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真空熔炼炉技术的发展及趋势
编辑:中山市天元真空设备技术有限公司   发布时间:2018-09-15

介绍了真空熔炼炉技术的发展过程以及感应冶炼技术在不同场合的应用。针对不同真空感应炉炉型的结构,比较各自优劣势。展望未来真空感应炉的发展方向,阐述其发展趋势。真空感应炉的发展进步主要体现在,设备整体结构逐步完善,模块化趋势日益明显以及具有更加智能的控制系统。


随着现代工业技术的迅猛发展,人们对机械零件的使用要求越来越高,愈加严苛的使用环境对金属材料的耐高温,耐磨,抗疲劳等性能提出了更高的要求。对于某些特定的金属或合金材料,无论是前期研发试验还是后期的大批量生产投入使用,研究或得到高性能的金属合金材料都需要金属熔炼设备,表面热处理设备等的支持。在众多的特种加热或熔炼方法中,感应加热技术用于熔炼制备金属材料或在一定工艺中对材料进行烧结,热处理等,都起到了至关重要的作用。


一、真空熔炼炉技术


1、原理

感应加热技术通常是指真空条件下,通过电磁感应原理使感磁性较好的材料获得感应电流,达到加热的目的一种技术。电流以一定频率通过环绕在金属材料周围的电磁线圈,变化的电流产生感应磁场,并使得金属内部产生感应电流,并产生大量的热量,用来加热材料。当热量相对较低时可用于真空感应热处理等工艺,当热量较高时,产生的热量足以熔化金属,用来制备金属或合金材料。


2、应用

2.1、真空熔炼炉

真空感应熔炼技术是目前对金属材料加热效率很高、速度很快,低耗节能环保型的感应加热技术。该技术主要在感应熔炼炉等设备上实现,应用范围十分广泛。固态的金属原材料放入由线圈缠绕的坩埚中,当电流流经感应线圈时,产生感应电动势并使金属炉料内部产生涡流,电流发热量大于金属炉料散热量的速度时,随着热量越积越多,到达一定程度时,金属由固态熔化为液态,达到冶炼金属的目的。在此过程中,由于整个过程发生在真空环境下,因此,有利于金属内部气体杂质的祛除,得到的金属合金材料更加纯粹。同时冶炼过程中,通过真空环境以及感应加热的控制,可以调整熔炼温度并及时补充合金金属,达到精炼的目的。在熔化过程中,因为感应熔炼技术的特点,液态的金属材料在坩埚内部由于受到电磁力的相互作用,可以自动实现搅拌,使成分更加均匀,这也是感应熔炼技术的一大优势。


与传统的冶炼相比,真空感应熔炼节能,环保,工人作业环境好,劳动强度小,具有很大优势。利用感应熔炼技术,浇注的合金材料杂质更少,添加的合金比例更加合适,能够更加符合工艺对材料各性能的要求。


真空熔炼炉技术目前已经得到大规模的使用,从用于试验研究的几千克感应炉到用于实际生产的几十吨容量的大型感应炉,由于其操作工艺简单,熔化升温快熔炼过程容易控制,所冶炼金属成分均匀等优点,具有很大的应用前景,近些年得到了快速的发展。


2.2、真空感应烧结

真空烧结是指在真空度为(10~10-3Pa)的环境下将金属、合金或金属化合物粉末在低于熔点的温度下烧结成金属制品和金属坯。真空条件下烧结,不存在金属与气体间的反应,也没有吸附气体影响,不仅致密化效果好,而且可以起到净化和还原作用,降低烧结温度,和常温烧结比可降低100℃~150℃,节省能耗,提高烧结炉寿命和获得高质量产品。


对于某些物料需要通过受热借助原子迁移实现颗粒间的结合,而感应烧结技术在此过程中则起到了对其的加热作用。真空感应烧结的优点在于,真空条件下有助于减少气氛中的有害物质(水蒸气,氧气,氮气等其他杂质),避免出现脱碳,渗氮,渗碳,还原,氧化等一系列反应。过程中降低孔隙内的气体量,减少气体分子的化学反应,同时在物料出现液相之前排除其表面的氧化膜,从而在材料熔化互相结合的时候使材料结合更致密,提高其耐磨性及强度。另外真空感应烧结对降低产品成本也具有一定的效果。


由于真空环境下,气体含量处于相对很低的状态,因此可以忽略热量的对流和传导,热量主要以辐射的方式由发热组件传递到物料表面,根据具体的烧结温度,物质的物理化学特性,选择合适的发热组件也是十分重要的。与真空电阻加热相比,感应烧结采用中频电源加热,一定程度上避免了采用电阻内加热方式真空炉的高温绝缘问题。


目前,感应烧结技术主要应用在钢铁,冶金领域。另外,在特种陶瓷的材料上,感应烧结增强了固体颗粒的键联,有助于晶粒长大,压缩空隙,进而增加密度,形成致密的多晶烧结体。感应烧结技术也正在新材料的研究上得到更广泛的应用。


2.3、真空感应热处理

目前应有较多的感应热处理技术主要集中在感应淬火技术。将工件放入感应器(线圈)内,当感应器中通入一定频率的交变电流时,周围即产生交变磁场。交变磁场的电磁感应作用使工件内产生封闭的涡流。由于集肤效应,即感应电流在工件截面上的分布很不均匀,工件表层电流密度很高,向内逐渐减小。


工件表层高密度电流的电能转变为热能,使表层的温度升高,即实现表面加热。电流频率越高,工件表层与内部的电流密度差则越大,加热层越薄。在加热层温度超过钢的临界点温度后迅速冷却,即可实现表面淬火。由感应加热的原理可知,通过调节感应线圈通过电流的频率,即可适当的改变电流的透入深度,深度可调也是感应热处理的一个较大的优势。但是感应淬火技术由于适应性较差,不适用与复杂的机械工件。虽然淬火后的工件表层有较大的压缩内应力,抗疲劳断裂能力较高。但是只适用于简单工件的流水线生产。


目前应用感应淬火技术主要应用在汽车工业中的曲轴凸轮轴等零件的表面淬火,由于这些零部件虽然结构简单,但工作环境恶劣,对零部件的性能有一定的耐磨性,抗弯曲,抗疲劳要求,通过感应淬火提高他们的耐磨性和抗疲劳能力也是目前满足性能要求的合理的方法。广泛应用于汽车行业中的部分零部件表面处理。


二、真空感应熔炼设备

真空感应熔炼设备是利用感应熔炼技术,通过机械结构的配套,将原理实现在实际使用中。设备通常利用电磁感应原理,将感应线圈,物料放入一个密闭的腔体内部,通过真空抽气系统将容器中的气体抽出,随后,利用电源使电流通过感应线圈,产生感应电动势并在物料内部形成涡流,发热量到达一定程度时,物料便开始熔化。在熔化过程中,通过设备上的其他配套组件,实现功率控制,温度测定,真空度测定,补充加料等一系列操作,通过坩埚翻转将液态金属浇注到模具中,形成成金属铸锭,完成冶炼。真空感应熔炼设备主要结构包括以下几个部分:


除了以上组成部分之外,真空熔炼炉还应配备有电源及控制系统和冷却系统,为设备熔化材料提供能量输入,并在关键部位提供一定的冷却,防止系统过热导致结构寿命降低甚至损坏。对于特定工艺要求的感应熔炼设备,还有相关配套辅助部件,比如传动料车,开关炉门,离心浇注盘,观察窗等等,对于杂质较多的设备,还应配有气体的过滤系统等。由此可见,一套完整的感应熔炼设备除了必要的组件之外,还可以根据具体的工艺要求,通过加入其他部件的辅助,实现不同的功能,为金属的制备提供便利的条件和实现方式。


1、真空熔炼炉

真空感应熔炼炉是在真空条件下先通过感应加热熔化金属,再将液态金属浇筑在模具中得到金属铸锭的熔炼设备。真空感应炉发展大约开始于1920年,主要用来冶炼镍铬合金。直到第二次世界大战促进了真空技术的进步,使得真空感应熔炼炉真正的发展起来。在此期间,由于合金材料的需求,真空感应熔炼炉不断向大型化发展,从初期的几吨发展到几十吨的超大型感应炉。为了适应大批量的生产,除了设备容量大小的改变,感应炉的结构也从以周期为单位的周期炉发展到了装料,铸模准备,熔炼,浇注操作实现连续或半连续的真空感应熔炼。在不停炉的情况下通过连续作业,节省了装料,铸锭等待冷却的时间,连续的生产增加效率的同时也增加了合金的产量。更好的满足实际生产的需要。我国早期的真空感应炉较国外相比容量相对较小,主要在2吨以下,大型的冶炼炉依然依靠从国外进口,随着近几十年的发展,我国也能够自行研发大型的真空感应熔炼炉,熔炼达到十几吨。VIM真空感应熔炼炉发展较早,结构简单,使用方便,维护成本较低,已经广泛应用于实际生产中。


图中即为真空感应熔炼炉的基本形态,金属物料通过可以旋转的转塔加入到熔炼坩埚中,真空抽气系统将容器内部抽除气体到达合适的真空度,熔炼时转塔旋转一定角度,将转臂的另一侧对准坩埚,通过测温偶向下插入到金属熔液中实现温度的测定。熔炼好的金属由翻转机构驱动,浇注到成型的模具中,实现金属的冶炼。整个过程操作简单方便,每次熔炼需要一到两名工人即可完成,熔炼过程中可以实现温度的实时监控,物料成分的调整,得到的金属材料更加符合工艺要求。


2、真空感应膜气炉

对于特定的材料,工艺上不要求在真空腔内完成浇注,仅需要真空环境下的保温,脱气。在VIM炉的基础上,VID脱气炉真空感应膜气炉逐渐发展起来。


真空感应脱气炉主要特点是结构紧凑,炉体容积较小。较小的容积更有利于快速的的气体抽除,达到较好的真空度。与常规脱气炉相比,设备体积相对较小,温度损失小,具有更好的灵活性和经济性,适合液体或固体的加料。VID炉可用于特种钢和有色金属的熔炼和脱气,需要在大气环境或保护气氛的条件下倒入模具中。整个熔炼过程中可以实现对材料的脱碳精炼,脱氢,脱氧,脱硫等杂质的祛除,有利于精确调整化学成分,满足工艺要求。


在一定的真空条件或保护气氛下,通过感应脱气炉的加热,金属材料逐渐熔化,内部的夹杂的气体可以在此过程中祛除。若在过程中加入适当的反应气体,与金属内部的碳元素结合,生成气态的碳化物排除炉外,达到脱碳精炼的目的。而在浇注过程中,需要通入一定的保护气氛,保证已经脱气完成的金属材料与大气中的气体隔绝开来,完成金属材料的脱气精炼。


3、真空感应脱气浇筑炉

真空感应脱气浇筑炉,是在前两种熔炼技术基础上发展起来的。1988年,德国ALD公司的前身,Leybold-Heraeus公司制造了一台VIDP炉。该炉型的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,仅含有感应圈和坩埚。电缆和水冷管线以及液压翻转机构均安装在熔炼室外。优点是保护电缆和水冷管线不受钢水飞溅和温度压力周期变化带来的损伤,由于方便拆卸,利于坩埚的更换VIDP炉壳配置三个炉体,作业中一个炉体,一个接受预热,另一个制备坩埚炉衬,缩短了生产周期,提高了生产效率。


炉盖由真空密封轴承支撑在炉架和两个液压缸柱上。浇注时,两个液压缸侧顶炉盖,炉盖带动熔炼室一体围绕真空轴承倾转。在倾斜浇注状态时,熔炼室与感应圈坩埚没有相对运动。流道是VIDP炉的重要部件。由于VIDP炉的设计把熔炼室与铸锭室隔离,所以钢水要经过真空流道进人铸锭室。铸锭室为方斜侧面启闭形式,由两部分组成,固定部分与流道室相临,活动部分沿地面轨道水平移动,完成铸锭室的开启与闭合。在有的设备中,活动部分设计成30度,左右向上敞开,方便天车装卸锭模和日常保养维修。冶炼开始时,炉体被下方的液压机构托起,与炉子的上部结构炉盖接合,用专门机构锁紧。炉盖上端通过真空阀与加料室连接。


由于只将熔炼部分封入真空腔,浇筑通过导流槽导出,使得炉型结构紧凑,熔炼室体积较小,可以更好更快速的控制真空度。与传统的感应熔炼炉相比,具有抽空时间短,漏率低的特点。通过配备PLC逻辑控制系统可达到理想的压力控制,同时,利用电磁搅拌系统可以平稳的搅动熔池,加入的元素在熔池内从上到下均匀溶解,保持温度接近恒定。在浇注钱,通过外置的加热系统对流道进行加热降低初始浇注堵塞浇注口和流道热开裂。通过加入过滤挡板等措施起到缓解钢水冲击,提高金属纯度的作用。由于VIDP炉的体积较小,真空检漏和修复都更加容易,炉内的清理时间也较短,另外利用小型的便于更换的测温偶即可对炉内温度进行测量。


VIDP炉的缺点主要在于:感应圈坩埚紧密安装与炉体中,当整体翻转时,漏钢的保护较差。一旦发生,清理和修复更加困难。由于结构新颖,设备制造复


4、感应水冷坩埚

水冷坩埚电磁感应真空悬浮熔炼方法是近些年来飞速发展的一种熔炼方法,主要荣来制备高熔点,高纯度和极活泼的金属或非金属材料。通过将铜坩埚切分成等分的铜瓣结构,并在每一瓣组块内部均通有水冷,此种结构增强了电磁推力,使金属熔液向中间挤压,形成驼峰从而脱离坩埚壁。将金属置于交变电磁场中,该装置使能力聚集在坩埚内部的容积空间,进而在炉料表层形成强大的涡流,一方面释放出焦耳热使炉料熔化,另一方面形成洛伦兹力使熔体悬浮并产生强烈的搅拌,加入的合金元素可以很快的均匀的混合在熔液内部,使化学成分更加均匀,温度传导更加均衡。由于磁悬浮的作用,熔体与坩埚内壁脱离接触,避免了坩埚对熔体的污染,同时,降低了热量的传导,增强热辐射作用,使得金属熔液散热降低,从而达到较高的温度。对于加入的金属炉料,可以按照要求的时间和设定的温度进行熔化和保温,炉料不需要预先的加工。水冷坩埚熔炼在排除金属夹杂物和脱气精炼程度上可以达到电子束的熔炼水平,而蒸发的损失则更小,同时能耗更低,生产效率提高。由于感应加热的非接触加热特点,对熔体的冲击更小,对于制备更高纯度或极活泼的金属具有很好的作用。由于设备结构复杂,实现磁悬浮熔炼对于大容量的设备仍然较为困难,现阶段并没有出现较大容量的水冷铜坩埚熔炼设备,目前的水冷坩过设备只应用于小容积的金属熔炼的试验研究。


三、感应熔炼设备未来发展趋势

随着真空感应加热技术的发展,为实现不同功能,炉型的也在不断变化中。从简单的熔炼或加热结构逐渐发展为现在可实现不同功能的更加利于生产的复杂结构。而对于未来更加复杂的工艺过程,如何实现精确的过程控制,测量和提取相关信息,并尽可能的降低人工成本是感应熔炼设备的发展方向。


1、模块化

在一套完整的设备中,对于不同的使用要求,配备有不同的组件。每部分组件各司其职,达到各自的使用目。对于某些确定的炉型,加入某些模块使设备更加完善,例如配备完整的测温系统有助于观测炉内物料随温度的变化,对温度实现更加合理的控制;配备质谱仪检测材料成分和工艺的进展阶段,调整加入合金元素的时间及顺序,改善合金性能;配备电子枪离子枪等以解决部分难熔金属的起熔问题等等。未来的感应冶金设备中,通过不同模块的不同组合以实现不同的功能,满足不同的工艺需求成为了发展的必然趋势,也是不同领域的相互结合与借鉴。为达到完善金属的冶炼工艺,得到性能更优的材料的目的,模块化的设备将具有更强的市场竞争力。


2、智能控制

与传统冶炼相比,真空感应设备在实现过程控制的方面已经具有较大优势。由于计算机技术的发展,设备中通过人机界面友好的操作,智能的信号采集与合理的程序设定,可以方便的达到控制冶炼过程的目的,降低人工成本,操作更加简单方便。


未来的发展中,更加智能的控制系统将加入到真空设备中来。对于已经制定好的工艺,人们通过智能控制系统,精确的控制冶炼温度,在特定的时间加入合金材料,完成熔炼,保温,浇注一系列动作,将变得更加容易。而这一切将全程由计算机控制并记录下来,减少人为的失误带来不必要的损失。对于重复性较高的冶炼过程,实现更加方便的智能的现代化控制。


3、信息化

感应熔炼设备在整个冶炼过程中会产生大量的冶炼信息,感应加热电源的实时参数变化,炉料,坩埚的温度场,感应圈产生的电磁场,金属熔体的物理性质等等。目前设备只实现了简单的数据采集,而分析过程则在熔炼完成对数据提取之后进行。未来的信息化发展,数据的采集处理,分析过程必将与冶炼过程稍微滞后实现几乎同步。针对冶金设备设备内部熔炼的材料进行完整的数据采集,通过计算机对数据的处理,实时的显示当前情况下的设备内部温度场,电磁场,并将信号传递出来,通过不同数据的实时反馈,方便人们对熔炼过程的实时观测与调整,加强了人的干预和控制。在熔炼过程中,通过及时的调整,完善工艺,提高合金性能。


4、结束语

随着工业的进步,真空熔炼炉技术以其独有的优势,近几十年得到了巨大的发展,并在工业领域中发挥着重要的作用。目前来看,我国的真空感应熔炼技术虽然与国外相比,仍处在落后的局面,但仍然需要相关从业人员的不懈努力,提高我国特种冶炼设备的市场竞争力,尽力早日走在世界x先进的前列。

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