真空感应炉冶炼原理及工艺

2.3 罗茨泵
罗茨真空泵（简称罗茨泵）是一种旋转式变容真空泵。根据罗茨真空泵工作范围的 不同，又分为直排大气的低真空罗茨泵、中真空罗茨泵（又称机械增压泵）和高真空多 级罗茨泵。
图 5 罗茨真空泵结构示意图
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罗茨泵的结构如图 5 所示。在泵腔内，有二个“8”字形的转子相互垂直地安装在一 对平行轴上，由传动比为 1 的一对齿轮带动作彼此反向的同步旋转运动。在转子之间， 转子与泵壳内壁之间，保持有一定的间隙，可以实现高转速运行。由于罗茨泵是一种无 内压缩的真空泵，通常压缩比很低，故高、中真空泵需要前级泵。罗茨泵的极限真空除 取决于泵本身结构和制造精度外，还取决于前级泵的极限真空。为了提高泵的极限真空 度，可将罗茨泵串联使用。 实际设备中往往用多个泵的串联来组成真空泵组，获得真空室中符合要求的真空 度。
3.1 感应加热原理
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 sin (v B)
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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 4.44 f n Ф : 感应线圈中交变磁场的磁通量，Wb； f : 交变电流的频率，Hz； n : 炉料所形成回路的匝数，通常n 1。
2 常用真空获得设备
真空感应炉的真空系统可由机械泵- 增压泵或机械泵 -扩散泵组成，以达到 10-3 ～ 10-5Torr 的真空度，有时还要加上罗茨泵。
2.1 机械泵
机械真空泵是通常用来获得低真空的设备。 图 2 是常用的一种旋片式机械真空泵的 结构简图。泵壳内有一圆柱形内腔，其中装有一圆柱形转子，可由马达带着转动。转子 的中心轴线位置偏上， 使转子与泵壳内腔在图中顶点处密合相切。 转子中嵌有两片刮板， 中阅用弹簧撑住，使刮板两端紧贴泵壳内壁。
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
真空感应炉冶炼原理及工艺
1 真空感应炉的基本构成
真空感应炉是真空冶炼中的一个重要设备。 无论是有削成型或无削成形的产品冶炼 的工艺流程均存在真空烧结的问题。 烧结的目的在于将所望成型的坯块烧成热锻时用的 预成型件，并要保证获得良好的可锻性和延性结构，以避免制品在热锻时形成缺陷。真 空冶炼炉主要用于冶炼精密合金、电磁材料、合金钢与高温材料。真空感应炉分间断式 和半连续式两种，容量小于 150kg 的炉子多用向断式，容量为 150-300kg 的炉子两者皆 有。500kg 以上的均采用半连续式。5-7t 的大型真空感应炉在国外较多。国内用于冶炼 工业中的真空感应炉主要还是中小型，现正向大型方向发展。 在真空感应炉的设计和使用中，真空获得仍是关键问题。因为在真空感应炉中的温 度为 2000℃左右，在此温度下，要达 10-8Torr 或更高的真空度是有困难的。根据国内外 有关资料的介绍，冶炼质量的提高与真空度是有明显关系的。为此，用户希望设计的真 空感应炉能达到 10-8Torr 或更高的真空度， 目前达到 10-5Torr 的真空度还是较为容易的。
图 1 真空感应熔炼炉结构简图（1-真空系统；2-翻炉机构；3-加料机构； 4-坩埚；5-感应器；6-取样和捣料装置；7-测温装置；8-可动炉体）
真空感应熔炼炉的结构如图 1 所示。它是由炉体、真空泵系统、电源电控等几大部 分组成。 炉体部分构成真空感应熔炼炉进行冶炼生产的场所和空间。 它由以下单元组成： 合金加料装置、观察装置、取样装置、测温装置、翻炉机构、铸锭机构、坩埚、感应器 及进电装置、真空室壳体等。真空系统部分包括各种真空泵、真空阀、检测仪器等，它 的职能是提供冶炼生产过程中，真空室里所必需的真空条件，如极限真空度、工作真空 度、抽气时间、升压率等。电源电控部分(图中未画出来)负责供给冶炼生产过程中所必 需的电能，亦即实现电流、电压、功率、电流频率等电器参数的控制。坩埚封闭在真空 室中，利用电磁感应产生的涡旋电流做为热源，在真空状态下进行金属与合金的冶炼并
E : 导体两端所感应的电势； B : 磁感应强度； v : 相对速度； (v B) : 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
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： 真空下的脱气反应： 金属中元素的挥发： 〔C〕+〔O〕→CO↑ 2〔H〕→H2↑ 2〔N〕→N2↑ 〔Me〕→Me↑ （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〔O〕 =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。
2.2 扩散泵
扩散泵是广泛使用的获得高真空的主泵，它是动量传递式真空泵。结构示意图如图 4 所示：
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图 4 扩散泵结构示意图 泵的底部—是装有真空泵油的蒸发器，真空泵油经电炉加热沸腾后，产生一定的油 蒸汽，蒸汽沿着蒸汽导流管传输到上部，经由三级伞形喷口向下喷出。喷口外面的压强 较油蒸汽压低，于是便形成一股向出口方向运动的高速蒸汽流，使之具有很好的运载气 体分子的能力。油分子与气体分子碰撞，由于油分子的分子量大，碰撞的结果是油分子 把动量交给气体分子自己慢下来，而气体分子获得向下运动的动量后便迅速往下飞去。 并且，在射流的界面内，气体分子不可能长期滞留，因而界面内气体分子浓度较小。由 于这个浓度差，使被抽气体分得以源源不断地扩散进入蒸汽流而被逐级带至出口，并被 前级泵抽走。慢下来的蒸汽流在向下运动的过程中碰到水冷的泵壁，油分子就被冷凝下 来，沿着泵壁流回蒸发器继续循环使用。冷阱的作用是减少油蒸汽分子进入被抽容器。
图 2 旋片式机械真空泵的结构简图 机械真空泵的抽气过程如图3所示。设转子逆时针转动，开始时处于图中(a)的位置， 转子和刮板把壳内腔体分为三个空腔，空腔1与排气口相通，腔内的气体正在被压缩， 空腔2内刚隔离了一定量的被抽气体， 并向排气口方向输送， 空腔3刚形成， 体积将扩大， 从被抽容器内吸入气体，起抽气作用。当转子逆时针转动时，空气由被抽容器通过进气 管被吸入，旋片随着转子的转动使与进气管相连的区域不断扩大，而气体就不断地被吸 入。当转子达到一定位置时，另一旋片把被吸入气体的区域与被抽容器隔开，并将气体 压缩，直到压强增大到可以顶开出气口的活塞阀门而被排出泵外，转子的不断转动使气 体不断地从被抽容器中抽出。转子每转动一周，就有图3(a)空腔2中两倍的被隔离气体被 排出泵外。实用中可把两个机械泵单元串联或并联起来。串联情况下可提高被抽空间的
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 I2 R t Q : 焦耳 楞茨热，J； I :电流强度，A； R : 导体电阻，； t : 导体通电时间，s。
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真空度，并联情况下可提高排气量。整个泵体需浸在机械泵油中，油除了起润滑和密封 作用外，还可起充填排气口与顶部之间“死角”的作用。机械真空泵可直接向大气排气， 它还常用作隔离真空系统的前级泵。 3 1 2 2
图 3 机械真空泵的抽气过程 机械真空泵和其它真空泵一样有两个重要参量：一是极限真空，一是抽气速率。 (1)极限真空：在被抽容器的漏气及容器内壁放气可忽略的情况下，真空泵能抽得的 最高真空度称为极限真空。旋片式机械泵的极限真空度可达 l0-5托，但在一般实验室情 况下只能抽到10-2托。 (2)抽气速率： 在某一给定压强下， 单位时间内从泵的进气口处抽入泵内的气休体积， 称为泵在该压强下的抽气速率。 单位一般为升/秒。 旋片式机械泵的抽气速率主要决定于 转子的尺寸和转速。在160托到儿托的压强范围内，机械泵的抽气速率变化很小，在几 托压强以下，抽气速率迅速下降，到极限真空时降为零。下降的原因主要是：漏气、油 放气和油本身的汽化造成了抽气过程的不完善。 一般旋片式机械真空泵给出的抽气速率 是指泵在进气口处压强为760托时的抽气速率。 使用旋片式真空泵时应注意： (1)使用前检查油箱中油量是否适当，即油面是否达到规定的刻线。 (2)带动泵转子旋转的电动机的转动方向是否与标明的箭头相符。 否则会喷油或损坏 刮板。 (3)停泵后进气口必须通大气， 否则大气会通过缝隙把泵内的油缓慢地从进气口倒压 进被抽容器，造成返油，严重影响真空系统的正常工作。
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： I=4.44Ф·f/R，（R:金属炉料的有效电阻，Ω）。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。
3.2 真空冶金的原理
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碳氧反应的平衡常数为：
KP ( %C〕fC〔%O〕fO ) CO / (ac aO ) P CO /〔
即： 〔%C〕 〔%O〕 P CO / K 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 PCO， 〔%C〕· 〔%O〕的数值也会同时降低，即在真空条件下，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 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 CO 气泡， 那么 CO 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： MnO+〔C〕→〔Mn〕+CO↑ SiO2+2〔C〕→〔Si〕+2CO↑ Al2O3+3〔C〕→2〔Al〕+3CO↑ 同时，真空下碳这一特性也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〕，降低钢中的〔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。
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浇注。从而得到高质量的材料，这种工艺方法叫真空感应熔炼法，实施此种熔炼法的 备叫做真空感应熔炼炉，简称真空感应炉，这是一种新型冶金设备。除此之外，电磁感 应法也用于加热，在焊接、烧结、透热等方面也得到广泛应用，但当今真空感应炉主要 用于冶炼，除特殊指明外，以下所述真空感应炉均指真空感应熔炼炉。其主要产品是铸 锭、精密铸件及双联熔炼用的电极母材。
3 真空感应炉原理
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。 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。