真空感應(yīng)熔煉技術(shù)的發(fā)展及趨勢
隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對機械零件的使用要求越來越高，愈加嚴苛的使用環(huán)境對金屬材料的耐高溫，耐磨，抗疲勞等性能提出了更高的要求。對于某些特定的金屬或合金材料，無論是前期研發(fā)試驗還是后期的大批量生產(chǎn)投入使用，研究或得到高性能的金屬合金材料都需要金屬熔煉設(shè)備，表面熱處理設(shè)備等的支持。在眾多的特種加熱或熔煉方法中，感應(yīng)加熱技術(shù)用于熔煉制備金屬材料或在一定工藝中對材料進行燒結(jié)，熱處理等，都起到了至關(guān)重要的作用。
1、真空感應(yīng)熔煉技術(shù)
1.1、原理
感應(yīng)加熱技術(shù)通常是指真空條件下，通過電磁感應(yīng)原理使感磁性較好的材料獲得感應(yīng)電流，達到加熱的目的一種技術(shù)。電流以一定頻率通過環(huán)繞在金屬材料周圍的電磁線圈，變化的電流產(chǎn)生感應(yīng)磁場，并使得金屬內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，并產(chǎn)生大量的熱量，用來加熱材料。當熱量相對較低時可用于真空感應(yīng)熱處理等工藝，當熱量較高時，產(chǎn)生的熱量足以熔化金屬，用來制備金屬或合金材料。
1.2、應(yīng)用
1.2.1、真空感應(yīng)熔煉
真空感應(yīng)熔煉技術(shù)是目前對金屬材料加熱效率最高、速度最快，低耗節(jié)能環(huán)保型的感應(yīng)加熱技術(shù)。該技術(shù)主要在感應(yīng)熔煉爐等設(shè)備上實現(xiàn)，應(yīng)用范圍十分廣泛。固態(tài)的金屬原材料放入由線圈纏繞的坩堝中，當電流流經(jīng)感應(yīng)線圈時，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢并使金屬爐料內(nèi)部產(chǎn)生渦流，電流發(fā)熱量大于金屬爐料散熱量的速度時，隨著熱量越積越多，到達一定程度時，金屬由固態(tài)熔化為液態(tài)，達到冶煉金屬的目的。在此過程中，由于整個過程發(fā)生在真空環(huán)境下，因此，有利于金屬內(nèi)部氣體雜質(zhì)的祛除，得到的金屬合金材料更加純粹。同時冶煉過程中，通過真空環(huán)境以及感應(yīng)加熱的控制，可以調(diào)整熔煉溫度并及時補充合金金屬，達到精煉的目的。在熔化過程中，因為感應(yīng)熔煉技術(shù)的特點，液態(tài)的金屬材料在坩堝內(nèi)部由于受到電磁力的相互作用，可以自動實現(xiàn)攪拌，使成分更加均勻，這也是感應(yīng)熔煉技術(shù)的一大優(yōu)勢。
與傳統(tǒng)的冶煉相比，真空感應(yīng)熔煉節(jié)能，環(huán)保，工人作業(yè)環(huán)境好，勞動強度小，具有很大優(yōu)勢。利用感應(yīng)熔煉技術(shù)，最終澆注的合金材料雜質(zhì)更少，添加的合金比例更加合適，能夠更加符合工藝對材料各性能的要求。
真空感應(yīng)熔煉技術(shù)目前已經(jīng)得到大規(guī)模的使用，從用于試驗研究的幾千克感應(yīng)爐到用于實際生產(chǎn)的幾十噸容量的大型感應(yīng)爐，由于其操作工藝簡單，熔化升溫快熔煉過程容易控制，所冶煉金屬成分均勻等優(yōu)點，具有很大的應(yīng)用前景，近些年得到了快速的發(fā)展。
1.2.2、真空感應(yīng)燒結(jié)
真空燒結(jié)是指在真空度為(10～10-3Pa)的環(huán)境下將金屬、合金或金屬化合物粉末在低于熔點的溫度下燒結(jié)成金屬制品和金屬坯。真空條件下燒結(jié)，不存在金屬與氣體間的反應(yīng)，也沒有吸附氣體影響，不僅致密化效果好，而且可以起到凈化和還原作用，降低燒結(jié)溫度，和常溫燒結(jié)比可降低100℃～150℃，節(jié)省能耗，提高燒結(jié)爐壽命和獲得高質(zhì)量產(chǎn)品。
對于某些物料需要通過受熱借助原子遷移實現(xiàn)顆粒間的結(jié)合，而感應(yīng)燒結(jié)技術(shù)在此過程中則起到了對其的加熱作用。真空感應(yīng)燒結(jié)的優(yōu)點在于，真空條件下有助于減少氣氛中的有害物質(zhì)(水蒸氣，氧氣，氮氣等其他雜質(zhì))，避免出現(xiàn)脫碳，滲氮，滲碳，還原，氧化等一系列反應(yīng)。過程中降低孔隙內(nèi)的氣體量，減少氣體分子的化學反應(yīng)，同時在物料出現(xiàn)液相之前排除其表面的氧化膜，從而在材料熔化互相結(jié)合的時候使材料結(jié)合更致密，提高其耐磨性及強度。另外真空感應(yīng)燒結(jié)對降低產(chǎn)品成本也具有一定的效果。
由于真空環(huán)境下，氣體含量處于相對很低的狀態(tài)，因此可以忽略熱量的對流和傳導，熱量主要以輻射的方式由發(fā)熱組件傳遞到物料表面，根據(jù)具體的燒結(jié)溫度，物質(zhì)的物理化學特性，選擇合適的發(fā)熱組件也是十分重要的。與真空電阻加熱相比，感應(yīng)燒結(jié)采用中頻電源加熱，一定程度上避免了采用電阻內(nèi)加熱方式真空爐的高溫絕緣問題。
目前，感應(yīng)燒結(jié)技術(shù)主要應(yīng)用在鋼鐵，冶金領(lǐng)域。另外，在特種陶瓷的材料上，感應(yīng)燒結(jié)增強了固體顆粒的鍵聯(lián)，有助于晶粒長大，壓縮空隙，進而增加密度，形成致密的多晶燒結(jié)體。感應(yīng)燒結(jié)技術(shù)也正在新材料的研究上得到更廣泛的應(yīng)用。
1.2.3、真空感應(yīng)熱處理
目前應(yīng)有較多的感應(yīng)熱處理技術(shù)主要集中在感應(yīng)淬火技術(shù)。將工件放入感應(yīng)器(線圈)內(nèi)，當感應(yīng)器中通入一定頻率的交變電流時,周圍即產(chǎn)生交變磁場。交變磁場的電磁感應(yīng)作用使工件內(nèi)產(chǎn)生封閉的渦流。由于集膚效應(yīng)，即感應(yīng)電流在工件截面上的分布很不均勻，工件表層電流密度很高，向內(nèi)逐漸減小。
工件表層高密度電流的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使表層的溫度升高，即實現(xiàn)表面加熱。電流頻率越高，工件表層與內(nèi)部的電流密度差則越大，加熱層越薄。在加熱層溫度超過鋼的臨界點溫度后迅速冷卻，即可實現(xiàn)表面淬火。由感應(yīng)加熱的原理可知，通過調(diào)節(jié)感應(yīng)線圈通過電流的頻率，即可適當?shù)母淖冸娏鞯耐溉肷疃?，深度可調(diào)也是感應(yīng)熱處理的一個較大的優(yōu)勢。但是感應(yīng)淬火技術(shù)由于適應(yīng)性較差，不適用與復(fù)雜的機械工件。雖然淬火后的工件表層有較大的壓縮內(nèi)應(yīng)力，抗疲勞斷裂能力較高。但是只適用于簡單工件的流水線生產(chǎn)。
目前應(yīng)用感應(yīng)淬火技術(shù)主要應(yīng)用在汽車工業(yè)中的曲軸凸輪軸等零件的表面淬火，由于這些零部件雖然結(jié)構(gòu)簡單，但工作環(huán)境惡劣，對零部件的性能有一定的耐磨性，抗彎曲，抗疲勞要求，通過感應(yīng)淬火提高他們的耐磨性和抗疲勞能力也是目前滿足性能要求的最合理的方法。廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)中的部分零部件表面處理。
2、真空感應(yīng)熔煉設(shè)備
真空感應(yīng)熔煉設(shè)備是利用感應(yīng)熔煉技術(shù)，通過機械結(jié)構(gòu)的配套，將原理實現(xiàn)在實際使用中。設(shè)備通常利用電磁感應(yīng)原理，將感應(yīng)線圈，物料放入一個密閉的腔體內(nèi)部，通過真空抽氣系統(tǒng)將容器中的氣體抽出，隨后，利用電源使電流通過感應(yīng)線圈，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢并在物料內(nèi)部形成渦流，發(fā)熱量到達一定程度時，物料便開始熔化。在熔化過程中，通過設(shè)備上的其他配套組件，實現(xiàn)功率控制，溫度測定，真空度測定，補充加料等一系列操作，最終通過坩堝翻轉(zhuǎn)將液態(tài)金屬澆注到模具中，形成成金屬鑄錠，完成冶煉。真空感應(yīng)熔煉設(shè)備主要結(jié)構(gòu)包括以下幾個部分：
除了以上組成部分之外，真空熔煉爐還應(yīng)配備有電源及控制系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，為設(shè)備熔化材料提供能量輸入，并在關(guān)鍵部位提供一定的冷卻，防止系統(tǒng)過熱導致結(jié)構(gòu)壽命降低甚至損壞。對于特定工藝要求的感應(yīng)熔煉設(shè)備，還有相關(guān)配套輔助部件，比如傳動料車，開關(guān)爐門，離心澆注盤，觀察窗等等，對于雜質(zhì)較多的設(shè)備，還應(yīng)配有氣體的過濾系統(tǒng)等。由此可見，一套完整的感應(yīng)熔煉設(shè)備除了必要的組件之外，還可以根據(jù)具體的工藝要求，通過加入其他部件的輔助，實現(xiàn)不同的功能，為金屬的制備提供便利的條件和實現(xiàn)方式。
2.1、真空感應(yīng)熔煉爐
真空感應(yīng)熔煉爐是在真空條件下先通過感應(yīng)加熱熔化金屬，再將液態(tài)金屬澆筑在模具中得到金屬鑄錠的熔煉設(shè)備。真空感應(yīng)爐發(fā)展大約開始于1920年，主要用來冶煉鎳鉻合金。直到第二次世界大戰(zhàn)促進了真空技術(shù)的進步，使得真空感應(yīng)熔煉爐真正的發(fā)展起來。在此期間，由于合金材料的需求，真空感應(yīng)熔煉爐不斷向大型化發(fā)展，從最初的幾噸發(fā)展到幾十噸的超大型感應(yīng)爐。為了適應(yīng)大批量的生產(chǎn)，除了設(shè)備容量大小的改變，感應(yīng)爐的結(jié)構(gòu)也從以周期為單位的周期爐發(fā)展到了裝料，鑄模準備，熔煉，澆注操作實現(xiàn)連續(xù)或半連續(xù)的真空感應(yīng)熔煉。在不停爐的情況下通過連續(xù)作業(yè)，節(jié)省了裝料，鑄錠等待冷卻的時間，連續(xù)的生產(chǎn)增加效率的同時也增加了合金的產(chǎn)量。更好的滿足實際生產(chǎn)的需要。我國早期的真空感應(yīng)爐較國外相比容量相對較小，主要在2噸以下，大型的冶煉爐依然依靠從國外進口，隨著近幾十年的發(fā)展，我國也能夠自行研發(fā)大型的真空感應(yīng)熔煉爐，最大熔煉達到十幾噸。VIM真空感應(yīng)熔煉爐發(fā)展較早，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，維護成本較低，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實際生產(chǎn)中。
圖中即為真空感應(yīng)熔煉爐的基本形態(tài)，金屬物料通過可以旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)塔加入到熔煉坩堝中，真空抽氣系統(tǒng)將容器內(nèi)部抽除氣體到達合適的真空度，熔煉時轉(zhuǎn)塔旋轉(zhuǎn)一定角度，將轉(zhuǎn)臂的另一側(cè)對準坩堝，通過測溫偶向下插入到金屬熔液中實現(xiàn)溫度的測定。熔煉好的金屬由翻轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動，澆注到成型的模具中，實現(xiàn)金屬的冶煉。整個過程操作簡單方便，每次熔煉需要一到兩名工人即可完成，熔煉過程中可以實現(xiàn)溫度的實時監(jiān)控，物料成分的調(diào)整，最終得到的金屬材料更加符合工藝要求。
2.2、真空感應(yīng)膜氣爐
對于特定的材料，工藝上不要求在真空腔內(nèi)完成澆注，僅需要真空環(huán)境下的保溫，脫氣。在VIM爐的基礎(chǔ)上，VID脫氣爐真空感應(yīng)膜氣爐逐漸發(fā)展起來。
真空感應(yīng)脫氣爐主要特點是結(jié)構(gòu)緊湊，爐體容積較小。較小的容積更有利于快速的的氣體抽除，達到較好的真空度。與常規(guī)脫氣爐相比，設(shè)備體積相對較小，溫度損失小，具有更好的靈活性和經(jīng)濟性，適合液體或固體的加料。VID爐可用于特種鋼和有色金屬的熔煉和脫氣，需要在大氣環(huán)境或保護氣氛的條件下倒入模具中。整個熔煉過程中可以實現(xiàn)對材料的脫碳精煉，脫氫，脫氧，脫硫等雜質(zhì)的祛除，有利于精確調(diào)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(yīng)脫氣爐的加熱，金屬材料逐漸熔化，內(nèi)部的夾雜的氣體可以在此過程中祛除。若在過程中加入適當?shù)姆磻?yīng)氣體，與金屬內(nèi)部的碳元素結(jié)合，生成氣態(tài)的碳化物排除爐外，達到脫碳精煉的目的。而在澆注過程中，需要通入一定的保護氣氛，保證已經(jīng)脫氣完成的金屬材料與大氣中的氣體隔絕開來，最終完成金屬材料的脫氣精煉。
2.3、真空感應(yīng)脫氣澆筑爐
真空感應(yīng)脫氣澆筑爐，是在前兩種熔煉技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。1988年，德國ALD公司的前身，Leybold-Heraeus公司制造了第一臺VIDP爐。該爐型的技術(shù)核心是一個與感應(yīng)圈坩堝一體的，緊湊體積的真空熔煉室，它只比感應(yīng)圈大一點，僅含有感應(yīng)圈和坩堝。電纜和水冷管線以及液壓翻轉(zhuǎn)機構(gòu)均安裝在熔煉室外。優(yōu)點是保護電纜和水冷管線不受鋼水飛濺和溫度壓力周期變化帶來的損傷，由于方便拆卸，利于坩堝的更換VIDP爐殼配置三個爐體，作業(yè)中一個爐體，一個接受預(yù)熱，另一個制備坩堝爐襯，縮短了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率。
爐蓋由真空密封軸承支撐在爐架和兩個液壓缸柱上。澆注時，兩個液壓缸側(cè)頂爐蓋，爐蓋帶動熔煉室一體圍繞真空軸承傾轉(zhuǎn)。在傾斜澆注狀態(tài)時，熔煉室與感應(yīng)圈坩堝沒有相對運動。流道是VIDP爐的重要部件。由于VIDP爐的設(shè)計把熔煉室與鑄錠室隔離，所以鋼水要經(jīng)過真空流道進人鑄錠室。鑄錠室為方斜側(cè)面啟閉形式，由兩部分組成，固定部分與流道室相臨，活動部分沿地面軌道水平移動，完成鑄錠室的開啟與閉合。在有的設(shè)備中，活動部分設(shè)計成30度，左右向上敞開，方便天車裝卸錠模和日常保養(yǎng)維修。冶煉開始時，爐體被下方的液壓機構(gòu)托起，與爐子的上部結(jié)構(gòu)爐蓋接合，用專門機構(gòu)鎖緊。爐蓋上端通過真空閥與加料室連接。
由于只將熔煉部分封入真空腔，澆筑通過導流槽導出，使得爐型結(jié)構(gòu)緊湊，熔煉室體積較小，可以更好更快速的控制真空度。與傳統(tǒng)的感應(yīng)熔煉爐相比，具有抽空時間短，漏率低的特點。通過配備PLC邏輯控制系統(tǒng)可達到理想的壓力控制，同時，利用電磁攪拌系統(tǒng)可以平穩(wěn)的攪動熔池，加入的元素在熔池內(nèi)從上到下均勻溶解，保持溫度接近恒定。在澆注錢，通過外置的加熱系統(tǒng)對流道進行加熱降低初始澆注堵塞澆注口和流道熱開裂。通過加入過濾擋板等措施起到緩解鋼水沖擊，提高金屬純度的作用。由于VIDP爐的體積較小，真空檢漏和修復(fù)都更加容易，爐內(nèi)的清理時間也較短，另外利用小型的便于更換的測溫偶即可對爐內(nèi)溫度進行測量。
VIDP爐的缺點主要在于：感應(yīng)圈坩堝緊密安裝與爐體中，當整體翻轉(zhuǎn)時，漏鋼的保護較差。一旦發(fā)生，清理和修復(fù)更加困難。由于結(jié)構(gòu)新穎，設(shè)備制造復(fù)
2.4、感應(yīng)水冷坩堝
水冷坩堝電磁感應(yīng)真空懸浮熔煉方法是近些年來飛速發(fā)展的一種熔煉方法，主要榮來制備高熔點，高純度和極活潑的金屬或非金屬材料。通過將銅坩堝切分成等分的銅瓣結(jié)構(gòu)，并在每一瓣組塊內(nèi)部均通有水冷，此種結(jié)構(gòu)增強了電磁推力，使金屬熔液向中間擠壓，形成駝峰從而脫離坩堝壁。將金屬置于交變電磁場中，該裝置使能力聚集在坩堝內(nèi)部的容積空間，進而在爐料表層形成強大的渦流，一方面釋放出焦耳熱使爐料熔化，另一方面形成洛倫茲力使熔體懸浮并產(chǎn)生強烈的攪拌，加入的合金元素可以很快的均勻的混合在熔液內(nèi)部，使化學成分更加均勻，溫度傳導更加均衡。由于磁懸浮的作用，熔體與坩堝內(nèi)壁脫離接觸，避免了坩堝對熔體的污染，同時，降低了熱量的傳導，增強熱輻射作用，使得金屬熔液散熱降低，從而達到較高的溫度。對于加入的金屬爐料，可以按照要求的時間和設(shè)定的溫度進行熔化和保溫，爐料不需要預(yù)先的加工。水冷坩堝熔煉在排除金屬夾雜物和脫氣精煉程度上可以達到電子束的熔煉水平，而蒸發(fā)的損失則更小，同時能耗更低，生產(chǎn)效率提高。由于感應(yīng)加熱的非接觸加熱特點，對熔體的沖擊更小，對于制備更高純度或極活潑的金屬具有很好的作用。由于設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實現(xiàn)磁懸浮熔煉對于大容量的設(shè)備仍然較為困難，現(xiàn)階段并沒有出現(xiàn)較大容量的水冷銅坩堝熔煉設(shè)備，目前的水冷坩過設(shè)備只應(yīng)用于小容積的金屬熔煉的試驗研究。
3、感應(yīng)熔煉設(shè)備未來發(fā)展趨勢
隨著真空感應(yīng)加熱技術(shù)的發(fā)展，為實現(xiàn)不同功能，爐型的也在不斷變化中。從簡單的熔煉或加熱結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)展為現(xiàn)在可實現(xiàn)不同功能的更加利于生產(chǎn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。而對于未來更加復(fù)雜的工藝過程，如何實現(xiàn)精確的過程控制，測量和提取相關(guān)信息，并盡可能的降低人工成本是感應(yīng)熔煉設(shè)備的發(fā)展方向。
真空感應(yīng)熔煉設(shè)備中使用的絕緣軟管，目前以gates（蓋茨）的CARBON FREE系列為主，占有全國70%以上的占比。
3.1、模塊化
在一套完整的設(shè)備中，對于不同的使用要求，配備有不同的組件。每部分組件各司其職，達到各自的使用目。對于某些確定的爐型，加入某些模塊使設(shè)備更加完善，例如配備完整的測溫系統(tǒng)有助于觀測爐內(nèi)物料隨溫度的變化，對溫度實現(xiàn)更加合理的控制;配備質(zhì)譜儀檢測材料成分和工藝的進展階段，調(diào)整加入合金元素的時間及順序，改善合金性能;配備電子槍離子槍等以解決部分難熔金屬的起熔問題等等。未來的感應(yīng)冶金設(shè)備中，通過不同模塊的不同組合以實現(xiàn)不同的功能，滿足不同的工藝需求成為了發(fā)展的必然趨勢，也是不同領(lǐng)域的相互結(jié)合與借鑒。為達到完善金屬的冶煉工藝，得到性能更優(yōu)的材料的目的，模塊化的設(shè)備將具有更強的市場競爭力。
3.2、智能控制
與傳統(tǒng)冶煉相比，真空感應(yīng)設(shè)備在實現(xiàn)過程控制的方面已經(jīng)具有較大優(yōu)勢。由于計算機技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備中通過人機界面友好的操作，智能的信號采集與合理的程序設(shè)定，可以方便的達到控制冶煉過程的目的，降低人工成本，操作更加簡單方便。
未來的發(fā)展中，更加智能的控制系統(tǒng)將加入到真空設(shè)備中來。對于已經(jīng)制定好的工藝，人們通過智能控制系統(tǒng)，精確的控制冶煉溫度，在特定的時間加入合金材料，完成熔煉，保溫，澆注一系列動作，將變得更加容易。而這一切將全程由計算機控制并記錄下來，減少人為的失誤帶來不必要的損失。對于重復(fù)性較高的冶煉過程，實現(xiàn)更加方便的智能的現(xiàn)代化控制。
3.3、信息化
感應(yīng)熔煉設(shè)備在整個冶煉過程中會產(chǎn)生大量的冶煉信息，感應(yīng)加熱電源的實時參數(shù)變化，爐料，坩堝的溫度場，感應(yīng)圈產(chǎn)生的電磁場，金屬熔體的物理性質(zhì)等等。目前設(shè)備只實現(xiàn)了簡單的數(shù)據(jù)采集，而分析過程則在熔煉完成對數(shù)據(jù)提取之后進行。未來的信息化發(fā)展，數(shù)據(jù)的采集處理，分析過程必將與冶煉過程稍微滯后實現(xiàn)幾乎同步。針對冶金設(shè)備設(shè)備內(nèi)部熔煉的材料進行完整的數(shù)據(jù)采集，通過計算機對數(shù)據(jù)的處理，實時的顯示當前情況下的設(shè)備內(nèi)部溫度場，電磁場，并將信號傳遞出來，通過不同數(shù)據(jù)的實時反饋，方便人們對熔煉過程的實時觀測與調(diào)整，加強了人的干預(yù)和控制。在熔煉過程中，通過及時的調(diào)整，完善工藝，提高合金性能。
4、結(jié)束語
隨著工業(yè)的進步，真空感應(yīng)熔煉技術(shù)以其獨有的優(yōu)勢，近幾十年得到了巨大的發(fā)展，并在工業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用。目前來看，我國的真空感應(yīng)熔煉技術(shù)雖然與國外相比，仍處在落后的局面，但仍然需要相關(guān)從業(yè)人員的不懈努力，提高我國特種冶煉設(shè)備的市場競爭力，盡力早日走在世界一流的前列。
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