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真空感應爐特點

(1）在真空環境下，沒有空氣和爐渣污染，金屬不易氧化、吸氣少，合金純凈，性能更好；

(2）真空下冶煉，有利于金屬內部氧氣、氮氣等氣體雜質的去除，氣體含量低；

(3）有利于銅、鋅、鉛、銻、鉍、錫和砷等高蒸汽壓的金屬雜質元素揮發去除；

(4)有利于成分控制，特別是鋁、鈦、硼及鋯等活性元素等控制，合金元素燒損少；

(5）熔池中存在電磁攪拌，促進鋼水成分和溫度均勻，有利于鋼中夾雜物的合并和上浮；

(6）熔煉過程中基本無火焰，也無燃燒產物，對環境污染小。

真空感應爐應用領域

（1）熔煉要求成分控制精確、純度高、夾雜少的合金。如鎳基高溫合金、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、鈷基合金、高熵合金等；

（3）生產無余量加工的精密鑄造件；

真空感應爐熔煉主要分為裝料、熔化、精煉、澆注等幾個階段。

裝料

1 原料要求

(1)準確掌握各種冶煉原材料的化學成分，不允許混亂;

(2)原材料中S、P含量低，低熔點有色金屬雜質Pb、Bi、Sn等要低;(3)原材料氣體含量要少;

(4)原材料要特別清潔、無銹，無油污;

(5)原材料儲存在干燥環境，以免熔煉時帶入氣體，產生噴濺;

(6)根據爐子容量大小和電源頻率，控制原材料尺寸;

(7)原料可以是返回料、精鋼材、純金屬、中間合金。

2 裝料要求

直空感應熔煉在直空室內進行，裝料與普通感應熔煉有所不同，全部原料分成兩部分:一部分直接裝入坩堝:一部分裝入合金料箱中，以便在熔煉過程中投入熔池。

坩堝中裝料要求:

(1)基本材料Fe、Ni、W、Mo、Co、V、C等可直接裝入坩堝內:

(2)坩堝內溫度不均勻，下高上低，原則上難熔金屬和量多元素裝在高溫區:

(3)坩堝底部放小塊料，以便快速形成熔池，大塊料放在坩堝中上部，利于預熱和順利塌料;

(4)裝料應做到上松下緊，以防熔化過程中上部爐料因卡住或焊接而出現“架橋”;

(5)裝料時坩堝稍向前傾，上部裝料避免平攤放置，向出鋼一側集中:

(6)熱爐條件下應快速裝料，防止感應圈水冷表面凝結水珠，坩堝吸氣增多，延長抽氣時間，溫度降低，影響坩堝壽命。

裝入合金料箱中的材料主要包括:

(1)活潑、易氧化和微量元素(如Al、Ti、Ce、Zr和B等)應在金屬液脫氧良好的條件下加入;

(2)蒸汽壓高、易揮發的元素(如Mn)加入時，熔煉室應先充以惰性氣體Ar，控制爐內氣壓。

熔化

熔化期的主要任務:爐料熔化、去氣、去除低熔點有害雜質和非金屬夾雜物，使金屬液溫度適當、熔池上真空度符合要求，為精煉創造條件。熔化期在整個冶

煉過程中時間最長。熔化期關鍵技術如下:

(1)真空度

合爐后，抽至高真空度-2進行送電加熱，爐料熔化前保持較高的真空度。熔化期內，熔池由淺漸深，新的金屬液面不斷裸露出來，高真空度，有利于氣體、有害雜質和非金屬夾雜物的排除。

(2)供電制度

熔化初期，由于感應電流的集膚效應，爐料逐層熔化。爐料逐層熔化有利于去氣和去除非金屬夾雜，因此，熔化期要保持較高真空度和緩慢的熔化速度。需要合理的供電制度，開始熔化時，根據金屬爐料的不同特點，逐級增加輸入功率，使爐料以適當的速度熔化。若熔化過快，則氣體有可能從金屬液中急劇析出，引起熔池的劇烈沸騰，甚至噴濺。

(3)熔化期噴濺

熔化速度過快，大塊冷料落入熔池，補加料太快或含氣過多，金屬液溫度過高等都會引起熔化期金屬液大量噴濺。噴出的金屬液大都黏附在坩堝壁上部，形成環形殼，不但損失大量金屬材料，還會導致冶煉工作無法進行。如果發生噴濺，可采取降低熔化速度(減小輸入功率)或適當提高熔煉室壓力(關閉真空液門或充入一定量的Ar氣)的方法加以控制。

精煉

精煉期的主要任務:脫氧、去氣、去除揮發性夾雜、調整溫度、調整成分。精煉過程中須控制好精煉溫度、真空度、真空時間以及合金化等工藝。

(1)精煉溫度

高精煉溫度有利于碳氧反應及夾雜的分解揮發，但溫度過高，會加劇坩堝與金屬間的反應，增加合金元素的揮發損失，因此，通常合金鋼的精煉溫度控制在所煉金屬的熔點以上100℃。

(2)真空度

真空度提高促進碳氧反應，隨著CO氣泡的上浮排出，有利于[H]和[N1的析出、非金屬夾雜的上浮、氨化物的分解、微量有害元素的揮發。但過高的真空度會加劇坩堝與金屬間的反應、增加合金元素的揮發損失，所以對于大型真空感應爐，精煉期的真空度通常控制在15~150Pa，小型爐控制在10Pa以下。

(3)真空時間

金屬液內氧含量先降后升，因此，氧含量達到最低值的時間，為精煉最佳時間，真空感應熔煉爐精煉時間為20-50min。爐料熔清后，立即加入適量的塊狀石墨或其他高碳材料進行碳氧反應。

(4)合金化

精煉后期，充分脫氧、去氣、揮發夾雜物后，加入活潑金屬和微量添加元素，調整成分，進行合金化，加入順序一般為Al、Ti、Zr、B、Re、Mg、Ca，做到均勻、緩慢，以免產生噴濺，加入后大功率攪拌1~2min，加速合金熔化和分布均勻。由于Mn的揮發性較強，一般在出鋼前3~5min加入。

澆注

鋼液的出鋼溫度、澆注溫度關系到成品的冶金質量，澆注時可采用保溫帽或絕熱板。

(1)澆注溫度

在澆注和金屬凝固過程中，鋼液中氣體的溢出，夾雜物的上浮，鋼液凝固時的補縮，需要鋼液有一定的過熱度，以保持良好的流動性。但溫度過高，柱狀晶區加寬，偏析增大，錠了各向異性大，縮孔加深，鋼錠和電極拉裂傾向增加，甚至粘模或拉斷，造成廢品;溫度過低，不利于氣體和夾雜的去除，鋼錠或電極表面質量下降，等軸粗晶區擴大，夾雜物增多，疏松嚴重，造成短尺廢品。因此，澆注溫度一般控制在液相點以上50~80℃。

(2)帶電澆注

帶電澆注的目的:一是在澆注時將浮渣推向坩鍋后側，避免流入鋼錠和電極中，二是保持鋼液溫度均勻，減少溫差。

(3)澆注后保持真空

澆注后不應立即破壞真空，一般在出鋼5~15min后再破壞真空，避免紅熱鑄件及坩堝壁附著金屬的氧化，減輕下一爐次的冶煉負擔，保證合金質量;可避免紅熱金屬的氧化和移動鑄模，破壞結晶的正常進行。對于成分復雜的高溫合金，澆注后可在真空下冷卻。

1 脫氧

氧在鋼中為有害元素，在煉鋼過程中自然進入，主要以FeO、MnO、SiO、等夾雜形式存在，使鋼的強度、塑性降低，尤其是對疲勞強度、沖擊韌性等有嚴重影響。在煉鋼末期加入錳，硅，鋁進行脫氧，但不能除盡。

(1)硅、鋁等常用金屬脫氧劑

硅、鋁等金屬可進行沉淀脫氧，脫氧后形成的氧化物夾雜會部分殘留在鋼中，降低鋼的純潔度。

(2)碳脫氧

在常壓下，碳的脫氧能力較弱，但在真空條件下，碳氧反應會進行的更完全，脫氧為氣態產物，不會遺留非金屬夾雜物。

[C]+[O]=co

當氣相壓力降至0.1atm時，碳的脫氧能力可超過硅;若氣相壓力降至133.322Pa時，碳的脫氧能力可超過鋁。但碳的脫氧能力并不會隨著真空度的提高而無限制的提高，因為只有液氣分界面的碳氧反應只遵循熱力學原理，金屬液體內部的碳氧反應不僅遵循熱力學原理，還要受到動力學條件的約束。金屬液體內部如果要

形成CO氣泡，CO的生成壓必須大干爐氣壓力，氣泡產生外金屬液柱的靜壓力和表面張力造成的壓力之和。因而僅減小爐氣壓力(即增加直空度)難以達到，此時限制碳脫氧的主要因素是表面張力和靜壓力。鎂砂搗打坩堝在高直空度，高溫度下容易分解，使鋼液進一步增氧，對鋼液的脫氧產生不利影響。用氧化鈣坩堝熔煉鋼液時，由氧化鈣優異的熱穩定性，在真空精煉時不會對鋼液增氧，但真空度過高(如系統壓力小于1Pa時)，氧化鈣熱穩定性會降低，不利于鋼液的深度脫氧。

(3)過濾

獲得超純凈合金的最重要的輔助方法是過濾，并在實踐中獲得良好效果，采用孔隙度為10ppi的AlO和CaO過濾網，對于氧的脫除有效果。

2 脫氮

氮對鋼材性能的影響與碳、磷相似，隨著氮含量的增加，可使鋼材的強度顯著提高，塑性特別是韌性顯著降低，可焊性變差，同時增加時效傾向及冷脆性和熱脆性。因此，應盡量減小和限制鋼中的氮含量，一般規定氮含量不高于0.018%。

中國科學院金屬研究所牛建平等人研究了真空感應熔煉超純凈鎳基高溫合金脫氨的工藝。發現在氧化鈣坩堝中精煉加Al對脫氨有促進作用;Ti加入對脫氮有明顯阻礙作用:提高真空度，可降低合金元素對脫氮的不利影響，達到極低含氮量。

3 脫氫

氫是一般鋼中最有害的元素，鋼中溶有氫會引起鋼的氫脆，白點等缺陷。氫與氧、氨一樣，在固態鋼中溶解度極小，在高溫時溶入鋼液，冷卻時來不及逸出而積聚在組織中形成高壓細微氣孔，使鋼的塑性、韌度和疲勞強度急劇降低，嚴重時造成裂紋、脆斷。

氫在空氣中以分子狀態存在，在金屬中則以單原子或離子狀態存在，這種雙原子氣體在金屬中的溶解度與氣體分壓力的平方根成正比，因此，提高熔煉直空度有助于除氫。

4 錳含量控制

錳能提高鋼材強度、提高淬透性、改善熱加工性能，并且價格相對便宜，與鐵無限固溶，在提高鋼材強度的同時，對塑性的影響相對較小。因此，錳被廣泛用于鋼中。

由干錳的蒸汽壓比較高，在高直空下揮發嚴重，在鋼中含量不容易控制，經過研究，在1500℃熔煉時，錳的蒸汽壓大約為2.7kPa，采用3kPa充氬量可以抑制

錳的揮發，達到對錳含量的控制。

5 控制熔煉過程放電

(1)利用真空機組改變真空室內壓力防止放電

(2)依真空室內壓力變化，確定是否采用油增壓擴散泵抽真空抑制放電

(3)嚴肅真空衛生要求，消除導電塵埃防止放電

(4)合理調整真空度與送電功率解決放電問題

(5)降低感應器的輸入電壓減少放電