3.真空感应炉熔炼-西安建筑科技大学
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西安建筑科技大学 特种冶炼精品课程
3. 真空感应炉熔炼
冶金工程学院 主讲人：崔雅茹 李小明
3.1 概述
真空感应熔炼（vacuum induction melting,简称 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来进行熔炼的方法。
新型真空感应脱气浇注VIDP，具有熔炼体积小，
40CrNiMo(SAE4340)，(C：0.42%；Mn：0.76%；Cr：0.77%；
Ni：1.67%；Mo：0.20%)
14
3.1.3 真空感wk.baidu.com炉熔炼的特点
不同熔炼方法生产的钢与合金中夹杂物含量
钢与合金
Cr20 Cr16Ni25W5AlTi2 氧化物夹杂/%
非真空感应炉
0.034～0.044 0.034 0.013～0.044
气体在钢中的溶解及其影响因素
双原子气体分子在熔融金属中的溶解度与气氛中气体的 分压力的平方根成正比；因而真空度越高，气体在金属 中溶解度越低；
16
在1600℃、PH2=100Kpa条件下, 合金元素对氢在熔融铁中的溶解 度的影响)
在1600℃、PN2=100Kpa条件下,合 金元素对氮在熔融铁中溶解度的影响
3
真空感应炉熔炼设备
4
ALD生产实验室用真空感应熔炼炉
基本设备为单室系统，含有一个可倾倒坩埚、一个垂直铸模室、一 个真空泵装置和一个冶炼电源。
冷坩埚 熔炼炉
从图看出，除了坩埚和炉体外，其他部分都与真空感应炉相同。冷 坩埚采用铜合金制成，中间通水冷却，坩埚直径可以从0.06m到 lm，高度可达2.5m。整个冷坩埚是由数个中间带通水孔的矩形体 组成，这样增加了坩埚内矩形体之间的电阻，减少铜合金坩埚感应 产生环流。
（2）装料要求
下层紧密，上层较松，防止架桥； 根据金属料物化特性装在不同温度分布区域；
19
3.3.2 熔化期
当装料完毕后，封闭真空室，开始抽真空。 当真空室压力达到0.67Pa时,便可送电加热炉料。 考虑到炉料在熔化过程中的放气作用,熔化初期不要求 输入最大功率。而是根据炉料的放气情况，逐渐增大 功率，避免大量放气造成喷溅。 当出现剧烈沸腾或喷溅时，可采取减少输入功率或适 当提高熔炼室压力的办法加以控制。 熔池熔清的标志是：熔池表面平静，无气泡逸出。可 转入精炼期。
抽真空时间和熔炼周期短，便于温度压力控制、易 于回收易挥发元素和成分控制准确等特点； 自1988年出现以来，被发达国家列为大型真空 感应炉的重点选择对象。
2
3.1 概述
3.1.1 真空感应炉设备
真空感应炉设备按照作业方式分为：间歇式炉子、半连续 和连续式作业的炉子。 真空感应炉配套的设备可以分为电源及电气控制系统、 炉体、真空系统、水冷系统。见下图：
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真空系统原理图
3.1.3真空感应炉熔炼的特点
产品的气体含量低、纯洁度高； 能精确控制产品成分的含量； 对原材料的适应性强； 可在真空条件下浇注成锭，也可浇注成复杂形状的铸件；
所存在的问题：
熔炼过程中，熔融金属长时间地与坩埚耐火材料接触，存 在耐火材料玷污金属的问题； 其次在熔炼的金属液的凝固也和一般的浇注方法没大区别， 存在疏松偏析等缺陷。
VIM-VCC
在惰性气体中利用 垂直连续铸造技术 进行真空感应熔炼； 防止铸造的线材、 棒材或条材的表面 发生氧化 ；
带有真空倾炉装置的VIDP熔炉
88年德国ALD公司的前身莱 宝-海拉斯(Leyboldheraeus) 公司开始制造 VIDP炉。 其技术核心是一个与感应圈 坩埚一体的、紧凑体积的真 空熔炼室。 它只比感应圈大一点，仅含 感应圈和坩埚。电缆和水冷 管线以及液压倾转机构都安 装在熔炼室外。 可延伸至在真空或保护气体 中进行熔炼和铸造。
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3.1.3 真空感应炉熔炼的特点
不同熔炼方法生产的SAE4340钢中气体含量
冶炼方法 炉料 电弧炉 非真空感应炉 真空感应炉 w[O]/% 0.0251 0.0031 0.0030 0.0003 W[H]/% 0.00018 0.00017 0.00010 0.00001 W[N]/% 0.0029 0.0039 0.0053 0.0005
3.1.2 真空感应炉的电源
对真空感应炉的电源有如下要求：
（1）感应器端的电位低； （2）防止高次谐波进入负载电路； （3）震荡回路的电流大；
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3.1.2 真空感应炉的炉体结构
常规真空感应炉基本结构按照炉体的启闭形式， 可分为单室立式炉和两室卧室炉。 真空感应炉的炉体部分：炉壳、感应器、坩埚、 倾炉机构、浇注系统、真空系统、水冷系统和送 电装置。 炉体上安装有装料、捣料测温、取样等附属装 置。 真空感应炉的最大特点是：冶炼和浇注过程在 炉壳内进行；
VIDP炉可配置3个炉体，作业中一个熔炼，一个接受预热，另 一个制备坩埚炉衬，缩短了生产周期，提高了生产率 。
1999年安装在英国ross & catherall公司的8tVIDP炉，熔炼 室左侧是常规圆棒铸锭室，右侧安装水平连铸机。 高质量的高温合金或特种钢、临界铜合金和无氧铜。
3.1 概述
真空感应炉
0.006～0.010 0.006 0.003～0.010
Cr10Ni65W5Mo5VAl2
0.012 0.006～0.010
0.0046 0.005～0.010
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3.2 真空熔炼的理论基础
真空下的碳脱氧
真空下碳的脱氧能力随着真空度的提高而大幅度增加。 1600℃条件下 ，当真空度为10-3atm时，碳的脱氧能力已 经超过铝；当系统 真空度为10-5atm 时，碳的脱氧能力 是大气条件下的105倍； 真空下主要利用碳脱氧；
20
3.3.3 精炼期
主要任务：提高液态金属的纯洁度及进行合金化；
(H2、N2的溶解度单位是质量百分比）
3.3真空感应炉冶炼工艺过程
整个周期可分为以下几个阶段： 装料 ； 送电熔化； 精炼； 合金化：成分的调整 ； 出钢浇注；
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3.3.1 装料 （1）原料要求
入炉料的化学成分要准确； 金属料清洁干燥、无油、少锈； 合适的料块尺寸； 干燥处存放；
3. 真空感应炉熔炼
冶金工程学院 主讲人：崔雅茹 李小明
3.1 概述
真空感应熔炼（vacuum induction melting,简称 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来进行熔炼的方法。
新型真空感应脱气浇注VIDP，具有熔炼体积小，
40CrNiMo(SAE4340)，(C：0.42%；Mn：0.76%；Cr：0.77%；
Ni：1.67%；Mo：0.20%)
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3.1.3 真空感wk.baidu.com炉熔炼的特点
不同熔炼方法生产的钢与合金中夹杂物含量
钢与合金
Cr20 Cr16Ni25W5AlTi2 氧化物夹杂/%
非真空感应炉
0.034～0.044 0.034 0.013～0.044
气体在钢中的溶解及其影响因素
双原子气体分子在熔融金属中的溶解度与气氛中气体的 分压力的平方根成正比；因而真空度越高，气体在金属 中溶解度越低；
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在1600℃、PH2=100Kpa条件下, 合金元素对氢在熔融铁中的溶解 度的影响)
在1600℃、PN2=100Kpa条件下,合 金元素对氮在熔融铁中溶解度的影响
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真空感应炉熔炼设备
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ALD生产实验室用真空感应熔炼炉
基本设备为单室系统，含有一个可倾倒坩埚、一个垂直铸模室、一 个真空泵装置和一个冶炼电源。
冷坩埚 熔炼炉
从图看出，除了坩埚和炉体外，其他部分都与真空感应炉相同。冷 坩埚采用铜合金制成，中间通水冷却，坩埚直径可以从0.06m到 lm，高度可达2.5m。整个冷坩埚是由数个中间带通水孔的矩形体 组成，这样增加了坩埚内矩形体之间的电阻，减少铜合金坩埚感应 产生环流。
（2）装料要求
下层紧密，上层较松，防止架桥； 根据金属料物化特性装在不同温度分布区域；
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3.3.2 熔化期
当装料完毕后，封闭真空室，开始抽真空。 当真空室压力达到0.67Pa时,便可送电加热炉料。 考虑到炉料在熔化过程中的放气作用,熔化初期不要求 输入最大功率。而是根据炉料的放气情况，逐渐增大 功率，避免大量放气造成喷溅。 当出现剧烈沸腾或喷溅时，可采取减少输入功率或适 当提高熔炼室压力的办法加以控制。 熔池熔清的标志是：熔池表面平静，无气泡逸出。可 转入精炼期。
抽真空时间和熔炼周期短，便于温度压力控制、易 于回收易挥发元素和成分控制准确等特点； 自1988年出现以来，被发达国家列为大型真空 感应炉的重点选择对象。
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3.1 概述
3.1.1 真空感应炉设备
真空感应炉设备按照作业方式分为：间歇式炉子、半连续 和连续式作业的炉子。 真空感应炉配套的设备可以分为电源及电气控制系统、 炉体、真空系统、水冷系统。见下图：
11
真空系统原理图
3.1.3真空感应炉熔炼的特点
产品的气体含量低、纯洁度高； 能精确控制产品成分的含量； 对原材料的适应性强； 可在真空条件下浇注成锭，也可浇注成复杂形状的铸件；
所存在的问题：
熔炼过程中，熔融金属长时间地与坩埚耐火材料接触，存 在耐火材料玷污金属的问题； 其次在熔炼的金属液的凝固也和一般的浇注方法没大区别， 存在疏松偏析等缺陷。
VIM-VCC
在惰性气体中利用 垂直连续铸造技术 进行真空感应熔炼； 防止铸造的线材、 棒材或条材的表面 发生氧化 ；
带有真空倾炉装置的VIDP熔炉
88年德国ALD公司的前身莱 宝-海拉斯(Leyboldheraeus) 公司开始制造 VIDP炉。 其技术核心是一个与感应圈 坩埚一体的、紧凑体积的真 空熔炼室。 它只比感应圈大一点，仅含 感应圈和坩埚。电缆和水冷 管线以及液压倾转机构都安 装在熔炼室外。 可延伸至在真空或保护气体 中进行熔炼和铸造。
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3.1.3 真空感应炉熔炼的特点
不同熔炼方法生产的SAE4340钢中气体含量
冶炼方法 炉料 电弧炉 非真空感应炉 真空感应炉 w[O]/% 0.0251 0.0031 0.0030 0.0003 W[H]/% 0.00018 0.00017 0.00010 0.00001 W[N]/% 0.0029 0.0039 0.0053 0.0005
3.1.2 真空感应炉的电源
对真空感应炉的电源有如下要求：
（1）感应器端的电位低； （2）防止高次谐波进入负载电路； （3）震荡回路的电流大；
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3.1.2 真空感应炉的炉体结构
常规真空感应炉基本结构按照炉体的启闭形式， 可分为单室立式炉和两室卧室炉。 真空感应炉的炉体部分：炉壳、感应器、坩埚、 倾炉机构、浇注系统、真空系统、水冷系统和送 电装置。 炉体上安装有装料、捣料测温、取样等附属装 置。 真空感应炉的最大特点是：冶炼和浇注过程在 炉壳内进行；
VIDP炉可配置3个炉体，作业中一个熔炼，一个接受预热，另 一个制备坩埚炉衬，缩短了生产周期，提高了生产率 。
1999年安装在英国ross & catherall公司的8tVIDP炉，熔炼 室左侧是常规圆棒铸锭室，右侧安装水平连铸机。 高质量的高温合金或特种钢、临界铜合金和无氧铜。
3.1 概述
真空感应炉
0.006～0.010 0.006 0.003～0.010
Cr10Ni65W5Mo5VAl2
0.012 0.006～0.010
0.0046 0.005～0.010
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3.2 真空熔炼的理论基础
真空下的碳脱氧
真空下碳的脱氧能力随着真空度的提高而大幅度增加。 1600℃条件下 ，当真空度为10-3atm时，碳的脱氧能力已 经超过铝；当系统 真空度为10-5atm 时，碳的脱氧能力 是大气条件下的105倍； 真空下主要利用碳脱氧；
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3.3.3 精炼期
主要任务：提高液态金属的纯洁度及进行合金化；
(H2、N2的溶解度单位是质量百分比）
3.3真空感应炉冶炼工艺过程
整个周期可分为以下几个阶段： 装料 ； 送电熔化； 精炼； 合金化：成分的调整 ； 出钢浇注；
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3.3.1 装料 （1）原料要求
入炉料的化学成分要准确； 金属料清洁干燥、无油、少锈； 合适的料块尺寸； 干燥处存放；