真空感应炉熔炼浇铸过程常见问题分析

真空感应炉熔炼浇铸过程常见问题分析

陈城张剑

（南昌工程学院机械与电气工程学院，江西南昌330099）

摘要：用真空感应熔炼炉熔炼浇铸制备Fe-Ga 合金，除了炉内真空度、电流强度等影响因素外，石英坩埚、清洁程度以及加热位置同样对其有着重要的影响，关系到合金制备的成败。本文通过针对实验过程中物料损失异常的情况，查找并分析原因，最终得出结论。关键词：熔炼浇铸；石英坩埚；加热位置中图分类号：TF1

文献标识码：A

文章编号：1671-4792（2016）11-0062-04

Analysis of Common Problems in the Smelting and Casting Process of Vacuum Induction Furnace

Chen Cheng Zhang Jian

（School of Mechanical and Electric Engineering ，Nanchang Institute of Technology ，Jiangxi Nanchang 330099）Abstract ：In the production of Fe-Ga alloy with vacuum induction melting furnace ，in addition to the vacuum degree ，the current intensity and other factors ，the quartz crucible ，cleanness and heating position also have an important in-fluence on the alloy ，which is related to the success of the alloy.In this paper ，with an investigation and analysis ，we draw a conclusion on the causes of the abnormal situation in which material loss in the course of the experiment.Keywords ：Smelting and Casting ；Quartz Crucible ；Heating Position

★基金项目：南昌工程学院研究生创新基金项目“基于振动检测的超磁致伸缩薄膜悬臂梁的制备研究”

0引言

随着以Fe-Ga 合金为代表的新型磁致伸缩材料的发展与应用，市场上对于Fe-Ga 合金的需求也逐年增加，因此，在保证质量的前提下，提高产量是顺应市场发展的[1]。对于Fe-Ga 合金的制备，主要研究的是影响制备的工艺参数，而忽略了非工艺因素对合金制备的影响[2]。1实验

1.1实验设备

真空感应熔炼炉的工作原理是在感应线圈中由电磁感应而产生感应电流，放置在线圈中的物料会因感应电流产生电磁涡流受热并熔化[3]。熔炼时，物料放置在石英坩埚里，石英坩埚放置在感应线圈中。

本实验所用的是沈阳真空技术研究所生产制造的VIF-1真空感应熔炼炉，

实物图如图一所示。1.2实验方案

本实验采用Fe （纯度>99.99%）和Ga （纯度>99.99%）制备铁镓合金，由资料可知，选取炉内真空度为9.2×10-3Pa 、电流强度为1440A 时[4-7]，通过改变实验过程中物料在感应线圈的受热位置，记录并

2016年第11期

总第180期

科技广场

DOI:10.13838/ki.kjgc.2016.11.016

对比每次熔炼浇铸前后材料质量损失，进而分析影响制备Fe 81Ga 19的因素。

本实验制备的名义合金成分为Fe 81Ga 19，根据合金中Fe 元素和Ga 元素的质量分数分别为77.33%和22.67%，所以选取实验物料为纯铁77.33g 、纯镓22.67g [8]。2实验结果

由图二可知，第5组实验物料损失出现异常且质量增加，与其他组别相差甚远，而此组浇铸的合金棒如图三所示，末端形状规则完整，上端和中部呈现薄片状，说明初始浇铸顺利，但中途Fe-Ga 合金液滴落不畅，致使冷却附着铜质铸模内壁。

图四所示为物料在感应线圈中受热位置偏下时浇铸的合金棒，合金棒材呈现细条状，整体分布不均，有水滴凝固形状，形成了不规则合金棒。图五所示为在感应线圈中受热位置偏上的条件下浇铸的合

金棒，整体呈现规则和完整。

3实验分析讨论

通过对第5组实验进行检查分析得知，造成质量损失如此大误差的主要原因是石英坩埚内壁有脱落的小块混入了物料中，同时还有可能的原因是实验前后清洁工作不到位。

3.1石英坩埚质量

根据焦耳定律：Q=I 2Rt 可知，在相同的时间内，产生的热量与电流强度成正比。本实验制备的Fe-Ga 合金棒尺寸为：直径10mm 、长120mm 。则有：

（1）

Q=I 2Rt=14402×1.423×10－4×60=17212.6J （2

）

图一VIF-1真空感应熔炼炉实物图

图二

每组别的质量损失量

图三第5组浇铸的合金棒

图四

物料受热位置偏下时

图五物料受热位置偏上时

根据公式（2）可知，感应线圈在1min的时间内产生热量达到17212.6J。Fe-Ga合金的熔点为1450℃，实验中还会产生熔点高达1740℃的Ga的化合物，而作为承载物料的石英坩埚熔点为1750℃，所以其质量高低对于制备Fe-Ga合金有着很大的影响。

石英坩埚的常见质量问题有厚度不均、有气泡或是空腔、细小裂缝等，会导致以下情况：（1）石英坩埚因厚度不均或是有细小裂缝时，在温度迅速升高的过程中受热不均，从而导致炸裂或是内壁脱落；（2）石英坩埚有气泡或是空腔，因温度迅速升高而迅速膨胀，在膨胀到一定的程度时也会炸裂和脱落。

石英坩埚炸裂对实验的影响：（1）Fe-Ga合金还没有熔化时，由真空感应熔炼炉的工作原理知，迅速关闭加热电源后，感应线圈不会继续对样品进行加热，因此Fe-Ga合金样品基本不会有损失。（2）Fe-Ga 合金有熔化时，液态Fe-Ga合金会随着缺口滴下。由于石英坩埚距离底座具有一定的距离，或是缺口没有对着实验铸件的入口，液态Fe-Ga合金会因滴落撞击而发生溅射，造成合金的损失，对实验称量影响很大。（3）由于石英坩埚与感应线圈之间有层石棉网，当缺口在侧面时，液态Fe-Ga合金在滴落过程会沾染石棉网，对实验后续称量造成影响。

石英坩埚内壁脱落对实验的影响：（1）脱落的石英块较小，熔炼时，由于液态Fe-Ga合金呈沸腾状态，且石英密度小于合金，所以石英块会被带动转移，在冷却凝固后夹杂在合金表层；浇铸时，细小的石英块会随着液态Fe-Ga合金通过石英坩埚底部小孔滴落，进入铸件中凝固。（2）脱落的石英块较大，在浇铸时可能阻塞石英坩埚底部小孔，造成液态Fe-Ga合金无法正常滴落，从而导致浇铸失败；甚至可能会因加热时间过久而导致石英坩埚炸裂。

3.2清洁工作

实验过程中，Fe-Ga合金的损失会以挥发和氧化烧损的形式存在，因此每次熔炼和浇铸前对材料表面的清洁工作很重要。在取材时，应首先对Fe块表面做清洁处理，去除氧化层。熔炼和浇铸前，必须对熔炼炉内壁进行打扫整理除杂，保证炉内干净干燥。

由真空熔炼感应炉的原理以及合金熔化是从表面开始的可知，如果这些残渣不处理，可能会由于残渣的问题而导致整个熔炼或浇铸过程因合金不熔化而失败。若残渣处理的不完全，会导致部分残渣在浇铸过程随着液态Fe-Ga合金进入制备的合金棒中。针对以上两种情况，都会对称量实验过程中Fe-Ga 合金的损失量造成影响，严重时甚至对探究Fe-Ga 合金的制备工艺造成误差。

3.3加热位置

真空感应熔炼炉是利用磁场感应涡流加热原理，在电流通过线圈产生磁场，产生的磁场通过石英坩埚内的金属时，会产生无数小涡流，使金属本身自行高速发热，从而迅速熔化融合，达到熔炼的目的。所以固定石英坩埚在感应线圈的位置时，要保证物料必须完全处于感应涡流中，否则很容易造成受热不均，进而影响熔炼和浇铸。在较偏下位置浇铸时，物料上部能够熔化且滴落到下部，合金液会因导热而温度降低、粘稠度增加，使得在进入铜模中流动性降低，形成图四的状况。而将固定位置上移，物料能够完全处在感应线圈中，就会使得物料能够完全受