真空感應(yīng)熔煉(Vacuum induction melting，簡稱VIM)是指在真空條件下，利用電磁感應(yīng)在金屬導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦流加熱爐料進(jìn)行熔煉的冶金方法。VIM主要應(yīng)用在特殊鋼、精密合金、電熱合金、高溫合金及耐蝕合金等特殊合金領(lǐng)域的生產(chǎn)。本文針對(duì)真空感應(yīng)熔煉的基本原理、工藝過程以及關(guān)鍵技術(shù)等進(jìn)行系統(tǒng)闡釋。真空感應(yīng)熔煉爐熔煉及結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。

1.感應(yīng)熔煉的特點(diǎn)

1.1 真空感應(yīng)熔煉優(yōu)點(diǎn)

（1）在真空環(huán)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(nèi)部氧氣、氮?dú)獾葰怏w雜質(zhì)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(zhì)元素?fù)]發(fā)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?zé)龘p少；

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

（6）熔煉過程中基本無火焰，也無燃燒產(chǎn)物，對(duì)環(huán)境污染小。

1.2 真空感應(yīng)熔煉缺點(diǎn)

（1）設(shè)備復(fù)雜，價(jià)格昂貴，投資大；

（2）維修不方便，冶煉費(fèi)用高，成本比較高；

（3）技術(shù)門檻高，不恰當(dāng)?shù)倪x擇坩堝和耐火材料會(huì)污染金屬；

（4）生產(chǎn)批量小，檢驗(yàn)工作量較大；

（5）渣鋼界面面積小，渣溫低，流動(dòng)性差，反應(yīng)力低，不利于渣鋼界面冶金反應(yīng)，特別是脫硫、脫磷等；

（6）原材料部分雜質(zhì)元素含量要求較為嚴(yán)格。

2.真空感應(yīng)熔煉原理

2.1 電磁感應(yīng)加熱原理

感應(yīng)加熱原理主要依據(jù)兩則電學(xué)基本定律：電磁感應(yīng)定律和焦耳楞茨定律。

（1）電磁感應(yīng)定律

電磁感應(yīng)定律，也叫法拉第電磁感應(yīng)定律，指穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中就有電流產(chǎn)生，這種現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)現(xiàn)象，所產(chǎn)生的電流稱為感應(yīng)電流，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)（電壓）稱為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，跟穿過這一電路的磁通變化率成正比。公式如下所示：

其中：

E：產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；

n：線圈匝數(shù)；

△?：磁通量變化量；

△t：發(fā)生變化所用時(shí)間。

真空感應(yīng)加熱基本模型（1-電流；2-電容器；3-真空室；4-坩堝；5-金屬材料；6-感應(yīng)器）

（2）焦耳楞次定律

焦耳楞茨定律，又稱為電流熱效應(yīng)原理，當(dāng)電流在導(dǎo)體內(nèi)流動(dòng)時(shí)，定向流動(dòng)的電子要克服各種阻力，這種阻力用導(dǎo)體的電阻來描述，電流克服電阻所消耗的能量將以熱能的形式放出。

其中：

Q：熱量；

I：電流強(qiáng)度；

R：導(dǎo)體電阻；

t：導(dǎo)體通電時(shí)間。

給感應(yīng)器通以交流電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變磁場，金屬料棒置于這個(gè)磁場的中心，若把金屬料棒看成多個(gè)同軸薄壁筒組合，每個(gè)薄壁筒都是一個(gè)閉合導(dǎo)電回路，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，每個(gè)閉合導(dǎo)電回路都將產(chǎn)生一個(gè)小的感應(yīng)電流，多個(gè)小電流匯總成大的感應(yīng)電流，感應(yīng)電流流動(dòng)遇金屬棒自身電阻而發(fā)熱，電流很大熱效應(yīng)很強(qiáng)，這個(gè)熱使金屬料棒加熱升溫，以致熔化。

2.2 集膚效應(yīng)和透入深度

（1）集膚效應(yīng)

集膚效應(yīng)指交流電通過導(dǎo)體（冶煉中指爐料)時(shí)，在導(dǎo)體截面上出現(xiàn)電流分布不均勻現(xiàn)象，越靠導(dǎo)體表面電流密度越大，越向中心部位電流密度越小的現(xiàn)象。

集膚效應(yīng)（δ-電流密度分布；H-磁場強(qiáng)度分布）

集膚效應(yīng)和導(dǎo)體半徑大小以及電流頻率有關(guān)。當(dāng)材料相同時(shí)，導(dǎo)體越粗、電流頻率越高，則集膚效應(yīng)越明顯。因?yàn)楦袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)取決于磁通變化速率d?/dt。當(dāng)導(dǎo)體半徑一定時(shí)，頻率越高，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越強(qiáng)，集膚效應(yīng)就越明顯。當(dāng)電流頻率一定時(shí)，通過導(dǎo)體半徑增加，則通過導(dǎo)體的磁通增大，導(dǎo)體外層的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)差也就越大，所以集膚效應(yīng)也就越明顯。

（2）透入深度

透入深度是表征感應(yīng)電流趨膚效應(yīng)程度的一個(gè)物理量。當(dāng)一導(dǎo)體通以交流電后，產(chǎn)生集膚效應(yīng)，導(dǎo)體截面上的電流密度從表面向中心由最大到最小連續(xù)變化，在集膚效應(yīng)十分明顯時(shí)，其變化規(guī)律服從指數(shù)規(guī)律衰減。

電流透入深度

由焦耳楞次定律可知，電流流經(jīng)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與電流的平方成正比，因此功率密度由表面向中心的衰減速度較電流的衰減更為劇烈，即大部分能量分散在表層中。

2.3 鄰近效應(yīng)與圓環(huán)效應(yīng)

（1）鄰近效應(yīng)

當(dāng)兩根通以交流電的導(dǎo)體相互靠近時(shí)，或?qū)⒁桓妼?dǎo)體移向另一根通電導(dǎo)體時(shí)，在相互的影響下，兩根導(dǎo)體中的電流都要做重新分布，這種現(xiàn)象叫鄰近效應(yīng)。

兩根相靠近的導(dǎo)體中，通以相同方向的電流時(shí)，兩根導(dǎo)體外側(cè)的電流密度大于內(nèi)側(cè)；而當(dāng)兩根導(dǎo)體中通以相反方向的電流時(shí)，兩根導(dǎo)體內(nèi)側(cè)的電流密度大于外側(cè)。鄰近效應(yīng)和導(dǎo)體間的距離有關(guān)，距離越近鄰近效應(yīng)越明顯。

（2）圓環(huán)效應(yīng)

當(dāng)圓環(huán)形導(dǎo)體通以交流電時(shí)，出現(xiàn)圓環(huán)內(nèi)側(cè)的電流密度高于外側(cè)的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象叫圓環(huán)效應(yīng)，又稱線圈效應(yīng)。

圓環(huán)效應(yīng)

2.4 電動(dòng)力效應(yīng)與電磁攪拌

將一帶電導(dǎo)體放入磁場中，磁場對(duì)帶電導(dǎo)體產(chǎn)生作用力，使帶電導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)，這種力在物理學(xué)上叫電動(dòng)力效應(yīng)。

在感應(yīng)爐工作的狀態(tài)下，感應(yīng)爐坩堝中熔融金屬材料就是一個(gè)帶感應(yīng)電流的帶電導(dǎo)體，并處于感應(yīng)器所產(chǎn)生的強(qiáng)磁場中，產(chǎn)生電動(dòng)力效應(yīng)。由于感應(yīng)器屬于短線圈，兩頭有端部效應(yīng)，感應(yīng)器兩頭相應(yīng)的電動(dòng)力變小，電動(dòng)力的分布上下小，中間大，受電動(dòng)力作用金屬液產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)規(guī)律服從受力規(guī)律。由于中間力大，兩頭力小，金屬首先從中部開始向著坩堝軸線運(yùn)動(dòng)，到中心相匯后，分別向上和向下流去，后續(xù)金屬推動(dòng)這種現(xiàn)象連續(xù)不斷，便形成金屬循環(huán)運(yùn)動(dòng)，金屬液運(yùn)動(dòng)帶來對(duì)自身的攪拌作用，叫做電磁攪拌。

電動(dòng)力效應(yīng)

真空感應(yīng)熔煉爐的電磁攪拌特點(diǎn)主要包括：

①加速熔煉過程中的物化反應(yīng)速度；

②均勻熔融金屬液成分；

③坩堝內(nèi)金屬液溫度趨于一致，熔煉中反應(yīng)更徹底；

④克服自身靜壓力作用，將坩堝深處的溶解氣泡翻到液面上來，便于氣體排出，減少合金的氣體夾雜含量；

⑤猛烈攪拌增強(qiáng)金屬液對(duì)坩堝的機(jī)械沖刷，影響坩堝壽命；

⑥加速坩堝耐火材料在高溫下的分解，構(gòu)成對(duì)熔融合金的再次污染。

3.真空感應(yīng)熔煉工藝

真空感應(yīng)爐熔煉主要分為裝料、熔化、精煉、澆注等幾個(gè)階段。

3.1 裝料

3.1.1 原料要求

（1）準(zhǔn)確掌握各種冶煉原材料的化學(xué)成分，不允許混亂；

（2）原材料中S、P含量低，低熔點(diǎn)有色金屬雜質(zhì)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(chǔ)存在干燥環(huán)境，以免熔煉時(shí)帶入氣體，產(chǎn)生噴濺；

（6）根據(jù)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。

3.1.2 裝料要求

真空感應(yīng)熔煉在真空室內(nèi)進(jìn)行，裝料與普通感應(yīng)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(nèi)；
（2）坩堝內(nèi)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(qū)；
（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(yù)熱和順利塌料；

（4）裝料應(yīng)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(xiàn)“架橋”；
（5）裝料時(shí)坩堝稍向前傾，上部裝料避免平攤放置，向出鋼─側(cè)集中；
（6）熱爐條件下應(yīng)快速裝料，防止感應(yīng)圈水冷表面凝結(jié)水珠，坩堝吸氣增多，延長抽氣時(shí)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(yīng)在金屬液脫氧良好的條件下加入；

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

3.2 熔化

熔化期的主要任務(wù)：爐料熔化、去氣、去除低熔點(diǎn)有害雜質(zhì)和非金屬夾雜物，使金屬液溫度適當(dāng)、熔池上真空度符合要求，為精煉創(chuàng)造條件。熔化期在整個(gè)冶煉過程中時(shí)間最長。熔化期關(guān)鍵技術(shù)如下︰

（1）真空度

合爐后，抽至高真空度<10Pa進(jìn)行送電加熱，爐料熔化前保持較高的真空度。熔化期內(nèi)，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(zhì)和非金屬夾雜物的排除。

（2）供電制度

熔化初期，由于感應(yīng)電流的集膚效應(yīng)，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(shí)，根據(jù)金屬爐料的不同特點(diǎn)，逐級(jí)增加輸入功率，使?fàn)t料以適當(dāng)?shù)乃俣热刍?。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(bǔ)加料太快或含氣過多，金屬液溫度過高等都會(huì)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(huán)形殼，不但損失大量金屬材料，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致冶煉工作無法進(jìn)行。如果發(fā)生噴濺，可采取降低熔化速度（減小輸入功率）或適當(dāng)提高熔煉室壓力（關(guān)閉真空閥門或充入一定量的Ar氣）的方法加以控制。

3.3 精煉

精煉期的主要任務(wù)︰脫氧、去氣、去除揮發(fā)性夾雜、調(diào)整溫度、調(diào)整成分。精煉過程中須控制好精煉溫度、真空度、真空時(shí)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(yīng)及夾雜的分解揮發(fā)，但溫度過高，會(huì)加劇坩堝與金屬間的反應(yīng)、增加合金元素的揮發(fā)損失，因此，通常合金鋼的精煉溫度控制在所煉金屬的熔點(diǎn)以上100°C。

（2）真空度

真空度提高促進(jìn)碳氧反應(yīng)，隨著CO氣泡的上浮排出，有利于[H]和[N]的析出、非金屬夾雜的上浮、氮化物的分解、微量有害元素的揮發(fā)。但過高的真空度會(huì)加劇坩堝與金屬間的反應(yīng)、增加合金元素的揮發(fā)損失，所以對(duì)于大型真空感應(yīng)爐，精煉期的真空度通?？刂圃?5~150Pa，小型爐控制在10Pal以下。

（3）真空時(shí)間

金屬液內(nèi)氧含量先降后升，因此，氧含量達(dá)到最低值的時(shí)間，為精煉最佳時(shí)間，500kg真空感應(yīng)熔煉爐精煉時(shí)間為50~70min。爐料熔清后，立即加入適量的塊狀石墨或其他高碳材料進(jìn)行碳氧反應(yīng)。

（4）合金化

精煉后期，充分脫氧、去氣、揮發(fā)夾雜物后，加入活潑金屬和微量添加元素，調(diào)整成分，進(jìn)行合金化，加入順序一般為AI、Ti、Zr、B、Re、Mg、Ca，做到均勻、緩慢，以免產(chǎn)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(fā)性較強(qiáng)，一般在出鋼前3~5min加入。

3.4 澆注

鋼液的出鋼溫度、澆注溫度關(guān)系到成品的冶金質(zhì)量，澆注時(shí)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(shí)的補(bǔ)縮，需要鋼液有一定的過熱度，以保持良好的流動(dòng)性。但溫度過高，柱狀晶區(qū)加寬，偏析增大，錠子各向異性大，縮孔加深，鋼錠和電極拉裂傾向增加，甚至粘?；蚶瓟?，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(zhì)量下降，等軸粗晶區(qū)擴(kuò)大，夾雜物增多，疏松嚴(yán)重，造成短尺廢品。因此，澆注溫度一般控制在液相點(diǎn)以上50~80℃。

（2）帶電澆注

帶電澆注的目的︰一是在澆注時(shí)將浮渣推向坩堝后側(cè)，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(yīng)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(fù)擔(dān)，保證合金質(zhì)量，可避免紅熱金屬的氧化和移動(dòng)鑄模，破壞結(jié)晶的正常進(jìn)行。對(duì)于成分復(fù)雜的高溫合金，澆注后可在真空下冷卻。

4.真空感應(yīng)熔煉關(guān)鍵工藝

4.1 脫氧

氧在鋼中為有害元素，在煉鋼過程中自然進(jìn)入，主要以FeO、MnO、SiO₂、Al₂O₃等夾雜形式存在，使鋼的強(qiáng)度、塑性降低，尤其是對(duì)疲勞強(qiáng)度、沖擊韌性等有嚴(yán)重影響。在煉鋼末期加入錳、硅、鋁進(jìn)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(jìn)行沉淀脫氧，脫氧后形成的氧化物夾雜會(huì)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(yīng)會(huì)進(jìn)行的更完全，脫氧為氣態(tài)產(chǎn)物，不會(huì)遺留非金屬夾雜物。

當(dāng)氣相壓力降至0.1atm時(shí)，碳的脫氧能力可超過硅；若氣相壓力降至133.322Pa時(shí)，碳的脫氧能力可超過鋁。但碳的脫氧能力并不會(huì)隨著真空度的提高而無限制的提高，因?yàn)橹挥幸簹夥纸缑娴奶佳醴磻?yīng)只遵循熱力學(xué)原理，金屬液體內(nèi)部的碳氧反應(yīng)不僅遵循熱力學(xué)原理，還要受到動(dòng)力學(xué)條件的約束。金屬液體內(nèi)部如果要形成CO氣泡，CO的生成壓必須大于爐氣壓力、氣泡產(chǎn)生處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（即增加真空度）難以達(dá)到，此時(shí)限制碳脫氧的主要因素是表面張力和靜壓力。

鎂砂搗打坩堝在高真空度、高溫度下容易分解，使鋼液進(jìn)一步增氧，對(duì)鋼液的脫氧產(chǎn)生不利影響。用氧化鈣坩堝熔煉鋼液時(shí)，由于氧化鈣優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，在真空精煉時(shí)不會(huì)對(duì)鋼液增氧，但真空度過高（如系統(tǒng)壓力小于1Pa時(shí)），氧化鈣熱穩(wěn)定性會(huì)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(shí)踐中獲得良好效果，采用孔隙度為10ppi的Al₂O₃和CaO過濾網(wǎng)，對(duì)于氧的脫除有效果。

4.2 脫氮

氮對(duì)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(qiáng)度顯著提高，塑性特別是韌性顯著降低，可焊性變差，同時(shí)增加時(shí)效傾向及冷脆性和熱脆性。因此，應(yīng)盡量減小和限制鋼中的氮含量，一般規(guī)定氮含量不高于0.018%。

中國科學(xué)院金屬研究所牛建平等人研究了真空感應(yīng)熔煉超純凈鎳基高溫合金脫氮的工藝。發(fā)現(xiàn)在氧化鈣坩堝中精煉加AI對(duì)脫氮有促進(jìn)作用；Ti加入對(duì)脫氮有明顯阻礙作用；提高真空度，可降低合金元素對(duì)脫氮的不利影響，達(dá)到極低含氮量。

4.3 脫氫

氫是一般鋼中最有害的元素，鋼中溶有氫會(huì)引起鋼的氫脆、白點(diǎn)等缺陷。氫與氧、氮一樣，在固態(tài)鋼中溶解度極小，在高溫時(shí)溶入鋼液，冷卻時(shí)來不及溢出而積聚在組織中形成高壓細(xì)微氣孔，使鋼的塑性、韌度和疲勞強(qiáng)度急劇降低，嚴(yán)重時(shí)造成裂紋、脆斷。

氫在空氣中以分子狀態(tài)存在，在金屬中則以單原子或離子狀態(tài)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，提高熔煉真空度有助于除氫。

4.4 錳含量控制

錳能提高鋼材強(qiáng)度、提高淬透性、改善熱加工性能，并且價(jià)格相對(duì)便宜，與鐵無限固溶，在提高鋼材強(qiáng)度的同時(shí)，對(duì)塑性的影響相對(duì)較小。因此，錳被廣泛用于鋼中。

由于錳的蒸汽壓比較高，在高真空下?lián)]發(fā)嚴(yán)重，在鋼中含量不容易控制，經(jīng)過研究，在1500℃熔煉時(shí)，錳的蒸汽壓大約為2.7kPa，采用3kPa充氬量可以抑制錳的揮發(fā)，達(dá)到對(duì)錳含量的控制。

4.5 控制熔煉過程放電

（1）利用真空機(jī)組改變真空室內(nèi)壓力防止放電

（2）依真空室內(nèi)壓力變化，確定是否采用油增壓擴(kuò)散泵抽真空抑制放電

（3）嚴(yán)肅真空衛(wèi)生要求，消除導(dǎo)電塵埃防止放電

（4）合理調(diào)整真空度與送電功率解決放電問題

（5）降低感應(yīng)器的輸入電壓減少放電

創(chuàng)造符合設(shè)備要求的條件
（1）從被熔材料入手解決放電問題
（2）根據(jù)爐料參數(shù)或選定的爐料放電規(guī)律制定合理熔煉工藝解決放電問題

（3）控制鋼液沸騰和飛濺防止放電

（4）采用保護(hù)氣體熔煉避免放電

（5）采用重熔解決放電問題

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