不斷抽走，即降低爐內的PCO，%C·%O的數值也會同時降低，即在真空條件下，碳氧反應會進行的更完全。當氣相壓力降至0.1atm時，碳的脫氧能力可

7、超過硅；若氣相壓力降至133.322Pa時，碳的脫氧能力可超過鋁。但碳的脫氧能力并不會隨著真空度的提高而無限制的提高，因為只有液氣分界面的碳氧反應僅只遵循上述熱力學原理，金屬液體內部的碳氧反應不僅遵循上述熱力學原理，還要受到動力學條件的約束。金屬液體內部如果要形成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，真

8、空下碳這一特性也會作用于坩堝耐火材料。在真空熔煉的精煉期，此時熔池處于高溫、高真空下，爐襯中的氧化物及雜質會分解并與碳發生還原反應。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存在，在金屬中則以單原子或離子狀態存在，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）真空下雜質及合金元素的揮發： 在真空條件下，金屬中某些蒸氣壓較高的元素，當熔室內壓力降低至低于其蒸氣壓力時，這些元素就會從液態金屬中揮發出來。因而應合理制定工藝制度，促

9、進雜質的揮發、減少有用元素的揮發。 500kg真空感應爐1、真空系統 2、加料系統 3、感應線圈4、坩堝 5、電源 6、錠模車2、真空感應爐熔煉的工藝過程：就是結合真空冶金與感應熔煉的特點制定合理有效的工藝。其整個周期可分為以下幾個主要階段，即裝料、熔化、精煉、澆注。（1） 裝料：真空感應爐所用爐料一般都是經過表面除銹和油污后的高純原料，有的合金元素還以純金屬形式加入。嚴禁采用潮濕的爐料，以免帶入氣體和在熔煉時產生噴濺。裝料時，應做到上松下緊，以防熔化過程中上部爐料因卡住或焊接而出現“架橋”；在裝大料前，應先在爐底鋪墊一層細小的輕料；高熔點不易氧化的爐料應裝在坩堝的中、下部高溫區；易氧化的爐料

10、應在金屬液脫氧良好的條件下加入；易揮發的元素加入時，熔煉室應先充以惰性氣體Ar為好。（2） 熔化期： 裝料完畢后，應開始抽真空。當真空室壓強達到0.67Pa時，便可送電加熱爐料。熔化初期，由于感應電流的集膚效應，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。所以開始熔化時不要求輸入最大的功率，而是根據金屬爐料的不同特點，逐級增加輸入功率，使爐料以適當的速度熔化。若熔化過快，則氣體有可能從金屬液中急劇析出，這將會引起熔池的劇烈沸騰，甚至產生噴濺。如果發生噴濺，可采取降低熔化速度（減小輸入功率）或適當提高熔煉室壓力（關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，第二次爐料應在坩堝爐料熔化70%80%時加入，并等到補加料開始發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生噴濺。當金屬全部熔化，熔池表面無氣泡逸出時，熔煉進入精煉期。（3） 精煉期：精煉期的主要任務是：脫氧、去氣、去除揮發性夾雜、調整溫度、調整成分。為完成上述任務必須控制好精煉溫度、真空度和真空下保持時間等工藝參數。a、精煉溫度：溫度升高有利于碳氧反應的進行、夾雜的分解揮發；但溫度過高會加劇坩堝與金屬間的反應、增加合金元素的揮發損失，所以通常合金鋼的精煉溫度控制在所煉金屬的熔點以上100。b、真空度：真空度提高將促進碳氧反應，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。但過高的真空度會加劇坩堝與金屬間的反應、增加合金元素的揮發損失，所以對于大型真空感應爐，精煉期的真空度通?？刂圃?5150Pa；小型爐則控制在0.11Pa。c、真空下保持時間：金屬液內氧含量是先降后升的，所以當氧含量達到最低值的時間就是精煉時間，500kg的爐子精煉時間為5070min。 爐料熔清后，應立即加入適量的塊狀石墨或其他高碳材料進行碳氧反應。精煉后期，充分脫氧、去氣、揮發夾雜物時，加入活潑金屬和微量添加元素，調整成分，加入順序一般為Al、Ti、Zr、B、Re、Mg、Ca，應做到