真空感應熔煉技術的發展與趨勢

2021-12-20

隨著現代工業技術的飛速發展，人們對機械零件的使用要求越來越高，越苛刻的使用環境對金屬材料的耐高溫、耐磨、耐疲勞等性能提出了更高的要求。 .

對於某些特定的金屬或合金材料，無論是前期的研發試驗還是後期的量產和投入使用，研究或獲得高性能金屬合金材料都需要金屬冶煉設備、表面熱處理設備等的支持。在許多特殊的加熱或冶煉方法中，感應加熱技術用於冶煉和製備金屬材料或在一定過程中對材料進行燒結和熱處理，發揮了至關重要的作用。

本文介紹了真空感應熔煉技術的發展歷程以及感應熔煉技術在不同場合的應用。根據不同真空感應爐類型的結構，比較其優缺點。展望真空感應爐未來的發展方向，闡述其發展趨勢。真空感應爐的發展和進步主要體現在設備整體結構的逐步完善、模塊化趨勢日益明顯和控制系統更加智能化。

1、真空感應熔煉技術

1.1 原理

__kindeditor_temp_url__感應加熱技術通常是指利用電磁感應原理，對磁敏性較好的材料獲得感應電流，以達到在真空條件下加熱目的的技術。電流以一定頻率通過圍繞金屬材料的電磁線圈。變化的電流會產生感應磁場，從而在金屬中產生感應電流並產生大量熱量來加熱材料。當熱量較低時，可用於真空感應熱處理等工藝。當熱量高時，產生的熱量足以熔化金屬，可用於製備金屬或合金材料。

1.2、應用

1.2.1、真空感應熔煉

真空感應熔煉技術是目前加熱金屬材料最高效、最快速、低耗、節能、環保的感應加熱技術。該技術主要應用於感應熔煉爐等設備，應用範圍廣泛。將固體金屬原材料放入由線圈包裹的坩堝中。當電流流過感應線圈時，會產生感應電動勢，在金屬電荷內部產生渦流。當電流熱量大於金屬爐料的散熱速率時，熱量積聚越來越多，達到一定程度時，金屬從固態熔化到液態，從而達到熔煉金屬的目的。在這個過程中，由於整個過程在真空環境中進行，有利於去除金屬內部的氣體雜質，得到的金屬合金材料更加純淨。同時，在熔煉過程中，通過控制真空環境和感應加熱，可以調節熔煉溫度，及時補充合金金屬，達到精煉的目的。在熔煉過程中，由於感應熔煉技術的特點，坩堝內的液態金屬材料可以通過電磁力的相互作用自動攪拌，使成分更加均勻。這也是感應熔煉技術的一大優勢。

與傳統冶煉相比，真空感應冶煉具有節能、環保、工人工作環境好、勞動強度低等優點。採用感應熔煉技術，最終合金材料雜質少，合金加入比例更合適，能更好地滿足工藝對材料性能的要求。

真空感應熔煉技術已經大規模應用，從用於實驗研究的數公斤感應爐到用於實際生產的數十噸的大型感應爐。由於其操作工藝簡單，熔化過程容易控制，熔化溫度快。，冶煉金屬具有成分均勻等優點，應用前景廣闊，近年來得到迅速發展。

1.2.2、真空感應燒結

真空燒結是指在真空度為（10-10-3Pa）的環境中，在熔點以下的溫度下，將金屬、合金或金屬化合物粉末燒結成金屬製品和金屬坯料。真空條件下燒結，金屬與氣體無反應，不受吸附氣體影響。不僅緻密化效果好，還能起到淨化還原作用，降低燒結溫度，常溫燒結比可降低100℃～150℃，節約能耗，提高燒結爐的使用壽命，獲得高質量的產品。

對於某些材料，需要通過加熱的原子轉移來實現粒子間的結合，而感應燒結技術在這個過程中起到了加熱的作用。真空感應燒結的優點是有助於在真空條件下減少大氣中的有害物質（水蒸氣、氧氣、氮氣等雜質），避免脫碳、滲氮、滲碳、還原、氧化等一系列反應. 在此過程中，孔隙中的氣體量減少，氣體分子的化學反應減少。同時，在材料出現在液相之前就去除了材料表面的氧化膜，使材料在熔融結合時結合得更加緊密，提高了其耐磨性。力量。此外，真空感應燒結對降低產品成本也有一定的作用。

因為在真空環境中氣體含量比較低，熱的對流和傳導可以忽略不計。熱量主要從加熱元件以輻射的形式傳遞到材料表面。選擇是根據具體的燒結溫度和材料的物理和化學性能。合適的加熱元件也很重要。與真空電阻加熱相比，感應燒結採用中頻功率加熱，在一定程度上避免了採用電阻加熱的真空爐的高溫隔熱問題。

目前，感應燒結技術主要應用於鋼鐵和冶金領域。此外，在特殊陶瓷材料上，感應燒結增強了固體顆粒的結合，幫助晶粒長大，壓縮空隙，進而增加密度，形成緻密的多晶燒結體。感應燒結技術在新材料的研究中也得到越來越廣泛的應用。

1.2.3、真空感應熱處理

目前應該有更多的感應熱處理技術，主要集中在感應淬火技術。將工件放入感應器（線圈）中，當一定頻率的交流電通過感應器時，其周圍就會產生交變磁場。交變磁場的電磁感應在工件中產生閉合渦流。由於趨膚效應，即感應電流在工件截面上的分佈很不均勻，工件表面的電流密度很高，向內逐漸減小。

工件表面高密度電流的電能轉化為熱能，使表面溫度升高，即實現表面加熱。電流頻率越高，工件表面與內部的電流密度差越大，加熱層越薄。加熱層溫度超過鋼的臨界點溫度後，迅速冷卻，實現表面淬火。由感應加熱原理可知，通過調節通過感應線圈的電流頻率，可以適當改變電流的穿透深度。深度可調也是感應熱處理的一大優勢。但感應淬火技術適應性差，不適用於復雜的機械工件。淬火工件表層雖然具有較大的壓內應力，但其抗疲勞斷裂能力較高。但只適用於簡單工件的流水線生產。

目前，感應淬火技術的應用主要用於曲柄的表面淬火。軸s 和 cam軸s 在汽車行業。這些零件雖然結構簡單，但工作環境惡劣，具有一定的耐磨性、抗彎曲性、耐磨損性能。疲勞要求，通過感應淬火提高其耐磨性和抗疲勞性也是滿足性能要求的最合理的方法。它廣泛應用於 表面處理 汽車工業中的某些零件。

2、真空感應熔煉設備

真空感應熔煉設備採用感應熔煉技術，通過機械結構的匹配，在實際使用中實現原理。該設備通常利用電磁感應原理，將感應線圈和物料放入一個密閉的腔體中，通過抽真空系統將容器內的氣體抽出，然後利用電源使電流通過感應線圈，產生感應電動勢，在材料內部形成漩渦，當發熱達到一定程度時，材料開始熔化。在熔煉過程中，通過設備上的其他配套部件實現功率控制、測溫、真空測量、補加料等一系列操作，最後通過坩堝倒置將液態金屬倒入模具中，形成金屬錠。冶煉。真空感應熔煉設備的主要結構包括以下幾部分：

除上述部件外，真空熔煉爐還應配備電源、控制系統、冷卻系統，為設備熔化材料提供能量輸入，並對關鍵部位提供一定的冷卻。以防止系統過熱而導致結構壽命縮短或損壞。對於有特定工藝要求的感應冶煉設備，有相關的輔助部件，如傳動小車、爐門開閉、離心澆鑄盤、觀察窗等。對於雜質較多的設備，還應配備氣體過濾器系統等。可見，一套完整的感應熔煉設備除了必要的部件外，還可以根據具體的工藝要求，通過添加其他部件來實現不同的功能，為金屬製備提供便利的條件和實施方法。

2.1. 真空感應熔煉爐

真空感應熔煉爐是先在真空下通過感應加熱將金屬熔化，然後將液態金屬倒入模具中得到金屬錠的冶煉設備。真空感應爐的發展始於1920年左右，主要用於冶煉鎳鉻合金。直到二戰推動了真空技術的進步，真空感應熔煉爐才真正得到發展。這一時期，由於對合金材料的需求，真空感應熔煉爐不斷向大型化發展，從最初的幾噸到幾十噸的超大型感應爐。為適應大批量生產，除了設備容量的變化，感應爐的結構也從以循環為單位的循環爐發展到連續或半連續真空感應熔煉，用於裝料、模具製備、冶煉和澆注操作。連續運行無需停爐，節省了裝料時間和等待鋼錠冷卻的時間。連續生產提高了效率，也增加了合金產量。更好地滿足實際生產的需要。與國外相比，我國早期的真空感應爐容量較小，主要在2噸以下。大型冶煉爐仍依賴國外進口。隨著近幾十年的發展，我國也可以自行發展大規模真空感應冶煉。爐，最大冶煉量達十餘噸。 VIM真空感應熔煉爐發展較早，結構簡單，使用方便，維護成本低，在實際生產中得到廣泛應用。

真空感應熔煉爐的基本形式。金屬材料通過可旋轉的轉台添加到熔化坩堝中。另一面與坩堝對齊，通過將熱電偶向下插入熔融金屬中來實現溫度測量。熔煉後的金屬由迴轉機構帶動，注入成型模具，實現金屬的熔煉。整個過程簡單，操作方便。每次冶煉都需要一兩個工人來完成。在冶煉過程中，可以實現對材料成分的實時溫度監控和調整，最終金屬材料更符合工藝要求。

2.2. 真空感應膜式燃氣爐

對於某些材料，在此過程中不需要在真空室中完成澆注，只需在真空環境中保溫和脫氣即可。在VIM爐的基礎上，逐步發展出VID脫氣爐真空感應膜式煤氣爐。

真空感應脫氣爐的主要特點是結構緊湊，爐膛體積小。更小的體積更有利於快速抽氣和更好的真空度。該設備與常規脫氣爐相比，體積較小，溫度損失小，靈活性和經濟性較好，適用於液體或固體加料。 VID爐可用於特殊鋼和有色金屬的冶煉和脫氣，需要在大氣環境或保護氣氛條件下澆注到模具中。整個冶煉過程可實現物料的脫碳精煉、脫氫、脫氧、脫硫等雜質的去除，有利於精確調整化學成分，滿足工藝要求。
在一定的真空條件或保護氣氛下，通過感應脫氣爐的加熱使金屬材料逐漸熔化，在此過程中可以去除內部氣體。如果在該過程中加入適當的反應氣體，它會與金屬內部的碳元素結合生成氣態碳化物，從爐中除去，達到脫碳精煉的目的。在澆注過程中，需要引入一定的保護氣氛，以保證已經脫氣的金屬材料與大氣中的氣體隔離，最終完成金屬材料的脫氣精煉。

2.3. 真空感應脫氣澆注爐

真空感應脫氣澆注爐是在前兩種冶煉技術的基礎上發展起來的。 1988年，德國ALD公司的前身Leybold-Heraeus製造了第一台VIDP爐。這種爐型的技術核心是一個集成了感應線圈坩堝的緊湊型真空熔煉室。它只比感應線圈大一點，只包含感應線圈和坩堝。電纜、水冷管路和液壓翻轉機構均安裝在熔煉室外。其優點是保護電纜和水冷管道免受鋼水飛濺和溫度和壓力的周期性變化造成的損壞。由於拆卸方便，便於更換坩堝，VIDP爐殼配備三個爐體。製備坩堝爐襯縮短了生產週期，提高了生產效率。

爐蓋通過真空密封支撐在爐架和兩個液壓缸柱上軸承s。澆注時，兩個液壓缸頂在側面的爐蓋上，爐蓋帶動熔化室繞真空傾斜軸承. 在傾斜澆注狀態下，熔化室與感應線圈坩堝之間沒有相對運動。流道是VIDP爐的重要組成部分。由於VIDP爐的設計將熔煉室與鑄錠室隔離開來，鋼水必須通過真空流道進入鑄錠室。錠室開閉呈方形斜邊。它由兩部分組成。固定部分與流道室相鄰，活動部分沿地面軌道水平移動，完成鑄錠室的開啟和關閉。在某些設備中，活動部分設計成30度，左右向上打開，方便裝卸錠模和起重機的日常維護和維修。冶煉開始時，爐體由下方液壓機構提升，與爐體上部結構爐蓋接合，並用專用機構鎖緊。爐蓋上端通過真空與加料室相連閥.

由於僅將熔煉部分封閉在真空室中，通過導流槽倒出，爐體結構緊湊，熔煉室更小，真空度控制得更好更快。與傳統的感應熔煉爐相比，具有抽真空時間短、洩漏率低等特點。配備PLC邏輯控制系統，可實現理想的壓力控制。同時，電磁攪拌系統可以穩定地攪拌熔池，加入的元素會從上到下均勻地溶解在熔池中，保持溫度接近恆定。澆注時，流道由外部加熱系統加熱，減少澆口初期澆注堵塞和流道熱裂。通過加裝過濾擋板等措施，可減輕鋼水沖擊，提高金屬純度。由於VIDP爐體積小，真空洩漏檢測和維修更容易，爐內清潔時間更短。此外，爐內溫度可以用一個小型的、易於更換的熱電偶來測量。

2.4、感應水冷坩堝

水冷坩堝電磁感應真空懸浮熔煉法是近年來發展較快的一種熔煉方法。主要用於製備高熔點、高純度和極活潑的金屬或非金屬材料。通過將銅坩堝切割成等分的銅瓣結構，並通過每個瓣塊進行水冷，這種結構增強了電磁推力，使熔融金屬在中間被擠壓形成一個隆起並脫離坩堝壁。將金屬置於交變電磁場中。該裝置將容量集中在坩堝內部的體積空間，然後在爐料表面形成強大的渦流。一方面釋放焦耳熱使電荷熔化，另一方面形成洛倫茲力使熔化體懸浮並產生強烈的攪拌。添加的合金元素能快速均勻地混合在熔體中，使化學成分更均勻，溫度傳導更平衡。由於磁懸浮作用，熔體與坩堝內壁脫離接觸，防止坩堝污染熔體。同時，它減少了熱傳導，增強了熱輻射，減少了熔融金屬的散熱，達到了更高的溫度。對於添加的金屬爐料，可根據需要的時間和設定溫度進行熔化保溫，爐料無需提前處理。水冷坩堝熔煉在去除金屬夾雜物和脫氣精煉方面可以達到電子束熔煉的水平，同時蒸發損失更小，能耗更低，提高生產效率。由於感應加熱的非接觸加熱特性，對熔體的影響較小，對製備純度較高或極活潑的金屬有很好的效果。由於設備結構複雜，大容量設備仍難以實現磁懸浮冶煉。現階段還沒有大容量的水冷銅坩堝冶煉設備。目前的水冷坩堝設備僅用於小批量金屬冶煉的實驗研究。

三、感應熔煉設備未來發展趨勢

隨著真空感應加熱技術的發展，爐型也在不斷變化，以實現不同的功能。從簡單的冶煉或加熱結構，逐漸發展成能實現不同功能、更有利於生產的複雜結構。對於未來更複雜的工藝流程，如何實現精確的過程控制，測量和提取相關信息，盡可能降低人工成本，是感應熔煉設備的發展方向。

3.1、模塊化

在一套完整的設備中，針對不同的使用要求，配備了不同的部件。組件的每個部分都執行自己的功能，以達到自己的使用目的。對於某些爐型，增加某些模塊，使設備更加完善，例如配備完善的測溫系統，有助於觀察爐內物料隨溫度的變化，實現對溫度的更合理控制；配備質譜儀檢測材料成分調整添加合金元素的時間和順序，以提高合金在工藝開發階段的性能；配備電子槍、離子槍，解決部分難熔金屬熔化等問題。在未來的感應冶金設備中，不同模塊的不同組合，實現不同的功能，滿足不同的工藝要求，已成為發展的必然趨勢，也是不同領域的組合與借鑒。為了改進金屬冶煉工藝，獲得性能更好的材料，模塊化設備將具有更強的市場競爭力。

3.2.智能控制

與傳統冶煉相比，真空感應設備在實現過程控制方面具有很大的優勢。由於計算機技術的發展，人機界面的友好操作、智能的信號採集和設備中合理的程序設置，可以輕鬆達到控制冶煉過程的目的，降低人工成本，使操作更加簡單、方便。方便的。

在未來的發展中，更多的智能控制系統將加入到真空設備中。對於既定的工藝流程，人們將更容易通過智能控制系統精確控制熔煉溫度，在特定時間添加合金材料，完成熔煉、保溫、澆注等一系列動作。而這一切都將由計算機控制和記錄，減少人為錯誤造成的不必要損失。對於重複冶煉過程，可實現更便捷、更智能的現代控制。

3.3. 信息化

感應熔煉設備在整個熔煉過程中會產生大量的熔煉信息，感應加熱電源的實時參數變化、爐料、坩堝的溫度場、感應線圈產生的電磁場、金屬熔體的物理性質等。目前該設備僅實現簡單的數據採集，在冶煉完成後提取數據後進行分析處理。未來，信息化的發展、數據的收集處理、分析過程必然會與冶煉過程幾乎同步。完成冶金設備內部冶煉材料的數據採集，數據的計算機處理，實時顯示當前情況下設備內部溫度場和電磁場，信號傳輸，通過不同數據的實時反饋，方便人們對冶煉過程的實時觀察和調整，加強了人為乾預和控制。在冶煉過程中，及時進行調整，改進工藝，提高合金性能。