真空感应悬浮熔炼实验

一、实验目的

1、了解真空感应悬浮熔炼实验的基本原理；

2、掌握真空感应悬浮熔炼的操作方法。

二、真空感应熔炼的特点

真空感应熔炼作为一个高温冶金过程有很大的优越性，因为它有坚实的热力学基础。咋非真空感应熔炼过程中，只有控制金属液的温度，而在真空过程中，温度和压力两者都可以控制。与大气熔炼相比真空感应熔炼有以下优缺点：

1、能够比较彻底地清除钢液中的气体

根据物理化学中的气体熔解定律，对于双原子气体（H2，N2）来说，它们在钢液中的溶解量是炉气 中该种气体的分压力的平方根成正比的，其间的关系可用下式表示：

(H)=k1PH1/2

(N)=k2PN1/2

式中：（H ）（N ）为氢和氮在钢液中的溶解量；PH 、PN 为炉气中氢和氮的分压力；k1、k2为平衡常数。

由上式可见，当降低炉气中氢气和氮气的分压力时，钢液中的气体含量就会随之减少。如果炉气中的真空度很高（即pH ≈0,pN ≈0）时，则钢液中的含气就可以降低到很低的程度。例如，实验结果表明，只要真空度达到10μm 汞柱时，钢中氢的含量可以降低至1ppm 以下。

2、钢液可以充分脱氧和降碳

由于钢液的熔化过程是在真空条件下进行，钢液中元素的氧化程度很轻微。因此，只要炉料很干净，所练出的钢，氧化夹杂物就会很少。另一方面，在真空条件下，碳的脱氧能力比常压下大为提高。这是因为碳的氧化反应：C+Fe →CO+Fe 所生成的一氧化碳被抽走，因而使得反应进行得很彻底，钢液脱氧良好。

3、金属元素的蒸发

液态合金中每种元素都有一定的蒸气压，当蒸气压超过外界压力时，元素就会蒸发。在大气熔炼的条件下，只要极少数金属元素会发生显著的蒸发现象。但在真空条件下熔炼时，钢中蒸汽压较高的元素就会发生显著的蒸发现象，结果会造成钢液化学成分控制的困难。

4、坩埚材料的沾污

在真空熔炼条件下，炉衬耐火材料会被钢液所侵蚀，这种侵蚀主要表现为钢液中的碳被还原，其结果是，还原产物进入钢液，使钢液的化学成分发生变化。这种现象称为钢液的沾污。在酸性炉衬上，钢液侵蚀耐火材料的现象特别显著。酸性炉衬中的SiO2会被碳所还原：2(C)Fe+(SiO2) →

(Si)Fe+2CO2↑这一反应在大气熔炼条件下，由于CO 的分压力较高，所以反应进行受到限制。而在真空条件下，由于CO 的分压力接近于零，因而促使反应进行。反应结果使钢液的含量降低，同时使含硅量提高。

实验名称：真空感应悬浮熔炼实验 姓名：叶彬________________学号：3080103020__________

三、真空感应悬浮熔炼的原理

真空感应悬浮熔炼的坩埚用紫铜制成，坩埚本体切成若干瓣，内部钻有小孔以供通水冷却。用这种坩埚熔炼金属时，采用高频感应加热。坩埚中的金属块料在高频磁场的作用下产生涡流，从而发热熔化。坩埚体上所开的缝隙有助于减少坩埚壁对高频电磁场的屏蔽，从而使较多的功率达到料块上。

在料块上产生涡流的同时，坩埚壁上夜产生了涡流。在任一瞬间，坩埚壁各瓣片的涡流与料块上的涡流，旋向都是相同的。但在料块外侧靠近坩埚壁的地方其涡流的指向与坩埚瓣片内壁的涡流的指向恰好相反，见图1。

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图1

于是，在料块与坩埚壁之间就产生了一个推斥力，再料块熔成液态后，这个推斥力把熔体推动坩埚的中部，而底部的推斥力则把熔体托离底部，从而使熔体悬浮在坩埚中。对于具体的材料，恰当选择高频电磁场的频率和功率，就能在坩埚中形成一个不与坩埚接触的上大下小的液滴。与普通的真空钢液熔炼相比，真空钢液悬浮熔炼有以下优点：

1、 坩埚对熔体无沾污，容易得到纯净的合金。可以熔炼诸如钛、稀土等化学活性高容易咬蚀炉衬耐火

材料的金属材料。

2、 熔炼金属与坩埚间的热传导减至最小，熔体具有比较均匀的温度，可以在比较小的过热度下熔融。

从而减小了组分的挥发，可以制得成分比较准确的合金。

3、 熔体呈通体熔融状态，再加上强烈的电磁搅拌及热搅拌，熔体的成分十分均匀。

4、 坩埚寿命长，正确使用时，坩埚可反复使用1000次以上。

四、真空感应悬浮熔炼系统的组成 真空感应悬浮熔炼系统的组成可用下列方框图表示：

实验名称：真空感应悬浮熔炼实验 姓名：叶彬________________学号：3080103020__________

其中：高频电源频率为50 Hz ，功率为30kW ，真空机组用来抽真空，Ar 气则用来在熔炼时加压保护，以防止金属液溅射击挥发。冷却水是坩埚正常工作时的必要条件，应与电源连锁，当坩埚无冷却水供应时，电源应无输出，此外，由于坩埚内部水流信道很细，冷却水不能有夹杂。因此，在水泵的出水口和坩埚的进水口均需加过滤网。

五、真空感应悬浮熔炼的工艺及注意事项

装

订

线

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1、装料原则原料以片状为好，放置时应使片横放，以便高频磁场尽可能多地穿过原料，产生尽可能

打的涡流。对粉状原料，应预先将其压制成块，以免粉料从缝隙漏出坩埚之外。对丝状原料，一定要横放，不可竖放，特别是熔点高的材料，竖放很难熔化。

2、送电工艺开始加小功率，一般为6到7 千瓦，待炉料发红，加大功率至炉料熔化，并保持功率2

分钟左右，使金属液成分均匀。

3、注意事项

（1）严禁在坩埚没有通冷却水情况下对坩埚通电加热，这时坩埚极易烧毁。

（2）每次熔炼后，应将缝隙中的金属碎屑清理干净，这样，下次熔炼时一则可避免污染熔料，二则可避免碎屑发热烧伤瓣片。

六、实验内容

1、用真空感应悬浮炉熔炼金属钛。

2、用真空感应悬浮炉熔炼不锈钢。

七、思考题

1、为什么真空感应悬浮炉熔炼合金时液态金属能悬浮在空中而不与坩埚接触？

答：真空感应悬浮熔炼的坩埚用紫铜制成，坩埚本体切成若干瓣，内部钻有小孔以供通水冷却。用这种坩埚熔炼金属时，采用高频感应加热。坩埚中的金属块料在高频磁场的作用下产生涡流，从而发热熔化。坩埚体上所开的缝隙有助于减少坩埚壁对高频电磁场的屏蔽，从而使较多的功率达到料块上。

在料块上产生涡流的同时，坩埚壁上夜产生了涡流。在任一瞬间，坩埚壁各瓣片的涡流与料块上的涡流，旋向都是相同的。但在料块外侧靠近坩埚壁的地方其涡流的指向与坩埚瓣片内壁的涡流的指向恰好相反。于是，在料块与坩埚壁之间就产生了一个推斥力，再料块熔成液态后，这个推斥力把熔体推动坩埚的中部，而底部的推斥力则把熔体托离底部，从而使熔体悬浮在坩埚中。对于具体的材料，恰当选择高频电磁场的频率和功率，就能在坩埚中形成一个不与坩埚接触的上大下小的液滴。

2、为什么真空感应炉熔炼合金时金属液会沾污？

答：在真空熔炼条件下，炉衬耐火材料会被钢液所侵蚀，这种侵蚀主要表现为钢液中的碳被还原，其结果是，还原产物进入钢液，使钢液的化学成分发生变化。这种现象称为钢液的沾污。在酸性炉衬上，钢液侵蚀耐火材料的现象特别显著。酸性炉衬中的SiO2会被碳所还原：2(C)Fe+(SiO2) →(Si)Fe+2CO2↑这一反应在大气熔炼条件下，由于CO的分压力较高，所以反应进行受到限制。而在真空条件下，

由于CO的分压力接近于零，因而促使反应进行。反应结果使钢液的含量降低，同时使含硅量提高。