标题：真空感应熔炼的基本原理
前言
各位小伙伴，北京科大分析检验中心全面整合北京科技大学实验检测资源，作为学校统一的、集中的窗口面向社会提供科研实验和分析检测服务。本次向大家推介熔炼实验室相关设备——中频真空感应熔炼炉。
真空感应熔炼炉
原理简介
真空感应熔炼炉是在真空和气体保护条件下，利用中频感应加热原理，使金属发热熔化的真空冶炼成套设备。具有熔炼室体积小、抽真空时间和熔炼周期短、便于温度压力控制、准确控制合金成分等特点。主要应用于各种贵重金属、高温合金、钛合金、不锈钢、稀土合金、高熵合金、超高强度钢等特种合金材料的熔炼
真空感应熔炼技术源于感应加热技术，遵循电磁感应、集肤效应、热传导三个基本原则。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。而真空条件相对于非真空条件对于热量损耗、环保方面都有改进，防止活泼金属的再氧化并且有利于某些有害元素的去除。
电磁感应原理
工艺流程
?真空感应熔炼炉工艺流程，其整个周期可分为以下几个主要阶段，即装料、熔化、精炼、浇注。
装料
真空感应炉所用炉料一般都是经过表面除锈和除油污后的高纯原料，有的合金元素还以纯金属形式加入。严禁采用潮湿的炉料，以免带入气体和在熔炼时产生喷溅。
熔化期
装料完毕后，应开始抽真空，达到一定真空度，便可送电加热炉料。熔化初期，由于感应电流的集肤效应，炉料逐层熔化，这种逐层熔化非常有利于去气和去除非金属夹杂，所以熔化期要保持较高真空度，根据金属炉料的不同特点，逐级增加输入功率，使炉料以适当的速度熔化。当金属全部熔化，熔池表面无气泡逸出时，熔炼进入精炼期。
▲熔炼
▼熔炼
精炼期
精炼期的主要任务是:脱氧、去气、去除挥发性夹杂、调整温度、调整成分。为完成上述任务必须控制好精炼温度、真空度和真空下保持时间等工艺参数。
a、精炼温度：温度升高有利于碳氧反应的进行、夹杂的分解挥发;但温度过高会加剧堆蜗与金属间的反应、增加合金元素的挥发损失，所以通常合金钢的精炼温度控制在所炼金属的熔点以上 100°C。
b、真空度：真空度提高将促进碳氧反应，随着CO气泡的上浮排出，有利于 (H) 和 (N) 的析出、非金属夹杂的上浮、氮化物的分解、微量有害元素的挥发。
浇铸
经过熔炼的金属液体，当温度和液体成分达到工艺要求后即可出炉进行浇铸。真空感应熔炉浇铸出炉需要对出炉的温度进行严格的控制，并采用氩气进行保护，避免出现便面缺陷或二次氧化、偏析、内裂等问题，给合金质量带来严重的影响。浇铸后根据不同的构件特征和材料种类选择合适的保持时间。
设备介绍
真空熔炼炉示意图
在熔炼过程中，通过真空环境以及感应加热的控制，可在不破坏熔炼室真空情况下进行观察、补加料和合金成份调整等，以达到精炼的目的，使得最终浇注的合金材料杂质更少，添加的合金比例更合适，更加符合工艺对材料各性能的要求。
浇铸可浇一锭，或装入预热保温锭模、水冷锭模、砂型箱等。
?
设备参数
名称
真空中频感应熔炼炉
型号
ZGJL0.01-50-4K
额定容量
6KG
使用温度
≤1650℃，根据物料需求选定温度
真空度
6.67x10^(-2)Pa(冷态)
压升率
≤3Pa/h
输入电压
380V 3相，50Hz
输出中频电压
300V
额定功率
4000HZ
浇筑倾斜角度
冷却水流量
10 t/h
阀门
气动系统
配置
合金加料器、搅拌装置、
铸模冷却或预热，气氛保护等
细节展示
?
熔炼检测一体化服务
北京科大分析检验中心现有6kg和25kg中频真空感应熔炼炉各一台，6kg熔炼炉已具备对外服务能力，25kg熔炼炉正在升级改造中，可根据客户需求和工艺要求，熔炼各种贵重金属、高温合金、钛合金、不锈钢、稀土合金、高熵合金、超高强度钢等特种合金材料，能满足客户从产品科研及工艺试验到小批量或中试生产的需求。
同时，依托于北科检测服务平台，能全面提供包括材料制备、合金成分分析、物理力学性能测试、化学与环境分析测试、组织结构分析、金相及热处理等各类分析测试服务，为广大客户提供从熔炼试验到各项性能检测的服务。欢迎有相关熔炼需求的客户咨询送样。
6kg科研实验
25kg中试生产
送样咨询
????Consultation
关于北科检测
※
1、组织结构类测试服务
2、力学类测试服务
3、化学与环境类测试服务
4、腐蚀与电化学类测试服务
5、物性类测试服务
6、金相分析及热处理服务
7、机加工服务、材料制备服务
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测试类目
力学类测试
物理性能
样品熔炼
化学、环境
X射线类
金相、热处理
电镜、腐蚀类
机加工服务
服务窗口：
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服务社会需求，促进科技创新，北京科技大学研发实验服务基地永远与创新创业者同行。
END
标题：真空感应熔炼炉用途
半连续真空感应熔炼炉
100-500KG 半连续真空感应熔炼炉
在真空状态下通过电磁感应加热使金属熔化称为真空感应熔炼。真空感应炉主体结构包括炉体、坩埚、感应线圈、真空系统，熔炼电源和控制系统，熔炼电源为中频交流电源，其频率的选择取决于金属属性和熔炼量。
真空感应熔炼能够实现精炼，杂质通过熔炼过程的化学反应被移除、分解、浮选和挥发。当金属被熔化到理想的纯净状态时，一般通过预热的漏斗浇注到模型内。
真空感应熔炼一般用于生产超级合金、不锈钢、复合磁铁合金和其他重要的高级合金。
1、真空感应熔炼炉用途：?
用于不锈钢、高温合金及磁性材料的熔炼提纯，生产用于精密铸造和重熔电极的合金棒料。
2、真空感应熔炼炉特点：?
2.1、双层不锈钢水冷炉壁延长设备的使用寿命。
2.2、高效感应加热中频电源。
2.3、多室结构：浇铸室、装模室、加料室。
2.4、多组装料系统在真空状态下直接加料满足快速熔炼。
2.5、低电阻率湿式过滤器用于保护真空泵和减少火灾风险。
2.6、计算机和 PLC 自动控制系统。
2.7、在真空状态下加合金、取样、测温、倒料。
3、真空感应熔炼炉技术指标：
3.1、极限真空：6.6×10-3Pa
3.2、压升率：1.0Pa/h
3.3、中频功率：50－2000KW
3.4、最 高温度：2300℃
3.5、装料量：10－500Kg
VIM-1KG//VIM-5KG//VIM-50KG//
VIM-150KG//VIM-300KG//VIM-500KG
标题：真空感应熔炼炉原理是什么
真空感应熔炼（Vacuum induction melting，简称VIM）是指在真空条件下，利用电磁感应在金属导体内产生涡流加热炉料进行熔炼的冶金方法。VIM主要应用在特殊钢、精密合金、电热合金、高温合金及耐蚀合金等特殊合金领域的生产。本文针对真空感应熔炼的基本原理、工艺过程以及关键技术等进行系统阐释。真空感应熔炼炉熔炼及结构示意图如下图所示。
1. 真空感应熔炼特点
1.1 真空感应熔炼优点
?（1）在真空环境下，没有空气和炉渣污染，金属不易氧化、吸气少，合金纯净，性能更好；
?（2）真空下冶炼，有利于金属内部氧气、氮气等气体杂质的去除，气体含量低；
?（3）有利于铜、锌、铅、锑、铋、锡和砷等高蒸汽压的金属杂质元素挥发去除；
?（4）有利于成分控制，特别是铝、钛、硼及锆等活性元素等控制，合金元素烧损少；
?（5）熔池中存在电磁搅拌，促进钢水成分和温度均匀，有利于钢中夹杂物的合并、长大和上浮；
?（6）熔炼过程中基本无火焰，也无燃烧产物，对环境污染小。
1.2 真空感应熔炼缺点
?（1）设备复杂，价格昂贵，投资大；
?（2）维修不方便，冶炼费用高，成本比较高；
?（3）技术门槛高，不恰当的选择坩埚和耐火材料会污染金属；
?（4）生产批量小，检验工作量较大；
?（5）渣钢界面面积小，渣温低，流动性差，反应力低，不利于渣钢界面冶金反应，特别是脱硫、脱磷等；
?（6）原材料部分杂质元素含量要求较为严格。
2. 真空感应熔炼原理
2.1 电磁感应加热原理
?感应加热原理主要依据两则电学基本定律：电磁感应定律和焦耳楞茨定律。
（1）电磁感应定律
?电磁感应定律，也叫法拉第电磁感应定律，指穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就有电流产生，这种现象称为电磁感应现象，所产生的电流称为感应电流，产生的电动势（电压）称为感应电动势。电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通变化率成正比。公式如下所示：
En??/?t
其中：
E ：产生的感应电动势；
n ：线圈匝数；
Δ?：磁通量变化量；
Δt：发生变化所用时间。
真空感应加热基本模型（1-电流；2-电容器；3-真空室；4-坩埚；5-金属材料；6-感应器）
（2）焦耳楞茨定律
?焦耳楞茨定律，又称为电流热效应原理，当电流在导体内流动时，定向流动的电子要克服各种阻力，这种阻力用导体的电阻来描述，电流克服电阻所消耗的能量将以热能的形式放出。
其中：
I：电流强度；
R：导体电阻；
t：导体通电时间。
?给感应器通以交流电时，会产生一个交变磁场，金属料棒置于这个磁场的中心，若把金属料棒看成多个同轴薄壁筒组合，每个薄壁筒都是一个闭合导电回路，根据电磁感应原理，每个闭合导电回路都将产生一个小的感应电流，多个小电流汇总成大的感应电流，感应电流流动遇金属棒自身电阻而发热，电流很大热效应很强，这个热使金属料棒加热升温，以致熔化。
2.2 集肤效应和透入深度
（1）集肤效应
?集肤效应指交流电通过导体（冶炼中指炉料）时，在导体截面上出现电流分布不均匀现象，越靠导体表面电流密度越大，越向中心部位电流密度越小的现象。
集肤效应（δ-电流密度分布；H-磁场强度分布）
?集肤效应和导体半径大小以及电流频率有关。当材料相同时，导体越粗、电流频率越高，则集肤效应越明显。因为感应电动势取决于磁通变化速率d?/dt。当导体半径一定时，频率越高，感应电动势越强，集肤效应就越明显。当电流频率一定时，通过导体半径增加，则通过导体的磁通增大，导体外层的感应电动势差也就越大，所以集肤效应也就越明显。
（2）透入深度
?透入深度是表征感应电流趋肤效应程度的一个物理量。当一导体通以交流电后，产生集肤效应，导体截面上的电流密度从表面向中心由到最小连续变化，在集肤效应十分明显时，其变化规律服从指数规律衰减。
电流透入深度
?由焦耳楞次定律可知，电流流经导体产生的热量与电流的平方成正比，因此功率密度由表面向中心的衰减速度较电流的衰减更为剧烈，即大部分能量分散在表层中。
2.3 邻近效应与圆环效应
（1）邻近效应
?当两根通以交流电的导体相互靠近时，或将一根通电导体移向另一根通电导体时，在相互的影响下，两根导体中的电流都要做重新分布，这种现象叫邻近效应。
?两根相靠近的导体中，通以相同方向的电流时，两根导体外侧的电流密度大于内测；而当两根导体中通以相反方向的电流时，两根导体内测的电流密度大于外侧。邻近效应和导体间的距离有关，距离越近邻近效应越明显。
邻近效应
（2）圆环效应
?当圆环形导体通以交流电时，出现圆环内侧的电流密度高于外侧的现象，这种现象叫圆环效应，又称线圈效应。
圆环效应
2.4 电动力效应与电磁搅拌
?将一带电导体放入磁场中，磁场对带电导体产生作用力，使带电导体运动，这种力在物理学上叫电动力，这种现象叫电动力效应。
?在感应炉工作的状态下，感应炉坩埚中熔融金属材料就是一个带感应电流的带电导体，并处于感应器所产生的强磁场中，产生电动力效应。由于感应器属于短线圈，两头有端部效应，感应器两头相应的电动力变小，电动力的分布上下小，中间大，受电动力作用金属液产生运动，运动规律服从受力规律。由于中间力大，两头力小，金属首先从中部开始向着坩埚轴线运动，到中心相汇后，分别向上和向下流去，后续金属推动这种现象连续不断，便形成金属循环运动，金属液运动带来对自身的搅拌作用，叫做电磁搅拌。
电动力效应
?真空感应熔炼炉的电磁搅拌特点主要包括：①加速熔炼过程中的物化反应速度；②均匀熔融金属液成分；③坩锅内金属液温度趋于一致，熔炼中反应更彻底；④克服自身静压力作用，将坩锅深处的溶解气泡翻到液面上来，便于气体排出，减少合金的气体夹杂含量；⑤猛烈搅拌增强金属液对坩锅的机械冲刷，影响坩锅寿命；⑥加速坩锅耐火材料在高温下的分解，构成对熔融合金的再次污染。
3. 真空感应熔炼工艺
?真空感应炉熔炼主要分为装料、熔化、精炼、浇注等几个阶段。
3.1 装料
3.1.1 原料要求
?（1）准确掌握各种冶炼原材料的化学成分，不允许混乱；
?（2）原材料中S、P含量低，低熔点有色金属杂质Pb、Bi、Sn等要低；
?（3）原材料气体含量要少；
?（4）原材料要特别清洁、无锈，无油污；
?（5）原材料储存在干燥环境，以免熔炼时带入气体，产生喷溅；
?（6）根据炉子容量大小和电源频率，控制原材料尺寸；
?（7）原料可以是返回料、精钢材、纯金属、中间合金。
3.1.2 装料要求
真空感应熔炼在真空室内进行，装料与普通感应熔炼有所不同，全部原料分成两部分：一部分直接装入坩埚；一部分装入合金料箱中，以便在熔炼过程中投入熔池。
坩埚中装料要求：
?（1）基本材料Fe、Ni、W、Mo、Co、V、C等可直接装入坩埚内；
?（2）坩埚内温度不均匀，下高上低，原则上难熔金属和量多元素装在高温区；
?（3）坩埚底部放小块料，以便快速形成熔池，大块料放在坩埚中上部，利于预热和顺利塌料；
?（4）装料应做到上松下紧，以防熔化过程中上部炉料因卡住或焊接而出现“架桥”；
?（5）装料时坩埚稍向前倾，上部装料避免平摊放置，向出钢一侧集中；
?（6）热炉条件下应快速装料，防止感应圈水冷表面凝结水珠，坩埚吸气增多，延长抽气时间，温度降低，影响坩埚寿命。
装入合金料箱中的材料主要包括：
（1）活泼、易氧化和微量元素（如Al、Ti、Ce、Zr和B等）应在金属液脱氧良好的条件下加入；
（2）蒸汽压高、易挥发的元素（如Mn）加入时，熔炼室应先充以惰性气体Ar，控制炉内气压。
3.2 熔化
?熔化期的主要任务：炉料熔化、去气、去除低熔点有害杂质和非金属夹杂物，使金属液温度适当、熔池上真空度符合要求，为精炼创造条件。熔化期在整个冶炼过程中时间最长。熔化期关键技术如下：
?（1）真空度
?合炉后，抽至高真空度≤10Pa进行送电加热，炉料熔化前保持较高的真空度。熔化期内，熔池由浅渐深，新的金属液面不断裸露出来，高真空度，有利于气体、有害杂质和非金属夹杂物的排除。
?（2）供电制度
?熔化初期，由于感应电流的集肤效应，炉料逐层熔化。炉料逐层熔化有利于去气和去除非金属夹杂，因此，熔化期要保持较高真空度和缓慢的熔化速度。需要合理的供电制度，开始熔化时，根据金属炉料的不同特点，逐级增加输入功率，使炉料以适当的速度熔化。若熔化过快，则气体有可能从金属液中急剧析出，引起熔池的剧烈沸腾，甚至喷溅。
?（3）熔化期喷溅
?熔化速度过快，大块冷料落入熔池，补加料太快或含气过多，金属液温度过高等都会引起熔化期金属液大量喷溅。喷出的金属液大都黏附在坩埚壁上部，形成环形壳，不但损失大量金属材料，严重时还会导致冶炼工作无法进行。如果发生喷溅，可采取降低熔化速度（减小输入功率）或适当提高熔炼室压力（关闭真空阀门或充入一定量的Ar气）的方法加以控制。
3.3 精炼
?精炼期的主要任务：脱氧、去气、去除挥发性夹杂、调整温度、调整成分。精炼过程中须控制好精炼温度、真空度、真空时间以及合金化等工艺。
?（1）精炼温度
高精炼温度有利于碳氧反应及夹杂的分解挥发，但温度过高，会加剧坩埚与金属间的反应、增加合金元素的挥发损失，因此，通常合金钢的精炼温度控制在所炼金属的熔点以上100℃。
?（2）真空度
?真空度提高促进碳氧反应，随着CO气泡的上浮排出，有利于[H]和[N]的析出、非金属夹杂的上浮、氮化物的分解、微量有害元素的挥发。但过高的真空度会加剧坩埚与金属间的反应、增加合金元素的挥发损失，所以对于大型真空感应炉，精炼期的真空度通常控制在15~150Pa，小型炉控制在10Pa以下。
?（3）真空时间
?金属液内氧含量先降后升，因此，氧含量达到值的时间，为精炼时间，500kg真空感应熔炼炉精炼时间为50~70min。炉料熔清后，立即加入适量的块状石墨或其他高碳材料进行碳氧反应。
?（4）合金化
?精炼后期，充分脱氧、去气、挥发夹杂物后，加入活泼金属和微量添加元素，调整成分，进行合金化，加入顺序一般为Al、Ti、Zr、B、Re、Mg、Ca，做到均匀、缓慢，以免产生喷溅，加入后大功率搅拌1~2min，加速合金熔化和分布均匀。由于Mn的挥发性较强，一般在出钢~5min加入。
3.4 浇注
?钢液的出钢温度、浇注温度关系到成品的冶金质量，浇注时可采用保温帽或绝热板。
?（1）浇注温度
?在浇注和金属凝固过程中，钢液中气体的溢出，夹杂物的上浮，钢液凝固时的补缩，需要钢液有一定的过热度，以保持良好的流动性。但温度过高，柱状晶区加宽，偏析增大，锭子各向异性大，缩孔加深，钢锭和电极拉裂倾向增加，甚至粘模或拉断，造成废品；温度过低，不利于气体和夹杂的去除，钢锭或电极表面质量下降，等轴粗晶区扩大，夹杂物增多，疏松严重，造成短尺废品。因此，浇注温度一般控制在液相点以上50~80℃。
?（2）带电浇注
?带电浇注的目的：一是在浇注时将浮渣推向坩锅后侧，避免流入钢锭和电极中，二是保持钢液温度均匀，减少温差。
?（3）浇注后保持真空
4. 真空感应熔炼关键工艺
4.1 脱氧
?氧在钢中为有害元素，在炼钢过程中自然进入，主要以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夹杂形式存在，使钢的强度、塑性降低，尤其是对疲劳强度、冲击韧性等有严重影响。在炼钢末期加入锰、硅、铝进行脱氧，但不能除尽。
?硅、铝等金属可进行沉淀脱氧，脱氧后形成的氧化物夹杂会部分残留在钢中，降低钢的纯洁度。
?（2）碳脱氧
?在常压下，碳的脱氧能力较弱，但在真空条件下，碳氧反应会进行的更完全，脱氧为气态产物，不会遗留非金属夹杂物。
?当气相压力降至0.1atm时，碳的脱氧能力可超过硅；若气相压力降至133.322Pa时，碳的脱氧能力可超过铝。但碳的脱氧能力并不会随着真空度的提高而无限制的提高，因为只有液气分界面的碳氧反应只遵循热力学原理，金属液体内部的碳氧反应不仅遵循热力学原理，还要受到动力学条件的约束。金属液体内部如果要形成CO气泡，CO的生成压必须大于炉气压力、气泡产生处金属液柱的静压力和表面张力造成的压力之和。因而仅减小炉气压力（即增加真空度）难以达到，此时限制碳脱氧的主要因素是表面张力和静压力。
?镁砂捣打坩埚在高真空度、高温度下容易分解，使钢液进一步增氧，对钢液的脱氧产生不利影响。用氧化钙坩埚熔炼钢液时，由于氧化钙优异的热稳定性，在真空精炼时不会对钢液增氧，但真空度过高（如系统压力小于1Pa时），氧化钙热稳定性会降低，不利于钢液的深度脱氧。
?（3）过滤
?获得超纯净合金的最重要的辅助方法是过滤，并在实践中获得良好效果，采用孔隙度为10ppi的Al2O3和CaO过滤网，对于氧的脱除有效果。
4.2 脱氮
?氮对钢材性能的影响与碳、磷相似，随着氮含量的增加，可使钢材的强度显著提高，塑性特别是韧性显著降低，可焊性变差，同时增加时效倾向及冷脆性和热脆性。因此，应尽量减小和限制钢中的氮含量，一般规定氮含量不高于0.018%。
?中国科学院金属研究所牛建平等人研究了真空感应熔炼超纯净镍基高温合金脱氮的工艺。发现在氧化钙坩埚中精炼加Al对脱氮有促进作用；Ti加入对脱氮有明显阻碍作用；提高真空度，可降低合金元素对脱氮的不利影响，达到极低含氮量。
4.3 脱氢
?氢是一般钢中最有害的元素，钢中溶有氢会引起钢的氢脆、白点等缺陷。氢与氧、氮一样，在固态钢中溶解度极小，在高温时溶入钢液，冷却时来不及逸出而积聚在组织中形成高压细微气孔，使钢的塑性、韧度和疲劳强度急剧降低，严重时造成裂纹、脆断。
?氢在空气中以分子状态存在，在金属中则以单原子或离子状态存在，这种双原子气体在金属中的溶解度与气体分压力的平方根成正比，因此，提高熔炼真空度有助于除氢。
4.4 锰含量控制
?锰能提高钢材强度、提高淬透性、改善热加工性能，并且价格相对便宜，与铁无限固溶，在提高钢材强度的同时，对塑性的影响相对较小。因此，锰被广泛用于钢中。
?由于锰的蒸汽压比较高，在高真空下挥发严重，在钢中含量不容易控制，经过研究，在1500℃熔炼时，锰的蒸汽压大约为2.7kPa，采用3kPa充氩量可以抑制锰的挥发，达到对锰含量的控制。
4.5 控制熔炼过程放电
?（1）利用真空机组改变真空室内压力防止放电
?（2）依真空室内压力变化，确定是否采用油增压扩散泵抽真空抑制放电
?（3）严肃真空卫生要求，消除导电尘埃防止放电
?（4）合理调整真空度与送电功率解决放电问题
?（5）降低感应器的输入电压减少放电
创造符合设备要求的条件
?（2）根据炉料参数或选定的炉料放电规律制定合理熔炼工艺解决放电问题
参考文献：
[1] 刘喜海, 徐成海, 郑险峰编著.真空冶炼[M]. 化学工业出版社，2013.
[2] 杨乃恒. 真空冶金技术的现状与发展[J]. 真空与低温，2001.
[3] 李清华, 赵志力. 真空冶金现状及发展前景[J]. 沈阳大学学报，2003.
[4] 李正邦. 真空冶金新进展[J]. 真空科学与技术，1999.
标题：真空感应熔炼炉原理图
3.1 概述
真空感应熔炼（vacuum induction melting,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
3.1.1真空感应炉设备
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) 感应器的端电位低。真空感应炉使用的工作电压比中频感应炉低，通常在750V以下，以防止电压过高引起真空下气体放电而破坏绝缘，造成事故。
(2) 防止高次谐波进入负载电路。使用晶闸管变频电路时，经常出现高次谐波进入负载电路，使感应器对炉壳电压增高，从而引起放电。因此，必须在电源输出端增添中频隔离变压器，来截断高次谐波的进入。
(3) 振荡回路的电流大；
图中1－真空感应炉熔炼室；2－粗抽阀；3－后级阀；4－机械；5－扩散泵；6－阀门
3.1.3真空感应炉的炉体结构 ?
3.1.4真空感应炉熔炼的特点???
（1）产品的气体含量低、纯洁度高；
（2）能控制产品成分的含量；
（3）对原材料的适应性强；
（4）可在真空条件下浇注成锭，也可浇注成复杂形状的铸件；
但是，真空感应炉熔炼也存在一些问题，如熔炼过程中，所熔炼炼金属长时间地与坩埚耐火材料接触，必然存在耐火材料玷污金属的问题。其次，所熔炼的金属液的凝固条件和一般浇注方法没有区别，所以仍然存在疏松、偏析等缺陷。
表3-1不同熔炼方法生产的SAE4340钢中气体含量
冶炼方法
[O]/%
[H]/%
[N]/%
炉料
0.0251
0.00018
0.0029
电弧炉
0.0031
0.00017
0.0039
非真空感应炉
0.003
0.0001
0.0053
真空感应炉
0.0003
0.00001
0.0005
表3-2 不同熔炼方法生产的SAE4340钢中气体含量
钢与合金
氧化物夹杂，%
非真空感应炉
真空感应炉
Cr20
0.034～0.044
0.006～0.010
Cr16Ni25W5AlTi2
0.025
0.013～0.044
0.006
0.003～0.010
Cr10Ni65Co10W5Mo5VAl4
0.012
0.006～0.010
0.0046
0.005～0.010
3.2 真空熔炼的理论基础
（1）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
（2）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；
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在1600℃、PH2100Kpa条件下, 合金 在1600℃、PN2100Kpa条件下,合金元素对氮在熔元素对氢在熔融铁中的溶解度的影响 铁中溶解度的影响
3.3真空感应炉冶炼工艺过程
真空感应炉熔炼的整个周期可分为以下几个主要阶段，即装料、熔化、精炼、合金化和脱氧、浇注等。
3.3.1装料
（1）原料要求
真空感应炉所用的炉料，一般都是经过表面除锈和去油污后的清洁原料，而大部分合金元素以纯金属形式加入。加料时严禁使用潮湿的炉料，以免影响成品的质量和在熔炼时发生喷溅。装料时应做到上松下紧，以防止熔化过程中上部炉料因卡住或焊接而出现“架桥”；在装大料前先在炉底铺垫一层细小的轻料；高熔点又不易氧化的炉料应装在坩埚的中、下部高温区；少数活泼元素如Al、Ti、Mn、B和稀土等装入分格加料器中。
（2）装料要求
I炉料下层紧密，上层较松，防止熔化过程上层炉料搭桥；在装大料前先在炉底铺垫一层细小的轻料；
II高熔点又不易氧化的炉料应装在坩埚的中下部高温区；
III易氧化的炉料应在金属脱氧良好的条件下加入；
IV为减少易挥发元素的损失，可以合金的形式加入金属熔池中，或熔炼室中充以惰性气体，以保持一定的炉膛压力。
3.3.2 熔化期
对于间歇式生产的真空炉，当装料完毕后，闭合真空室，开始抽真空。等到真空室压力达到0.67Pa (5×10-3mmHg) 时，便可送电加热炉料。对于真空条件下装料的连续式生产炉座，装完料后，即可送电进入熔化期。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。
3.3.3 精炼期?
3.3.4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。
3.3.5出钢和浇注??
合金化结束后，坩埚中的金属液达到目标成分和温度，真空室内的直空度也符合技术要求的规定，则可以出钢。浇注到保温帽时，即破真空，立即打开真空室加发热剂和保温剂，以免缩孔进入锭身。对于成分复杂的高温合金，浇注后在真空下停留15～20分钟，再破真空。对于大型连续式真空感应炉，铸锭可让它在真空下冷却。
3.4元素的挥发与成分控制
所有金属(包括部分非金属)都存在一平衡的蒸气压Poi，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物质的蒸气压Po，与温度的关系式为：(P0为标准压力，不用改动)
式中Poi的单位是Pa，与钢铁冶金有关的一些元素的A、B、C、D以及有关物性参数列于表3-5。元素的蒸气压越高，在真空熔炼时挥发的趋势就越大。按表3-5所列数据可计算1873K时，各元素的Poi递减顺序是：Zn、Mg、Ca、Sb、Bi、Pb、Mn、Al、Sn、Cu、Cr、Fe、Co、Ni、Y、Ce、Sl、La、Ti、V、B、Zr、Mo、Nb、W、Ta。
合金或粗金属中的组元i的蒸气压Pi和纯物质i的蒸气压Poi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：
Pi ai .Poi， r i .N i .Poi (3-2)
式中：ai——合金中组元i的活度；
r i——i的活度系数；
Ni——i的摩尔分数浓度；
在铁基合金中，可将合金元素分成不挥发、易挥发和可以借助于挥发去除的杂质元素等三类。属于不挥发的元素有Ti、V、B、Zr、Mc、Nb、Ta、W。属于易挥发的元素有Mn、Al、Cr、Fe、Co、Ni、Cu以及Ca和Mg。在真空熔炼的条件下，这类元素会有或多或少的挥发。钢和合金中有一些微量的金属元素，它们对钢和合金的性能有较大的危害，一般的化学方法又难以去除，若这类元素有较高的蒸气压，则可以在真空熔炼中借助挥发而去除。这类金属元素有Sn、Pb、Bi、Sb、Zn等
微量元素指用于微合金化的镁、锆、硼等，微量杂质指Pb、Bi、As、Sb、Sn等，对于钢和合金来说，前者是有益的，后者是有害的； 纯镁在熔炼温度条件下具有很高的蒸汽压，密度小，对氧有较强的亲和力，这些因素给镁合金化带来一定困难。
?在真空熔炼时，镁是以二元或三元合金在熔炼后期加入的，为了提高镁的回收率，加入镁时应注意以下几点：
（1）加镁前钢液温度低于出钢温度20℃左右。
（2）加镁后应该控制保温时间，一般出钢前1-5min内加入；
（3）加镁前炉内应充入氩气，以保证镁的高回收率。
而微量杂质低熔点元素是废钢反复使用积累和某些铁矿含有这些元素所造成的。钢与合金中的微量有害元素一般都具有较高的蒸气压，所以真空精炼是去除这类有害杂质元素的最有效方法。由于蒸气压不同，其他组元的影响不同，所以这些元素的挥发速率差别很大。
3.5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增大，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，美国先后制造了15t、30t甚至60t的VIM (Vacuum Induction Melting Furnace) 炉。而电炉容量的增大对耐火材料的要求也相应提高，特别是具有特殊物理特性的高纯耐火材料。
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，同时也加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。
2.5t)捣打炉衬的感应炉。因此大型感应炉的耐火材料应具有以下特征：
(1) 不可逆的膨胀，不会发生收缩裂纹；
(2) 高纯度；
(3) 在真空环境中具有良好的稳定性；
(4) 能够很好的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。近年来这些耐火材料的捣打配料、型砖以及相应的补炉材料和粘结剂都已有了很大的发展。
氧化镁和氧化铝经过反应会形成密度较低的高纯氧化镁－氧化铝－尖晶石，而氧化镁－氧化铝－尖晶石的炉衬在1647℃的温度条件下使用，当冷却至室温时或进行冷装料操作后，再加热到1647℃使用，如此循环几十次亦不会发生裂纹。据有关资料报道，对公称容量为6t的感应炉其炉衬采用95%氧化铝捣打成型，在生产300系和400系的不锈钢时，可以连续生产150炉而未对炉衬进行任何的处理。
3.6新技术在感应炉冶炼中的应用
从感应炉出现至今近80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、钢液的精炼。
3.6.1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，有些还是较活泼的元素，例如铝、钛等。这类合金即使在真空中熔炼，还不能保证得到令人满意的热塑性、焊接性能、高温强度和抗蠕变强度等性能。为此，在精炼终了加入一定数量的镁。残留在金属中的镁，能显著地改进上述性能。
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：
（1）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℃;
（2）真空室内充高纯氩气至13-27kPa;
（3）镁以块状的含镁中间合金加入金属熔池;
（4）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;
3.6.2低氧势脱磷
生成物为。参与反应的钙可以是，也可以是钙的合金(如硅)，或钙的化合物(如CaC2)。由于的熔点低(839℃)、蒸气压高(1600℃时，P 1.775×105Pa)、在钢液中的溶解度小，所以当加入钢液后很快挥发成蒸气，以气泡形式上浮排出。在上浮过程中，钙蒸汽能与钢中的磷反应生成Ca3P2，但钙的利用率很低。常用的是钙的合金或化合物。反应生成的Ca3P2是不溶于钢液中的化合物，其熔点为1320℃，密度3.3 g／㎝3，在炼钢温度下会以液态上浮而进入渣中。但是在炼钢条件下并不稳定，是一强的还原剂。当炉内气氛氧势偏高和渣中存在易还原的氧化物时，会进行以下反应：
当炉气中含有水汽时：
PH3是气体，将随炉气排出而带走磷，但是这种气体有毒，操作时应避免这种反应发生。在处理含Ca3P2的炉渣时，应采用专门措施以保证安全。当渣中碱度较高时，而生成稳定性较高的CaO.P2 O5。
但是用于低氧势脱磷的硅钙或CaC2都是具有极强的还原性，所以当渣中有过剩的硅钙或CaC2存在时，磷酸钙会分解，P2O5会被还原而使磷又回到钢中，降低了低氧势脱磷的效率。在实际操作中。保持钢液的低氧势和及时去除含磷炉渣是提高钙的脱磷效率的关键。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。
3.6.3吹氩
钢包吹氩在普钢和低合金钢的熔炼中已是一项成熟技术，依靠上浮的氩气泡，搅拌钢液，促进碳氧反应，气泡表面粘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。当氩气纯度较高且十分干燥时，吹氩可以去除部分气体，特别是氢。当吹氩时间为20分钟左右时，脱氢率可达50％左右。在炼钢温度下蒸气压较高的有害微量元素，如铅、砷等，通过吹氩，也能得到不同程度的去除。有资料介绍，吹氩20分钟时，可以将钢中的铅去除70～80％，砷的去除量却只有10％。
3.6.4喷粉
喷射冶金是近期发展起来的一项精炼钢液的新技术。钢包喷粉已在常规炼钢炉的炼钢生产中得到较为广泛的应用，根据所喷粉剂的不同，可以利用喷粉完成脱磷、脱硫、脱氧、控制夹杂的形态、合金化或增碳等冶金任务。喷粉技术本质上是一种将固体料加入钢液熔体的技术。
由于粉剂是靠载流气体输送，与粉剂同时进入的载流气体，将会导致熔体的搅拌，从而改善冶金反应的动力学条件，所以喷粉比传统的固体料添加技术效果要好一些。当然，这种添加技术也完全可以用于感应炉熔炼。
感应炉熔炼中可以利用喷吹脱磷剂 (钙的合金或钙的化合物) 脱磷，也可以喷吹脱硫剂脱硫。常用的脱硫剂有以石灰为主的粉剂(w(CaO) 60～80%，w(CaF2)20～40％)，这种脱硫剂取材方便，价格便宜，并对钢液的成分控制没有影响，脱硫率约为30~50％。使用较多的另一种脱硫剂是Ca-Si-CaF2 (其中w(CaF2)20～30％)，这种脱硫剂中的硅大部分会被钢液吸收而增硅，脱硫率可达40~80％。对于不担心增碳的钢种，在以石灰为基的脱硫剂中配加一定比例的CaC2，也能取得较好的脱硫效果。
喷粉常用瓶装氩气作为载流气体。对于含氮量没有要求的钢种也可以使用氮气，可以降低成本。工作压力一般为0.2～0.3MPa，在保证粉剂均匀输送的前提下，应尽可能减小工作压力。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透深度。
3.6.5喷吹氩氧混合气体脱碳
美国联合碳化物公司用感应炉研究了Fe-Cr-C-O四元系的平衡关系，发现溶解在铁中的碳和铬的含量与温度和气相中的分压力PCO之间存在着对应的关系。在一定的铬含量下，平衡的碳含量随温度的提高或PCO的降低而下降，从而得出只要设法降低与钢液相接触的气相中PCO，就可以在不太高的温度下，将钢液中的碳降到较低的水平，而铬不会遭到太多的氧化损失。
在此基础上，提出了用氩气稀释PCO分压的AOD法，即喷吹氩氧混合气体脱碳。这种方法克服了电弧炉中返回吹氧法熔炼铬不锈钢时的温度高、铬损失大、石墨电极增碳、炉衬寿命低、微碳铬铁或金属铬用量大等缺点，得到迅速发展和广泛应用。
既然AOD法是在感应炉上研究出来的，则氩氧脱碳法应该可以用于感应炉熔炼。当用感应炉熔炼铬或镍铬不锈钢时，可以喷吹氩氧混合气体，以脱除钢中的碳。
标题：真空感应熔炼炉原理图解
真空感应熔炼炉是真空冶金领域中应用广泛的设备之一。事实证明:宇航、、、原子能设备和电子工业所需要的合金和特殊钢,占有相当比例的产品是采用真空感应熔炼炉生产出来的,例如,镍基、钴基、铁基高温合金采用真空感应熔炼炉工艺熔炼时,其热加工性能和机械性能明显提高。像不锈钢、耐热钢、超高强度钢、工具钢、轴承钢,以及磁性材料、弹性合金、膨胀合金等几乎均采用真空感应熔炼炉来熔炼,以保证材料性能和质量。此外,无锡金万利电炉小编认为随着二次重熔工艺的发展,真空感应熔炼炉的另一用途是为真空自耗电弧炉或电渣重熔炉提供高质量的自耗电极,以及生产母合金供精密铸造用。
众所周知,真空感应熔炼炉工艺,对金属的熔化、精炼和合金化的整个过程均是在真空状态下进行的,因而避免了相同气相的相互作用而污染。其次,在真空条件下,碳具有很强的脱氧能力,其脱氧产物CO 不断被抽至系统之外,克服了采用金属脱氧剂脱氧的污染问题。真空感应熔炼炉工艺可准确地控制合金的化学成分,对于含有和氧、氮亲和力强的活性元素Al、Ti、B、Zr 等,可控制在很少的范围内。对低熔点易挥发的金属杂质,如Pb、Bi、Sn、Sb 等能蒸发去除,这对提高材料性能起到重要作用。强烈的感应搅拌作用,能加速其反应速度,这对于熔池温度均匀、化学成分均匀等方面很有效果。
真空感应熔炼炉在结构设计上需考虑的重要问题是避免真空放电,为此对于炉壳内的所有带电体都需要经过绝缘处理,并且感应器在结构上应没有尖角、毛刺和锐棱。
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中频加热炉是一种将工频50HZ交流电转变为中频（300HZ以上至1000HZ）的电源装置，把三相工频交流电，整流后变成直流电，再把直流电变为可调节的中频电流，供给由电容和感应线圈里流过的中频交变电流，在感应圈中产生高密度的磁力线，并切割感应圈里盛放的金属材料，在金属材料中产生很大的涡流。
中频加热炉的控制电源是一种将工频50HZ交流电转变为中频（300HZ以上至20K HZ）的电源装置，这种涡流同样具有中频电流的一些性质，即，金属自身的自由电子在有电阻的金属体里流动要产生热量。比如说，把一根金属圆柱体放在有交变中频电流的感应圈里，金属圆柱体没有与感应线圈直接接触，通电线圈本身温度已很低，可是圆柱体表面被加热到发红，甚至熔化，而且这种发红和熔化的速度只要调节频率大小和电流的强弱就能实现。如果圆柱体放在线圈中心，那么圆柱体周边的温度是一样的，圆柱体加热和熔化也没有产生有害气体、强光污染环境。中频电炉广泛用于有色金属的熔炼[主要用在熔炼钢、合金钢、特种钢、铸铁等黑色金属材料以及不锈钢、锌等有色金属材料的熔炼，也可用于铜、铝等有色金属的熔炼和升温，保温，并能和高炉进行双联运行。]、锻造加热[用于棒料、圆钢，方钢，钢板的透热，补温，兰淬下料在线加热，局部加热，金属材料在线锻造（如齿轮、半轴连杆、轴承等精锻）、挤压、热轧、剪切前的加热、喷涂加热、热装配以及金属材料整体的调质、退火、回火等。]热处理[主要供轴类（直轴、变径轴，凸轮轴、曲轴、齿轮轴等）；齿轮类；套、圈、盘类；机床丝杠；导轨；平面；球头；五金工具等多种机械（汽车、摩托车）零件的表面热处理及金属材料整体的调质、退火、回火]等。
中频加热炉是一种将工频50HZ交流电转变为中频（300HZ以上至1000HZ）的电源装置，把三相工频交流电，整流后变成直流电，再把直流电变为可调节的中频电流，供给由电容和感应线圈里流过的中频交变电流，在感应圈中产生高密度的磁力线，并切割感应圈里盛放的金属材料，在金属材料中产生很大的涡流。由于该加热方式升温速度快，所以氧化极少，中频加热锻件的氧化烧 损仅为0.5%，煤气炉加热的氧化烧损为2%，燃煤炉达到3%，中频加热工艺节材，每吨锻件和烧煤炉相比至少节约钢材原材料20-50千克。中频炉加热速度快、中频炉生产效率高、中频炉氧化脱炭少、中频炉延长模具寿命、中频炉工作环境优越、中频炉提高工人劳动环境和公司形象、中频炉无污染、中频炉低耗能、中频炉熔炼速度快、中频炉节电效果好、烧损少、能耗低、中频炉自搅拌功能、熔炼温度及金属成分均匀、中频炉电加热作业环境好、中频炉启动性能好，空炉、满炉均可达到启动。
中频加热炉利用中频电源建立中频磁场，使铁磁材料内部产生感应涡流并发热，达到加热材料的目的。中频加热炉采用 200-2500Hz中频电源进行感应加热，熔炼保温，中频电炉主要用于熔炼碳钢，合金钢，特种钢，也可用于铜，铝等有色金属的熔炼和提温.设备体积小，重量轻， 效率高，耗电少，熔化升温快，炉温易控制，生产效率高。
