3.真空感应炉熔炼-西安建筑科技大学

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23.1概述真空感应熔炼（vacuuminductionmelting,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，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。33.1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：4真空感应炉熔炼设备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。ALD生产实验室用真空感应熔炼炉从图看出，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。冷坩埚熔炼炉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；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。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(Leybold-heraeus)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。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。103.1概述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；113.1.2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；真空系统原理图133.1.3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。14冶炼方法w[O]/%W[H]/%W[N]/%炉料0.02510.000180.0029电弧炉0.00310.000170.0039非真空感应炉0.00300.000100.0053真空感应炉0.00030.000010.0005不同熔炼方法生产的SAE4340钢中气体含量3.1.3真空感应炉熔炼的特点40CrNiMo(SAE4340)，(C：0.42%；Mn：0.76%；Cr：0.77%；Ni：1.67%；Mo：0.20%)15钢与合金氧化物夹杂/%非真空感应炉真空感应炉Cr200.034～0.0440.006～0.010Cr16Ni25W5AlTi20.0340.013～0.0440.0060.003～0.010Cr10Ni65W5Mo5VAl20.0120.006～0.0100.00460.005～0.010不同熔炼方法生产的钢与合金中夹杂物含量3.1.3真空感应炉熔炼的特点163.2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；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；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(H2、N2的溶解度单位是质量百分比）183.3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；19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；（1）原料要求3.3.1装料（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；203.3.2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。213.3.3精炼期主要任务：提高液态金属的纯洁度及进行合金化；目标：降低气体含量，去除有害杂质，使钢液成分合格；精炼期的温度：控制在所冶炼金属的熔点以上100℃。真空度：大型真空感应炉通常在15-150Pa；小型炉为0.1-1Pa。精炼时间：200kg的炉座为15-25分钟；1吨左右为60-100min。223.3.3合金化合金化即成分的调整，是在脱氧和脱气良好的情况下进行的，通过添加合金元素来实现。由对合金性能的要求决定添加元素的种类及数量，根据合金元素与氧的亲合力大小和容易挥发程度决定加入的先后顺序及加入条件。每加一种元素后，都应当加大功率进行一定时间的搅拌，以加速熔化并使之分布均匀。233.3真空感应炉冶炼工艺过程3.3.4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，真空度也符合要求，则可出钢；采用真空浇注，小型炉用上注，大型炉也可以下注。243.4元素的挥发与控制所有金属都存在一个平衡的蒸汽压pi*,它取决于该金属的物性、气态的存在形式（单原子、双原子还是多原子组成气态分子）以及温度。i物质的蒸汽压pi*，与温度的关系式为：*13lg(/133.3)lg10ipATBTTCD元素的蒸汽压越高，在真空熔炼时挥发的趋势就越大；253.4元素的挥发与控制合金或粗金属中的组元i的蒸汽压pi和纯物质i的蒸汽压pi*是不相等的，因为合金中i的浓度必然低于纯物质，此外合金中i与其他组元分子之间的作用力也不等于i分子之间的作用力。pi可由下式表示：**iiiiiipaprxp不挥发的元素：Ti、V、B、Zr、Mo、Nb、Ta、W；在铁基合金中，可将合金元素分为以下三类易挥发元素：Mn、Al、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Ca、Mg；借助挥发可去除的杂质元素：Sn、Pb、Bi、Sb、Zn等；263.5真空下金属熔池与耐火材料的相互作用随着感应炉技术的不断发展，无芯感应炉的容量也随之不断扩大，已经投产的真空和传统的感应炉已分别达到60t和40t，20世纪60年代，美国先后制造15t、30t、甚至60t的VIF炉。而随着炉子容量的增大，对耐火材料的要求也相应提高。真空熔炼用耐火材料的操作条件一般比常规熔炼时的苛刻，因为在真空条件下很多耐火材料按照组分分解并与熔融的金属反应，一方面污染了熔融金属，同时也增大了耐火材料的损蚀，这在含有大量二氧化硅和氧化铁的耐火材料中表现尤为突出。273.5真空下金属熔池与耐火材料的相互作用真空熔炼用耐火材料发生的收缩裂纹较常规格的严重，因此大型感应炉的耐火材料应具有以下特征：不可逆的膨胀，不会发生收缩裂纹；高纯度；在真空环境中具有良好的稳定性；能够很好地耐熔融金属和熔渣的侵蚀；具备上述特征的耐火材料有：高纯氧化镁-氧化铝-尖晶石和氧化铝；283.6新技术在感应炉冶炼中的应用从感应炉出现至今近100年间，感应炉在设备和工艺方面都有着长足的进步，因而使得感应炉熔炼无论在产量和生产率方面，还是在产品质量、品种范围方面出现并已采用一些措施，主要包括：合金的镁处理低氧势脱磷吹氩喷粉喷吹氢氧混合气体脱碳钢液的氢气精炼293.6新技术在感应炉冶炼中的应用合金的镁处理镍基或铁基的高温合金、精密合金，含有较高的合金元素，部分是较活泼的元素；现状存在问题真空不能保证良好：热塑性焊接性能高温强度抗蠕变强度精炼时加入一定数量的的镁，残留在金属中镁能显著地改进上述性能；解决问题303.6新技术在感应炉冶炼中的应用镁特定的物化性质决定着，在镁的加入操作中，镁的加入方式回收率的控制都是难以完善解决的工艺问题，使用镁合金如：Ni-Mg、Ni-Mg-Me以降低镁的蒸汽压，提高熔点和沸点。镁处理的操作过程为：精炼期结束后，若要求添加B、Ce,在B、Ce加入后，调节熔池温度，使温度低于出钢温度20℃;真空室内充高纯氩气至13-27kPa;镁以块状的含镁中间合金加入金属熔池;镁加入后立即大功率搅拌，时间不宜过长，为减少镁的损失，加镁后，通常1-5min内出钢;313.6新技术在感应炉冶炼中的应用低氧势脱磷使用合金钢返回料熔炼合金钢时，为了减少合金元素的损失，在熔化和精炼过程中，必须控制炉气和渣的氧势，因此熔炼过程中不能用氧化的办法脱磷；低氧势脱磷理论可提高合金钢返回料熔炼的脱磷问题，其在感应炉中也得到了应用，钙和钢中的磷在钢液中充分反应，反应如下：323[Ca]+2[P]=CaP参与反应的钙可以是金属钙也可以是钙的合金（硅钙合金）或钙的化合物（CaC2)3.6新技术在感应炉冶炼中的应用3222532xy25(CaP)+4O=3(CaO)+(PO)y(CaP)+8(MeO)=3y(CaP)+y(PO)+8x[Me]反应产物Ca3P2不溶于钢液，在炼钢温度下会以液态上浮而进入渣中，在炼钢条件下不稳定，是一种强的还原剂，当炉内气氛氧势偏高和渣中存在易还原的氧化物时，会发生如下反应：当炉气中含有水分时3223(CaP)+3HO=3(CaO)+2PHPH3是一种有毒气体，随炉气而带走磷，操作时应避免这种反应发生！333.6新技术在感应炉冶炼中的应用脱磷操作中应注意的事项：保持钢液的低氧势和及时除去含磷炉渣是提高钙脱磷效率的关键；当加入钙时，要防止钙的急剧气化而导致喷溅；用CaC2做脱磷剂时，为避免渣中的CaC2氧化，操作时要求在坩埚上加盖，内充还原或惰性气体；在Cr12MoV模具钢熔炼中，粉剂用量为10～15kg/t，脱磷量约为0.005%，喷粉结束后，立即清除炉渣，另造新渣。343.6新技术在感应炉冶炼中的应用吹氩作用：依靠上浮的氩气泡，搅拌钢液，促进碳氧反应，气泡表面黏附夹杂和促进夹杂间的碰撞、长大、上浮，在一定条件下还能脱气。脱氢：高纯度干燥氩气，吹氩20min脱氢效率可达50%；脱氮：降低氮的活度；去处有害微量元素：对铅、砷不同程度的去除；353.6新技术在感应炉冶炼中的应用喷粉作用：不同喷粉剂，可以完成脱硫、脱磷、脱氧、控制夹杂形态、合金化或增碳等任务。可以利用喷吹脱磷剂（钙的合金及化合物）脱磷，也可以喷吹脱硫剂脱硫，常用的脱硫剂（w(CaO)=60%-80%,w(CaF2)=20%-40%)脱硫率约为30%-50%。另一种常用的脱硫剂是Ca-Si-CaF2。注：喷粉常用氩气作为载流气体，对于含氮量没有要求的钢种也可使用氮气，用外敷耐火材料的钢管作为喷枪，插入深度为熔池深度减去喷射深度。363.6新技术在感应炉冶炼中的应用F