真空感应炉冶炼原理及工艺

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。

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，实施此种熔炼法的设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。

2 常用真空获得设备

-3-5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10,10Torr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。

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。

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。

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:

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。

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。