真空感應(yīng)熔煉（Vacuum induction melting，簡稱VIM）在電磁感應(yīng)過程中會產(chǎn)生渦電流，使金屬熔化。此制程可用來提煉高純度的金屬及合金。主要包括真空感應(yīng)爐熔煉、懸浮熔煉和冷坩堝熔煉。由于在真空下熔煉容易將溶于鋼和合金中的氮、氫、氧和碳去除到遠比常壓下冶煉為低的水平，同時對于在熔煉溫度下蒸氣壓比基體金屬高的雜質(zhì)元素(銅、鋅、鉛、銻、鉍、錫和砷[shēn]等)可通過揮發(fā)去除，而合金中需要加入的鋁、鈦、硼及鋯等活性元素的成分易于控制。因此經(jīng)真空感應(yīng)熔煉的金屬材料可明顯地提高韌性、疲勞強度、耐腐蝕性能，高溫蠕變性能以及磁性合金的磁導(dǎo)率等多種性能。
熔煉設(shè)備
真空感應(yīng)爐包括電源輸入系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和爐體三大部分。
電源輸入系統(tǒng)
由于真空感應(yīng)爐設(shè)備投資較大，縮短熔煉周期以提高設(shè)備利用率就成為選擇電源功率的重要因素，通常選擇300～500kW熔煉每噸金屬；電源頻率的選擇主要考慮熔池能得到充分的攪拌以利于合金料熔化和精煉反應(yīng)的進行。為了得到充分的攪拌，有的感應(yīng)爐備有攪拌輔助電源；選擇較低輸入電壓，有利于解決真空下放電的絕緣問題。
真空系統(tǒng)
選擇真空系統(tǒng)首先應(yīng)考慮熔室初抽的時間及各閘閥隔離室抽空所需的時間，例如通常主熔煉室要求15min抽空至13.3N/m(即1×10Torr);然后考慮精煉期氣體排出量和對精煉期真空度的要求，這與選用的原材料種類、成分和對熔煉后合金成分的要求有很大關(guān)系；還要考慮外來氣體源，這對大型爐子更為重要，例如由各真空密封處密封不嚴引起的漏氣，坩堝、絕緣物、導(dǎo)流槽等耐火材料放氣，還有爐壁沉積的揮發(fā)物吸氣后的放氣等。通常允許熔煉前熔煉室漏氣加放氣達到每kg坩堝容量6.65×10-2～1.33×10-1 N.L/(m·s)。對爐體漏氣要求愈小愈好，因為同一真空度下漏氣大的爐子熔煉冶金效果差。通過在熔煉室安放便于清除揮發(fā)物的冷凝捕集器以及采用溫水冷卻爐壁可顯著減少熔煉時爐體受熱產(chǎn)生的大量放氣。
爐體結(jié)構(gòu)
往往根據(jù)用戶需要設(shè)計，因而是多種多樣。通常包括熔煉室和裝料及輔助設(shè)備兩大部分。(1)熔煉室。對小型真空感應(yīng)爐(<500kg/爐)通常選擇側(cè)傾坩堝澆注的結(jié)構(gòu)，在熔煉室內(nèi)澆注，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊。對工業(yè)規(guī)模用真空感應(yīng)爐(>1t/爐)也為側(cè)傾澆注；但鑄錠室與熔煉室經(jīng)真空閘閥隔開；坩堝與錠模之間經(jīng)過一個水平導(dǎo)流槽相連接；這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可以實現(xiàn)半連續(xù)冶煉、縮短冶煉周期，大大提高設(shè)備利用率。但設(shè)備投資會有一定增加。(2)裝料與輔助設(shè)備。有塊料、合金料與液態(tài)金屬等加料裝置設(shè)備，常用為前兩種。小爐的塊料打開爐蓋直接用手裝料；大型爐子為了使熔煉室連續(xù)保持真空，專用閘閥在坩堝上方建有加料室，用底開式吊籃通過加料機構(gòu)將塊料直接送入坩堝。(3)合金加料器。位于熔煉室之上，總?cè)萘考s為熔煉料的2%～10%，為多格分別貯料，通過真空閘閥與振動送料器將各種合金料于合適的熔煉期間分別加入坩堝內(nèi)的液態(tài)金屬中。(4)合金液取樣器。為了控制冶煉過程，必須在不同熔煉期間取樣分析合金成分與雜質(zhì)含量。取樣器可通過一小真空閥直接自熔池內(nèi)取樣，或者通過加料裝置閘閥自熔池中取樣。(5)測溫裝置。溫度是冶煉工藝的重要參數(shù)，使用輻射光學(xué)高溫計測溫，必須及時清除玻窗上的揮發(fā)物并對其進行校正；因此，標準的方法是用浸入式熱電偶測溫，它可通過專門真空閥門送入，或經(jīng)過加料室閘閥送入。除此之外，還有搗料桿、可移動坩堝蓋，錠模及導(dǎo)流槽等附屬設(shè)備。真空感應(yīng)熔煉設(shè)備以德國萊波特海拉斯(Leybold 賀利氏)公司和美國康薩克(Consarc)公司的產(chǎn)品較為先進。中國主要生產(chǎn)廠家為上海電爐廠、錦州電爐廠等。
熔煉工藝
真空感應(yīng)熔煉的熔煉工藝包 括坩堝的選擇與制備，爐料準備，熔化和精煉以及澆注等。
坩堝的選擇與制備
坩堝的壽命和坩堝與液態(tài)金屬相互作用直接影響設(shè)備的生產(chǎn)率和金屬成品的質(zhì)量。通常小爐選用預(yù)制坩堝；較大熔煉爐(>250kg)采用打結(jié)法制備坩堝較為經(jīng)濟。用得最廣泛地是不同純度的氧化鋁和氧化鎂為基的耐火材料，選用何種耐火材料取決于被熔合金的化學(xué)性質(zhì)。對熔點較低而又不與碳反應(yīng)的金屬，如鈾與銅，可選用石墨坩堝；對含化學(xué)活性多的合金則可選用氧化鈣或氧化釔穩(wěn)定化的二氧化鋯耐火材料。20世紀80年代真空感應(yīng)爐的坩堝材料有了重要發(fā)展，用水冷銅片鑲制坩堝可徹底免除坩堝與金屬液間反應(yīng)，從而可用真空感應(yīng)爐熔煉鈦、鋯等活性金屬；用預(yù)制氧化鈣坩堝可大大提高熔煉金屬的質(zhì)量。
爐料準備
真空感應(yīng)熔煉用的原材料需經(jīng)仔細化驗和選擇，如對在真空中不易去除的磷與硫的含量加以限制；經(jīng)過熔煉雖然可以脫除原料中含有的氧與氮等氣體，但寧肯花稍高的價格買低雜質(zhì)含量的原料，從而節(jié)省真空感應(yīng)凈化所需時間；同理，在使用返回料時必須清除氧化皮、油、脂及其他易揮發(fā)污物。
熔化與精煉
在第一批裝料中含有全部非活性合金元素，同時希望有一定量的碳，這樣在料熔化時碳可以充分脫氧，又起攪拌作用；相反在煉制超低碳合金時則配有過量氧以便在熔化期充分脫碳。熔化期要避免激烈沸騰造成金屬液強烈噴濺損失，必要時在熔化期通入一定壓力的氬氣以抑止金屬液沸騰。在精煉期應(yīng)注意熔池得到充分攪拌以利于金屬液成分均勻和各種冶金反應(yīng)的進行；精煉期溫度應(yīng)選擇適當(dāng)，溫度高有利于提高反應(yīng)速度，但溫度過高會由于金屬液與坩堝材料反應(yīng)加速，從而導(dǎo)致金屬液含氧量增高等不利影響；精煉期真空度應(yīng)達到抽氣設(shè)備實際的最高值，通常在1.33～0.13 N/m(之間，以發(fā)揮真空冶煉的優(yōu)勢，只有在煉制需要加入易揮發(fā)合金元素時才通入氬氣阻止揮發(fā)損失；一般活性合金組元在金屬液充分脫氧后加入，然后調(diào)整熔池溫度準備澆注。
澆注
澆注工藝直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。首先是精確控制澆注溫度，選擇澆注溫度應(yīng)使金屬液具有良好流動性，但不要使金屬液過熱導(dǎo)致燒傷模壁及冷凝產(chǎn)生的二次夾雜增多等缺點。其次采取措施防止浮渣等進入鑄模，使用帶擋渣板的導(dǎo)流槽能得到良好效果;80年代研制出的各種泡沫陶瓷過濾器，對高溫合金起到明顯減小夾雜的凈化效果。為了填充鑄錠縮孔，可使用發(fā)熱保溫帽、絕熱保溫帽、電弧加熱和感應(yīng)加熱等辦法。
發(fā)展與展望
在20世紀40年代真空感應(yīng)熔煉主要煉制加熱用電阻合金，它純凈度高、拔絲容易；同時也用于生產(chǎn)軟磁合金。60年代以來，中國邵象華、美國埃里奧特(Elliott J.F.)和蘇聯(lián)薩馬林(Cамарин A.M.)等對真空冶金物理化學(xué)作了較全面的評述并進行了多方面的研究。真空冶煉在金屬的純化、成分控制、性能改進及潔凈度等方面有明顯的效果。在60年代以后真空感應(yīng)熔煉又增加了超高強度鋼、超純鐵素體不銹鋼及電子工業(yè)用高純靶材等產(chǎn)品。對于合金性能要求很高的材料常常采用真空感應(yīng)熔煉與真空電弧重熔或電渣重熔雙聯(lián)冶煉工藝，這時真空感應(yīng)爐煉制電極，由真空電弧爐或電渣爐重熔成錠，這種雙聯(lián)冶煉出的錠子成分控制精確，雜質(zhì)含量低，夾雜少而且具有良好鑄錠組織改善加工成型性能。
真空感應(yīng)熔煉今后在下述四個方面仍將獲得廣泛應(yīng)用：(1)熔煉要求成分控制精確、純度高、夾雜少的合金。如基高溫合金、超高強度馬氏體時效鋼、超純鐵素體不銹鋼及高純金屬等；(2)回收貴重合金料，如鎳基合金、高合金不銹鋼等；(3)生產(chǎn)無余量加工的精密鑄造件；(4)用水冷銅片鑲制坩堝與氧化鈣坩堝熔煉活性金屬合金如鈦、鋯等。
參考資料 >