真空感应炉熔炼工艺

真空感应炉熔炼工艺

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·si n∠(v·B)

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=4.44Ф·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。

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=I2Rt

Q: 焦耳-楞茨热，J；

I:电流强度，A；

R:导体电阻，Ω；

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：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。

1.2 真空冶金的原理：

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〕+〔O〕→CO↑

真空下的脱气反应： 2〔H〕→H2↑

2〔N〕→N2↑

金属中元素的挥发：〔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。

碳氧反应的平衡常数为：

K=P CO/(a c ·a O)= P CO/(〔%C〕·f C·〔%O〕·f O)

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P CO，〔%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〔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 H√P H2