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调研报告
摘 要
感应电炉：
利用感应电流在物料中流动过程中产生的热而把物料加热的一种电热设备。
其熔炼原理为：
利用交流电感应的作用，使坩埚内的金属炉料产生涡电流，依靠其焦耳热熔化炉料。
真空感应炉熔炼法：
真空感应炉是感应电炉的一种，在真空环境中进行加热的感应电炉设备。
在金属罩壳或石英玻璃罩密封的炉膛中用管道与高真空泵系统联接。
主要用于生产宇航、导弹、火箭、原子能和电子工业等领域所需的高温合金、超高强度钢、不锈钢以及其他特殊用途的合金。
真空感应炉冶炼所用的原材料有：
钢铁料、合金料、特种添加剂等。
真空感应炉熔炼的工艺包括：
装料、熔化、精炼、出钢和浇注。
其中钢液成分的主要调整过程是精炼。
在精炼过程进行金属的脱氧、脱气、去除挥发性有害微量元素等反应、调整熔池的温度与进行合金化等任务。
关键词：
真空感应炉；精炼工艺
目 录
摘 要1
引言4
1[真空感应炉简介]5
1.1[感应电炉的熔炼原理]5
1.2[真空感应炉出现的背景]6
1.3[真空感应炉的发展]6
1.4[真空感应炉的特点]6
1.5[真空感应炉的应用]6
2[真空感应炉所用炉料]7
2.1[原材料的种类]7
2.1.1[钢铁料]7
2.1.2[合金料]7
2.1.3[特种添加剂]8
2.2[对原材料的要求]8
3[真空感应炉熔炼的工艺过程]9
3.2[装料]9
3.2[熔化]9
3.2.1[熔池沸腾现象]9
3.2.2[熔化功率、速度的控制]9
3.2.3[炉料的补加]10
3.3[精炼]10
3.3.1[脱氧、脱碳原理]10
3.3.2[去非金属夹杂物原理]11
3.3.3[合金化情况]11
3.3.4[坩埚反应]11
3.3.5[精炼工艺流程]12
3.3.6[精炼过程参数控制]12
3.4[出钢和浇注]13
总结................................................................................................................................15
参考文献............................................................................................................................15
致谢..................................................................................................................................15
引 言
2012.8.13—2012.9.7日，我们将进行为期近一个月的生产实习，参观的企业是北京北冶功能材料有限公司。
北冶公司以膨胀合金、永磁合金、软磁合金、弹性合金、高温耐蚀合金、双金属带材等精密合金为主打产品，依靠其技术的先进、产品定位的准确而获得了良好的经济效益。
本篇报告以北冶公司冶炼这些精密合金的设备----真空感应炉为中心，介绍了真空感应炉的原理、发展、特点、应用、冶炼工艺流程等方面的相关知识。
目前北冶公司的拥有的真空感应炉设备包括：
500公斤真空感应炉，200公斤真空感应炉，50公斤真空感应炉，25公斤真空感应炉。
由此也可看出北冶公司对各种批量的精密合金生产，尤其是中小批量的生产，有着比较全面的设备。
由于不久将进入工厂进行观摩学习，为了为参观做好准备，本篇报告以冶炼的工艺流程为最主要内容，铺展开来进行详细阐述，并写出了工艺流程操作中的一些注意事项。
1[真空感应炉简介]
1.1[感应电炉的熔炼原理]
感应电路的基本电路图如图一。
感应线圈一般由紫铜管绕制而成。
通电时，在线圈内产生极性瞬间变化的交变电场，根据法拉第电磁感应定律，线圈周围感应出交变的磁场，将金属等被加热物体放置在线圈内，磁束就会贯通整个被加热物料块，变化的磁场导致被加热物体磁通量的变化，于是在被加热物料块的内部，会产生加热电流方向相反的涡电流，见图二。
由于各物料块之间相互接触，电流便会在物料块之间流动，形成闭合回路，且物料块之间点接触存在较大电阻，根据焦耳热定律，此时炉料会有很大的热功率，产生很多的焦耳热，使物体自身的温度迅速上升，以达到对其进行加热的目的。
【1】
图1、感应电炉的基本电路
图二感应线圈与坩埚图示
1.2[真空感应炉出现的背景]
为了保证材料在使用条件下具有稳定和可靠的性能，在熔炼过程中要求将各合金成分控制在尽可能窄的范围内。
对于不活泼的元素如镍、铬、钴、钨、钼等元素来说，实现这一点没有太大的困难。
但是对于如铝、钛、锆、硼和稀土等活泼元素则相当困难。
若在大气中熔炼，由于炉气中氧势高，氮的分压力大，要精确控制这类活泼元素的含量甚至是不可能的。
为此，只有将熔炼置于与大气隔绝的环境中进行。
在钢和合金的生产中，真空感应炉熔炼就是一种最常用的与大气隔绝的熔炼方法。
【2】
1.3【真空感应炉的发展】
真空感应炉的发展可以追溯到20世纪20年代，大约在1926年，最先兴起于德国。
德国安装了2台4t的炉子，投入了工业应用。
第二次世界大战后各国经过经济恢复，特别是在50年代末以后，在航空、军工工业的推动下，需求大量的高强度耐高温合金，真空感应炉得到了较快的发展。
2002年4月德国哈纳乌地区的ALD真空技术公司向德国蒂森克虏伯钢公司VDM分公司交付了生产能力为30t的全套真空感应熔炼及浇铸炉（简称VIDP炉），此套设备每次出炉的“钢水”量为20t或30t，是欧洲目前最大的真空感应熔炼炉。
美国拥有世界最大的真空感应炉，其容量达到60t，拥有的企业为美国威兰阀门公司。
目前，世界上精密铸造用真空感应炉超过了100座。
【3】
1.4【真空感应炉的特点】
（1）感应加热温度范围宽，既可以熔化高熔点金属，也可以用于低熔点金属；
（2）在真空条件下，其冶炼全过程避免了与大气接触而产生的污染，并且还原剂碳脱氧时产生的氧化物污染也容易被排除；（3）可以除去低熔点金属杂质和一些微量元素，消除二次氧化；（4）电磁力的强烈搅拌可使熔体的成分均匀；（5）电磁感应圈放在真空室内，其余设备放在真空室外，减小了真空室容
1.5【真空感应炉的应用】
早在二十年代，真空感应炉就用来熔炼镍铬合金。
从五十年代开始，为了适应喷气式发动机部件的质量要求，真空感应炉熔炼法被用于生产耐热钢和高温合金，从而得到迅速发展。
这种真空熔炼法不仅可用于生产钢或合金锭，还可用于生产精密铸件，以及浇注成自耗电极的母材，此母材可直接作为电渣炉、真空自耗电弧炉的自耗电极。
真空感应炉普遍地用于熔炼高温合金、精密合金、高强度钢、特种不锈钢、滚珠轴承钢以及工具钢等。
2[真空感应炉所用炉料]
2.1[原材料的种类]
2.1.1【钢铁料】
包括生铁、工业纯铁、废钢、返回料。
（1）生铁：
主要用于配碳。
当熔炼含碳量高的钢和合金时，炉料中的碳主要是由生铁带入。
但是生铁中常含有硅、锰、磷、硫等其他元素，所以在配料计算时，不能忽略生铁所带入的其他元素量，特别是磷和硫。
（2）工业纯铁：
熔炼精密合金、高温合金、电热合金或低碳、超低碳合金钢时，常加入工业纯铁，以增加炉料中铁的含量，同时又不致使其他成分的含量（特别是碳的含量）有明显增加。
（3）废钢：
在钢与铁基合金熔炼的配料中，废钢是炉料组成的主体，所以要求其成分清楚、准确、清洁、于燥、少锈、块度合适。
感应炉熔炼所用的废钢，通常是指各种含碳量的碳素钢的废锭、短尺、铸余、冒口、锻轧过程中的切头和切尾，以及锻轧的
废次品，机械加工过程中的废次品，边角余料和车饱屑等。
一般不用社会上回收的各类杂废钢。
（4）返回料：
是指各种合金钢和合金在熔炼、浇注、热加工、机械加工等过程中所出现的废品或余料。
应用返回料的一项主要优点是充分利用废料中的合金元素，从而降低成本。
配料时，可选用同品种的返回料，也可选用近似品种的返回料。
返回料所用的比例取决于产品的种类及产品质量的要求。
对气体有严格要求的品种，或易形成氮化物的元素较高的品种，返回料的比例不宜过大。
对于不同品种返回料的具体比例，应通过试验来确定。
【2】
2.1.2【合金料】
感应炉熔炼中的合金料主要是作为合金元素的添加剂，其中有少部分的合金料还可作为脱氧剂、脱硫剂。
由于感应炉熔炼产品的多样化，所以所需合金料的品种更是多种多样。
在炼钢生产中，主要使用钨铁、钼铁和铌铁，镍、铬、钴及其铁合金，硅、锰及其合金等。
2.1.3【特种添加剂】
为改善钢或合金的某一方面的特殊性能，需要添加一些特殊元素。
例如，加磷提高钢的耐大气腐蚀和切削性能，以及提高金属液的流动性，加硫生产易削钢等。
2.2[对原材料的要求]
1．入炉料的化学成分应当准确。
所有入炉料的成分必须清楚、准确，特别是废钢和铁合金的成分更应该准确。
因为在感应炉熔炼中，钢液尤其是真空感应炉熔炼中，熔炼环境相对封闭，成分调节相对不便，废钢和铁合金作为冶炼的主要原材料，其成分直接影响着最终熔炼产品的成分，所以入料时成分必须明确。
2．金属料应保持清洁、干燥、无油污和少锈。
炉料上的油污、水分和锈蚀都是钢中气体的来源，特别是氢气的来源。
此外潮湿、多油的炉料在熔炼过程中加入，还会导致熔池喷溅、爆炸等事故发生。
对于有上述玷污的炉料，在使用前要求进行处理。
油污和水分一般通过烘烤去除，烘烤还可起到预热炉料的作用，从而加速熔化，缩短．冶炼时间。
可用喷丸或其他机械方法去除锈蚀。
这点对真空感应炉的熔炼工艺尤其重要。
【2】
3．合适的料块尺寸。
所有入炉料的块度大小都有一合适的范围。
对于造渣材料和熔炼过程中的添加料，其块度的大小只需考虑如何保证其熔化快、利用率高、加入方便即可。
然而，对于装料时装入的金属炉料，除上述三点外，还必须考虑如何保证在通电的最初阶段，就能输入尽可能大的功率，为此炉料的块度与感应炉电源的频率要求保持一定的对应关系（见表l）。
表1块料直径与电源频率的关系
电源频率，Hz
50
150
400
1000
2500
4000
8000
最佳料块直径，mm
219~437
126~252
77~154
48~96
30~60
24~49
18~36
4．干燥的存放场所各种炉料都必须存放在干燥的环境中，以免受潮吸收水分。
使用前的24至48小时，有些炉料（如石灰、萤石、铁合金等）还要求存放在于燥炉或烘烤炉内。
对于各种炉料要求按品种、化学成分分别堆放，并挂牌标明品种、成分和储存量。
对于具有放射性的某些稀土铁合金，则应按照专门技术规程的规定储存。
3【真空感应炉熔炼的工艺过程】
3.1【装料】
一般原则为：
（1）上松下紧，以保证能输人较大的功率和防止熔化时出现架桥；
（2）高熔点不易氧化的炉料装在高温区即坩埚的中、下部；（3）易氧化的炉料应在金属液脱氧良好及其真空度良好的条件下加人；
（4）少量或微量的合金元素用铝箔包好在精炼期加入；（5）易挥发的元素在熔炼室充氩提高压力之后加入。
【3】
3.2【熔化】
3.2.1【熔池沸腾现象】
在高真空条件下，由于气压差别，气体从炉料中析出，造成熔池沸腾，这对去除气体、非金属夹杂物以及蒸汽压较高的微量有害元素都是有益处的。
但是如果在高真空下快速熔化，会导致熔池强烈地沸腾，严重时会产生喷溅。
发生喷溅时，若炉料未全部融化，则会使坩埚上部形成一层凝固的金属硬壳，这层硬壳在今后的冶炼过程中很难熔化，从而造成一部分的炉料损失，使合金化时成分调整困难，妨碍出钢和浇注，对下一炉冶炼的成分亦有影响；若炉料已接近全部融化，则部分钢液和炉渣从坩埚中喷出，有可能烧坏真空室和真空室内的供电、供水等部件。
3.2.2【熔化功率、速度的控制】
在主要炉料已装入坩埚，一些补加材料也装入加料器后，开始抽真空。
当真空度达到要求时，开始送电熔化。
在熔化的过程中，考虑到上述的快速熔化可能导致的喷溅现象，在真空感应炉的熔化过程中，不再要求输入最大功率，而是根据金属炉料的不同特点，规定在熔化期逐级增加输入功率，保证炉料以适当的速度熔化。
一旦出现喷溅现象时，可立即采取降低熔化速度（减小输入炉子的功率）及提高熔炼室压力（调节真空阀门或充人一定量惰性气体）来控制。
3.2.3【炉料的补加】
当炉料不能一次装入时，余下的炉料应在坩埚内炉料熔化70%-80%时加入，待补加炉料开始发红时，再提高输入功率。
否则高温的金属熔池骤然加入冷料，冷料中的气体大量放出，就会引起严重的喷溅。
3.3【精炼】
3.3.1【脱氧、脱碳原理】
碳氧反应的化学反应方程式及平衡常数表达式见下图。
由于反应的平衡常数为只与温度有关的参数，所以在温度一定的条件下，脱氧常数（碳氧浓度积）随CO气压的减小而减小，相应的，钢液中氧的含量也越小。
这种真空下碳与氧反应，使得氧含量减小的作用成为真空碳脱氧作用。
并且随着降低，氧含量的降低，C的含量也相应降低，从而达到的脱碳的作用。
图三真空碳脱氧的原理
3.3.2【去非金属夹杂物原理】
真空环境下，钢中非金属夹杂物含量会降低，其原因有：
（1）由于碳的脱氧反应产物是CO气体，排除后不污染钢液，作为脱氧产物的氧化物夹杂自然会少；
（2）在真空处理时，氢与CO气泡上浮过程中吸附夹杂物，促使它们上浮；
（3）在低压下，提高钢液中碳的脱氧能力，同时可以还原钢中氧化物的夹杂；
（4）在真空处理时，钢液的运动搅拌，有利于夹杂物凝聚、长大及上浮；
（5）真空浇铸时，可防止二次氧化现象。
【3】
因此，真空处理可降低钢中夹杂物的含量，其中易被还原的MnO及SiO等夹杂物减少得最多。
由于钢液在真空处理过程中运动及搅拌，有利于较大颗粒夹杂物上浮，故残留在钢锭中夹杂物颗粒较非真空处理的颗粒有效。
3.3.3【合金化情况】
熔炼中的合金化就是向熔池添加所炼产品必须的合金元素，使产品成分达到最佳范围和各合金元素处于最佳的存在形态。
合金化过程的质量指标是回收率。
合金元素的回收率定义为：
所加入合金元素的量与处于要求存在形态的所加元素的量之间的比值（用质量百分数表示）。
在操作过程中，操作人员更为关心的是回收率的波动范围，希望回收率高的同时，回收率的波动范围尽量窄。
根据合金元素在熔炼过程中的烧损情况，可以将其分为三类：
回收率小于80％为活泼元素，属于这类的有稀土、铝、钛、锆、硼等；回收率为80～95％中等活泼程度的合金元素，如碳、硅、锰、铬、钒等，这类元素在熔炼中比较容易控制；回收率大于95％为不活泼元素，这类元素容易控制，属于这类的有铜、镍、钴、钨、钼、铌等。
3.3.4【坩埚反应】
真空感应炉熔炼所用的坩埚，通常选用高纯氧化物支撑，如氧化镁、氧化钙、镁铝晶尖石、氧化氯等。
在真空条件下，坩埚耐火材料与金属液的相互作用，耐火材料中的MexOy，发生分解，反应式为：
MexOy=x[Me]+y[O]。
坩埚反应既增加金属含氧量，又降低坩埚寿命。
（在常压下，此反应可忽略）
3.3.5【精炼工艺流程】
精炼期的主要任务是提高液态金属的纯洁度，为进一步合金化，特别是活泼元素的合金化创造条件。
所以，精炼过程进行着金属的脱氧、脱气以及去除挥发性有害微量元素等反应。
与此同时，还要调整熔池的温度和进行合金化。
熔化期结束后，对于高碳品种，可立即向熔池加入适量的块状石墨或其他高碳材料。
对于低碳品种，则利用金属液所含有的碳，用提高真空度的办法，促进真空下的碳脱氧。
随着真空度和熔池温度的提高，碳氧反应发展，并促进其他精炼反应的进行，使金属液的纯洁度不断提高。
当熔池脱氧情况良好，温度合适。
即可进行合金化操作。
先调整不很活泼的元素如铬、硅、钒等。
精炼后期，在充分脱氧和脱氮的条件下，加入活泼金属或微量元素。
加入的顺序一般为铝、钛、锆、硼、稀±、镁、钙等。
加入合金时应做到均匀、缓慢、以免产生喷溅。
加完一批材料后，应使用大功率搅拌1～2分钟，以加速合金的熔化和分布均匀。
由于锰的挥发性较强，一般在出钢前5~10分钟浇注。
【2】
3.3.6【精炼过程参数控制】
精炼过程中，需要控制的工艺参数主要有：
熔池温度、真空度、真空下保持时间等。
熔池温度：
即精炼温度，该温度明显地影响着坩埚内所进行的所有反应。
从脱气、真空下碳的脱氧、氮化物和氧化物夹杂的分解、有害微量元素的挥发等精炼反应的热力学和动力学的角度，提高精炼温度能促进这些精炼反应的进行，有利于取得最佳的精炼效果。
但过高的精炼温度会导致坩埚反应加剧，促进坩埚向金属液供氧发生。
同时，高温还会加速合金成分的挥发损失。
因此，在精炼期应严格控制熔池温度，通常熔池温度控制在所炼金属的熔点以上100℃。
但是，应该注意的是熔点是指熔池实际成分下金属的熔点。
调整熔池温度主要是通过控制输入功率来实现。
要求炉料熔化完毕后，逐渐提高熔池温度，直至达到要求的出钢温度。
升温速率的控制应保证与脱氧和合金化的操作同步，即当脱氧任务完成和合金成分已调整到控制要求的同时，正好达到出钢温度。
真空度：
提高真空度将促进碳的脱氧反应，随着一氧化碳气泡从金属熔池中的上浮排出，有利于非金属夹杂物的上浮。
同时，高的真空度还有利于氮化物的分解和微量有害元素的挥发。
但是，过高的真空度将导致坩埚反应的加剧，合金元素的损失增大。
所以精炼期的真空度并非愈高愈好。
对大型真空感应炉，精炼期的真空度通常控制在15一150Pa范围内。
而对小型炉，则为o．1—1Pa。
实际控制的真空度除与炉容量有关外，还取决于所炼的品种：
熔炼高温合金和精密合金时，要求较高的直空度，熔炼不锈钢和低合金钢时，真空度可以控制得低一些。
真空下保持时间：
所有精炼反应都有一定的速率，所以精炼时间愈长，反应进行就愈趋平衡。
对于CO，因有坩埚材料的供氧，所以金属熔池中的氧含量随精炼时间的变化取决于脱氧速率与供氧速率之和。
由图四可知，在真空保持的最初阶段，脱氧速率大于供氧速率，所以氧含量是下降的，到一定时间之后，供氧速串率大于脱氧速率，而使金属中氧量回升。
氧量达到最低值的时间，也就是真空保持的最合适时间。
该时间取决于所炼产品的成分、炉座的容量（容量越小，金属液与坩埚接触的比表面积越大）、真空度等。
一般情况下，200kg的炉座，精炼时间为10—15分钟，“左右的炉座约为60—loo分钟。
热装时还需适当延长。
图四纯铁液在真空下保持时间与【O】、【C】、【N】、【H】含量的关系（MgO坩埚）
3.4【出钢和浇注】
合金化结束后，坩埚中的金属液达到预定的成分和温度，真空室内的直空度也符合技术要求的规定，则可以出钢。
小型炉都直接上注入钢锭模内。
当容量较大时，也采用下注。
对于大型炉，除可采用直接浇注的方式外，还可先出钢在中间包内，再注入钢锭模中。
真空中浇注，铸锭容易发生气孔和偏析。
因此对钢锭模的管理要求十分严格，即必须正确地预热锭模和使用合适的锭模涂料，浇注时采用保温帽或绝热板。
浇注完毕后，铸锭在真空下凝固，根据锭的大小和钢种来确定保持时间。
对于体积收缩大的精密合金（如弹性合金、膨胀合金等），在浇注到保温帽时，即破真空，立即打开真空室加发热剂和保温剂，以免缩孔进入锭身。
对于成分复杂的高温台金，浇注后在真空下停留15～20分钟，再破真空。
对于大型连续式真空感应炉，铸锭可让它在真空下冷却。
总结
通过这篇报告的撰写，让我对真空感应炉冶炼的原理跟过程有了大致的了解，也对实际生产操作时应该注意的事项，比如如何选择原材料、如何装料、如何脱磷脱硫、如何去气、如何浇注等，在脑海里有了一定了印象，希望在实习的时候能够亲眼看到全过程，加深自己的认识。
参考文献
[1]孙殿君.真空冶金装置（四）—真空感应炉.真空科学与技术:
1985,5
（1）：
1.
[2]丁永昌.特种熔炼.北京：
冶金工业出版社，1995.
[3]韩至成.电磁冶金技术及装备.北京：
冶金工业出版社，2008.
致 谢
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