真空感应熔炼的新技术

真空感应熔炼的新技术

摘要：为使从事真空冶金技术人员对国内外真空冶金技术的现状和发展有较全面的了解，综述性详细回顾了真空冶金技术的历史及发展过程，对真空冶金进行了详细分类，对各类常用真空冶炼方法进行了系统论述，介绍了国内外发展情况，指出了发展前景及方向。 关键词：真空冶炼；工艺分类；工业应用

Abstract ：The history and the developing process of the vacuum metallurgical technology ale described in detail，the classification on the vacuum metallurgy is made，the common used vacuum metallurgical methods are systematically discussed，the development of the vacuum metallurgy at home and abroad is introduced，the prospect and the direction are indicated．

Key words：vacuum metallurgy；technological chassification；industry application 真空冶金是指在小于大气压下进行的冶金作业。真空冶金的应用, 是建立在真空技术的进步和广泛应用基础上的。获取真空的想法, 出现在公元前384～322 年。1654年第一台可供实用的真空泵由德国马德堡市市长、工程师O. V . Guerike 制成, 并用来做了有名的“马德堡半球实验”, 开始了实际应用真空的时代。1643 年E . Tor ricelli 用一端封闭的玻璃管, 测出大气压为760 mm 汞柱高。1865 年Bessemer 设想将炼好的钢在真空中浇铸以消除气泡和裂纹, 但技术和设备都不足以达到要求。1874 年H.Mcleode 发明了压缩真空计。1905 年M. V. Pirani提出电子束熔炼的概念。二十世纪五十年代真空冶金应用于高温合金的熔炼, 目前世界上的最大的EBCFM 炉是建立在日本矿业日立工厂的ESP100/1200CF 炉。1917 年真空电阻炉熔化镍基合金。1923年德国开始研究真空感应熔炼。1926年德国用真空感应炉( 容量4t , 功率350 kW) 熔化Co 、Ni 合金。1935 年Hopkins 研究应用水冷铜坩埚自耗电极真空电弧熔炼。1938 年应用真空脱气设备对钢进行脱气处理。1940 年前苏联开始研究电渣冶金。美国于1950 年应用真空自耗电极电弧炉熔炼T i, 1957 年应用电子束炉熔炼T a、Nb 等合金, 1962 年应用等离子熔炼不锈钢及高温合金。 二十世纪五十年代国际上普遍采用电弧炉或非真空感应炉熔炼高温合金及特种钢。但电弧炉只能熔炼低合金化的合金及铝、钛等易烧损元素少的合金。现代的高温合金含有大量的易烧损元素及微量元素, 必须采用真空下的熔炼工艺。要进一步提高合金的质量、改善合金的铸态组织和热加工塑性、力学性能等, 须采用双联及三联工艺。通常情况下, 对合金化程度较低的合金来说是采用电弧炉熔炼、非真空感应炉熔炼铸成电极后再进行真空自耗或电渣重熔。对合金化程度较高的合金, 则采用真空感应炉熔炼成电极棒, 然后再经真空自耗重熔或电渣重熔。采用不同的冶炼工艺方法冶炼不同类型的合金, 其冶炼工艺因素对冶金质量的影响各不相同。采用电渣重熔金属作为第三次真空电弧重熔的自耗电极, 主要是保证合金具有很低的气体含量 [ 1] 。

一. 真空冶金的特点

1.1 对一切增容反应都有有利影响

（1）物质的气化M 凝聚态→M 气态，金属的气化、蒸发，在真空中物质的沸点降低。 （2）氧化物MO 被还原剂还原R+MO凝聚态→M 凝聚态+RO气态↑，金属氧化物还原成固态或液态金属。

（3）R+MO凝聚态→M 气态+RO气态↑，金属氧化物还原成气态金属。 （4）溶解了气体G 的金属放出气体G 金属→G ↑

（5）金属与气体生成的化合物分解出气体MG →M+G↑，金属化合物热分解。真空对这些过程都有利，即加快了反应进行的速度或是降低反应进行的温度。

1.2 很少有气体参加反应

真空中气体稀薄，很少有气体参加反应。金属在真空中融化时不会溶解气体；金属在真空中加热到较高温度时，无论金属呈固体或液体都极少氧化；气体遵循理想气体方程。

1.3 可控制系统内外物质流动

真空系统是一个较为密闭的体系，与大气基本隔开，只经过管道和泵将真空系统中的残余气体送入大气，大气不能经泵进入真空系统，系统内外的物质流动完全在控制下。

1.4 无污染

若过程需要较高的温度( 大于真空室壁材料的软化温度), 则加热系统要用

电在炉内加热, 因而真空系统没有燃料燃烧所带来的问题。如含SO2 气体的排放，收尘，对环境的污染等问题。

1.5 气体分子小

金属或氧化物在真空中形成气体之后，气体分子很小或很分散。在真空中多原子分子倾向于分解成较少原子组成的分子，形成的气体分子很小，粒径一般在10-10 米。

二. 几种主要的真空冶金方法

2.1. 真空还原

在真空下用碳、铝、硅等还原剂还原金属氧化物或化合物制取金属。真空还原可以大大降低还原温度，完成一些常压下无法完成的作业。以碳还原五氧化二铌为例。常压下碳不能全部还原铌，而是生成各种碳化铌，最高还原温度达到2834卡, 但当真空度达到10-2 帕时, 其开始还原温度降至1956 卡, 当在10-4 帕时降至1694卡。其它钒、钽、钛、锆、钨、钼的情况也类似。真空条件下还可用碳或碳化物还原碱金属和碱土金属。

2.2. 真空熔炼

真空熔炼是在真空条件下高温熔炼提纯金属。常用的真空熔炼方法有：

（1）真空感应熔炼[2]，即用处于真空室内的高频感应炉或中频感应炉熔炼金属。主要用于熔炼高温合金、高强度钢和超高强度钢。

（2）真空电弧熔炼，即在真空条件下通过低电压、强电流来加热熔化金属。电极可以是自损耗的，也可以是不损耗的。主要用于钨、钼、钽、铌、钛等的熔炼。

（3）电渣熔炼[3]，即用于金属重熔提纯和熔铸异形铸件的方法。

（4）电子束熔炼, 又称为电子轰击熔炼，即在较高真空下（1.33×10-2～ 1.33×10-6 帕）用一个或数个阴极电子枪发射出高能电子束，轰击被熔物料（作为阳极），使电子动能转化为热能而把炉料熔化，并滴入水冷铜结晶而凝固成锭。

2.3. 真空蒸馏和精炼

真空蒸馏和精炼是利用真空蒸发技术除去杂质以提纯材料的一种方法。主要有两种工作方法：一种是真空蒸馏分离，即在真空下依靠不同金属间蒸汽压的差别，通过挥发和冷凝过程来提纯或分离金属。工业上多在电阻炉或感应炉中进行蒸馏。另一种是化学迁移反应法，即利用金属与气体物质反应生成化合物，迁移到另外的部位后再发生逆反应，生成气体产物与纯金属。

2.4. 真空烧结

真空烧结是指在真空下（10 ～ 10-3帕）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。

2.5. 真空脱气

真空脱气是指在真空下从液态金属或合金中脱去有害气体（氧、氢、氮等）的方法。经过脱气处理过的金属，在熔铸时不会因放出气体影响金属的结构，并因减少晶粒边界的杂质而明显提高金属强度和物理性能。因而它是改善钢材质量、提高钢材的机械性能和物理性能的重

要手段。它是真空冶金中应用最广、规模最大的一种工艺方法。

2.6. 真空热处理

真空热处理是在真空下（1 ～ 10-8 帕）加热处理金属，使其发生组织结构转变，改善金属的物理、化学性能。真空热处理主要分真空淬火、真空退火和真空化学处理三大类。真空淬火是在真空下加热，然后在不同的冷却介质中冷却。真空退火主要用于高温合金、难熔金属和合金。真空化学热处理常用的有真空渗碳、真空碳氮共渗、真空离子渗碳、真空渗铬、等离子渗铍等。

2.7. 真空镀膜

真空镀膜是在真空下（1 ～ 10-8 帕）利用金属蒸气或溅射使金属的原子或离子凝结在其它金属或材料上，形成所需要的金属膜或覆盖层。冶金工业常用的有真空镀铝或锡，真空镀镉、镍、锆或不锈钢。

三. 真空感应熔炼

3.1. 真空感应炉国内外的发展现状

真空感应炉大约始于1920年，用于熔炼镍铬合金。直到第2次世界大战，由于真空技术的进步使真空感应炉熔炼才开始真正发展起来。1926年德国用真空感应炉（容量4t ，功率350kw ）熔化Co.Ni 合金。二战期间欧美等国家已达到了实用化程度并取得了飞速发展，日本也相继采用。这种方法多用于熔炼耐热钢、轴承钢、纯铁、铁镍合金、不锈钢等多种金属材料。这一方法使材料的断裂强度、高温韧性、耐氧化性等都得到了改善。由于大型真空抽气设备（如增压泵）的出现，真空感应炉也逐步向大型化发展。以美国为例，1969年真空感应炉的容量已达到27.60t 的规模。满足了各种金属材料工业化生产的要求。西欧各国也在20世纪60年代，将炉子向大型化发展并不断改进，可在冶炼过程中不破坏真空，在装料、铸模准备及浇铸操作等过程实现连续的或半连续的真空感应熔炼。美国consarc 公司和德国ALD 是目前国际上最主要的大型真空感应熔炼炉制造企业，生产的大型真空感应熔炼炉可以达到30t ，甚至更大。

中国自行生产的真空感应熔炼炉的容量一般比较小，主要为5-1500kg 。2t 以上的大型感应炉主要从德国、美国、日本进口。20世纪80年代初，抚钢在国内率先从德国引进3t/6t大型真空感应炉。从90年代以后国内宝钢特钢、东北特钢和攀长钢等企业先后从国外引进了大型真空感应炉，最大容量为12t 。目前正在引进的最大容量为24t 。

3.2. 新技术在真空感应炉的应用

3.2.1. 电磁搅拌和惰性气体搅拌

感应炉冶炼本身已存在较强烈的搅拌作用，加上电磁搅拌后，气体上升到熔液界面大量析出，对于材料的去气有很好的效果。必须注意的是，要选择合适的搅拌功率，避免对炉衬的过度冲击。

在气体搅拌时，惰性气体通过注入坩埚底部的锥型多孔塞进入熔池。当惰性气体穿过熔融金属时，气泡体积和表面积增大，靠近金属液面时，体积明显膨胀，使气体和金属间有更高的比表面进行交换反应，缩短了熔液表面的更换周期，并改善整个熔池的均匀性。同时，还使细小的氧化物聚集，夹杂物漂浮到熔融金属表面，达到净化材料的效果。 从脱气角度看，感应炉设计也要考虑感应圈的直径与高度之比，使熔液上表面增大，有利于脱气，并使耐火材料与熔融金属的接触面显著减少，降低对炉衬的侵蚀。有资料认为，坩埚直径与高之比D/H=1时比较适合（尽管理论上的最佳值为D/H=2）[4]。

3.2.2. 冶炼电源

早期的感应炉电源都是电动机－发电机变频机组。到了1967年，西德leybold 公司为美国howmet 公司生产的5.477t 的炉子中，使用了可控硅变频电源，功率1000kw ，频率180Hz 。此后的3a 间，变频发电机组和静止变频器共存，交替过渡。到1970年后，所有真空感应炉

都配置可控硅静止变频电源。经过30多年的发展，可控硅静止变频电源技术已经非常成熟。在整个冶炼周期中，功率从1%-10%的平滑调节，使操作极其灵活、准确、无波动；变频电源的频率在一定的范围内是变化的，能自动跟踪适应炉料的变化，无需大电流接触器来开关电容器，调节炉子的功率因数；效率高，三相对称电网负荷，工作状态非常优越。变频电源的功率已达10MW 。

3.2.3. PLC控制

可编程序控制技术，使得真空熔炼设备的自动化和半自动化运行成为可能。设备严格按用户设置的程序运行，工艺技术条件得以严格控制，可重复性强。对设备运行和工艺过程实施高度控制。例如，真空机组的开关、监测，真空阀门的开闭、联锁、切换，故障的识别、报警，预防误操作等都由PLC 控制。

3.2.4.计算机辅助系统的应用

根据实践所积累的丰富经验数据，编制成计算机软件，计算机通过对实测的温度与软件给定的工艺曲线进行比较，调整电源功率输出，从而控制钢液的温度，防止精炼期熔液的温度过热和过低，实现经济运行。熔池的实际温度是通过扫描式光学高温计连续测定的。在测量过程中，熔池表面的渣子、添加合金元素、光学玻璃的污染等原因都会影响被测数据的准确性，计算机将自动进行修正。

精炼后期，取样分析后一般要调整合金成分。在中间分析的基础上，按合金成分的要求，补加合金元素的数量由计算机计算决定，并由打印机记录存档。 较大的真空感应炉都带有流槽装置，使得锭子的补缩颇为困难。小型锭子（棒型电极）更容易产生缩孔和短锭。为获得更高的收得率，就必须将缩孔减至最低限度。国外研制出一种视频监控系统，由一套摄像观察装置和视频软件组成，可以从显示器上观察浇注情况和从显示器上用光标控制补缩。 由于对材料质量要求越来越高，所以感应炉生产工艺过程要求有高度的稳定性和可重复性。国外发明了用于VIM 的气体分压力分析的质谱控制仪，使VIM 工艺实现最佳化选择，从而实现经济运行。通过对炉内残余气体含量的连续测定分析，以测定添加活性元素的最有利时间和加入的顺序；测定工艺过程的进展阶段，如精炼期的终结、出钢时间等；及时发现炉子的漏气，冷却水和液压管线的泄漏等等。

3.2.5. 中间包冶金技术的应用

为了更好地去除钢中夹杂物，提高钢水洁净度，添加可实现加热、保温功能滤渣去杂中间包系统。中间包设有挡墙和挡坝，有利于各类杂质的上浮，钢水经挡渣、过滤后注入锭模，减少了渣子和夹杂物进入钢锭对提高钢材质量有极大的作用。

3.2.6. 真空感应炉和其他设备的组合功能 根据生产和经济要求，真空感应熔炼可以进行不同程度的扩展，在与其他浇注系统组合方面，有很强的适应性，从而扩展了真空感应炉的功能，实现了一机多用，提高了综合经济效益。可分为以下几种典型类型：

1)VIM-VCC真空感应熔炼带垂直连续铸造。VIM-VCC 在真空感应熔炼基础上， 在惰性气体中利用连续铸造技术进行铸坯的生产，可以防止铸造的线材、棒材或板带的表面发生氧化。

2)VIM-HMC/VMC真空感应熔炼带分离的水平或垂直铸模室。

3)VIM-HCC真空感应熔炼带水平连续铸造。

4)VIM-IC 真空熔模铸造。大多数真空熔模铸件，例如用于航空器和工业燃气轮机的涡轮叶片和透平叶片，所用材料均为镍基高温合金，利用陶瓷坩埚在真空感应熔炼和精密铸造炉中进行生产。在真空精密铸造炉中，原料通过感应熔化，然后铸进熔模中。铸件的凝固结构可以调节为等轴晶粒或通过利用另外的铸模加热器形成定向凝固(DS)或单晶结构(SC)。

采用液体金属冷却(LMC)工艺可以进一步改进大型DS/SC部件的凝固条件。在LMC 工艺中，铸模浸入含铝或锡的液体冷却槽中，用于零件的凝固。零件排热主要依靠热传导和热对流，这明显优于传统DS/SC工艺的辐射传热方法。更高的温度梯度对于生产大型DS/SC部件尤其

重要，例如用于涡轮叶片和静态燃气轮机的透平叶片的生产。

5)VIM-FC 真空感应熔炼带薄片铸造。王晓冬等人采用真空感应熔炼快速凝固技术得到性能优异的钕铁硼合金薄片铸锭[5]。经热处理后的DdFeB 速凝带可明显

地消除α－Ｆｅ，磁粉的磁性能明显提高，原始磁粉的平均最大磁能积为32KJ/m3，退火处理后的磁粉最大磁能积超过89KJ/m3 。

6)VID 真空感应脱气。VID 熔炉设计紧凑，炉室容积较小，适用于炼钢厂和铸造厂。适合液体和固体加料。VID 可用于特种钢和有色金属的熔炼和脱气，在大气环境下倒入钢包或铸模中。标准熔炉的生产能力为1t 至15t 。

7)VIDP 与传统VIM 室熔炉比较，VIDP 具有设计紧凑的特点，熔炼室容积较小，不同的铸模室具有多样的连接能力和有效的成本控制。VIDP 原理基于模块化设计，可延伸至在真空或保护气体中进行熔炼和铸造。利用陶瓷流槽实现铸造工艺，陶瓷流槽通过一个浇注通道将液体金属输送至铸造（铸模）室。真空室降至最小，从而压力更低，抽气时间更短或无需大功率泵组，更好地控制工艺环境，快速更换不同的炉体，坩埚更换也只需较短的停工时间，高度灵活的浇注类型，去除了所有的从真空室内部伸出的挠性电缆、水管和液压管，因此减少了污染的危险，同时与传统炉室类型的VIM 熔炉相比，具有更低的放气和泄漏率。 参考文献：

[1] 傅杰. 特种熔炼与冶金质量控制[ M] . 北京: 冶金工业出版社, 1996: 58～69.

[2] 戴永年, 杨斌. 有色金属材料的真空冶金[M].北京: 冶金工业出版社,2000:1 ～ 17.

[3] 李正邦. 电渣冶金原理及应用[M]. 北京: 冶金工业出版社,1996:63 ～ 89 [4] 彭杰楼．真空感应炉的进步和进展［Ｊ］．上海金属，2000,22(3):13． [5]王晓冬，王旭，孙宝玉，等．钕铁硼真空薄片铸造方法及其工艺改进［Ｃ］第八届真空冶金与表面工程学术会议．北京：中国真空学会，2007:57．

附：真空感应熔炼炉

型号：ZGJL0.025-100-2.5B 主要功能：

主要技术参数：容量（以钢计）：25Kg 最高熔炼温度：1600℃ 额定中频功率：100Kw 额定中频频率：2500Hz 中频电压：750V

极限真空度：6.67×10－

3Pa 压升率：6.5 Pa/h 冷却水压力：0.3MPa 冷却水耗量：6m3/h

注意事项：

1、 所有操作都要细心、谨慎，一定要注意人身安全，并且还要注意设备的保护；

2、 真空部分的操作一定按照操作规程进行，否则容易损坏真空泵体，造成重大事故，危害自身

生命及设备安全；

3、 熔炼部分的操作一定要注意绝缘保护，远离容易触电的地方，比如说电极铜板，旋转电极铜

导线，电源箱体部分等；

4、 在熔炼过程中要注意眼睛的保护，温度过高时一定要盖上观察孔的挡板，必要时要带上墨镜

等保护装置；

5、 熔炼过程中室内要保持通风的环境，机械泵的出气管路一定要通到窗外； 6、 熔炼过程中要保持地板干燥，不能有明水； 7、 在所有熔炼操作中都要注意循环水是否正常；

8、 在所有熔炼操作全部完成后，冷却水还要通一段时间，一般来讲时两个小时左右；

10、真空炉内如果长时间不擦拭容易造成脏东西的积累、水蒸汽的吸附，因此应不定期清理

真

空炉。擦拭真空炉过程中一定注意安全！！！！！！！！！！！！！如果用酒精、丙酮等易燃品擦拭的时候，身体要远离炉的上方；

11、在试验过程中，要准备一盆砂土随时备用；

12、所有操作过程中要穿工作服，带手套，必要时带口罩。保护措施要全面，一定不要掉以轻

心！！！ 工作原理图

真空感应炉熔炼工艺

真空感应熔炼（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进行熔炼的方法，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、可回收易挥发元素、准确控制合金成分等特点。由于以上特点，现在已发展为特殊钢、精密合金、电热合金、高温合金及耐蚀合金等特殊合金生产的重要工序之一。

1、基本原理： 真空感应熔炼的两个基本原理应用是：感应加热和真空环境。

1.1 感应熔炼是除电弧炉以外较重要的一种电炉熔炼方法。与电弧炉相比，其特点有：

（1）电磁感应加热。由于加热方式不同，感应炉没有电弧加热所必须的石墨电极，从而杜绝了电极增碳的可能，因而可以熔炼电弧炉很难熔炼的含碳量极低的钢和合金。

（2）熔池中存在一定强度的电磁搅拌，可促进钢水成分和温度均匀，钢中夹杂合并、长大和上浮。

（3）熔池比表面积小。优点是熔炼过程中容易控制气氛，无电弧及电弧下高温区，合金元素烧损少、吸气少，所以有利于成分控制、气体含量低和缩短熔炼时间；缺点是渣钢界面面积小，再加上熔渣不能被感应加热，渣温低，流动性差，反应力低，不利于渣钢界面冶金反应的进行，特别是脱硫、脱磷等，因而对原材料要求较为严格。

（4）烟尘少对环境污染小。熔炼过程中基本无火焰，也无燃烧产物。

感应加热的原理：

感应加热原理主要依据两则电学基本定律： 一是法拉第电磁感应定律： E=B·L ·v ·sin ∠(v·B) E:导体两端所感应的电势； B:磁感应强度； v:相对速度；

∠(v·B):磁感应强度的方向与速度方向之间的夹角。

当一座无芯感应炉的感应线圈中通有频率为f 的交变电流时，则在感应圈所包围的空间和四周产生一个交变磁场，该交变磁场的极性、磁感应强度与交变频率随着产生该交变磁场的交变电流而变化。若感应线圈内砌有坩埚并装满金属炉料，则交变磁场的一部分磁力线将穿过金属炉料，磁力线的交变就相当于金属炉料与磁力线之间产生了切割磁力线的相对运动。因此，在金属炉料中将产生感应电动势（E ），其大小通常以下式确定： E=4.44Ф·f·n Ф:感应线圈中交变磁场的磁通量，Wb ； f:交变电流的频率，Hz ；

n:炉料所形成回路的匝数，通常n=1。 二是焦耳-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。这就是电流的热效应： Q=I2Rt Q: 焦耳-楞茨热，J ； I:电流强度，A ； R:导体电阻，Ω； t:导体通电时间，s 。 当感应炉通以交流电后，在感应线圈内坩埚里的金属炉料由一法拉第电磁感应定律产生感应电动势，由于金属炉料本身形成一闭合回路，所以在金属炉料中产生感应电流：I=4.44Ф·f/R，（R:金属炉料的有效电阻，Ω）。该感应电流又依照二焦耳-楞茨定律在炉料中放出

热量，使炉料被加热。

1.2 真空冶金的原理：

影响一个化学反应的外部因素主要是：温度、浓度和压力。真空冶金就是通过改变外界压力对冶金过程中诸多化学反应中有气相参加的反应产生影响，当反应生成物中的气体摩尔数大于反应物中的气体摩尔数，减小系统的压力（即增加真空度）则可以使平衡反应向着增加气态物质的方向移动，促使反应进行的更完全。以下几类反应器中发生的反应属于此类： 真空下的碳脱氧反应： 〔C 〕+〔O 〕→CO ↑ 真空下的脱气反应： 2〔H 〕→H2↑ 2〔N 〕→N2↑

金属中元素的挥发： 〔Me 〕→Me ↑

(1) 在真空环境下，碳的行为很有意思。在常压下，碳的脱氧能力较弱，因此常用金属脱氧剂（如硅、铝等）来进行沉淀脱氧，但硅、铝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。在一般条件下，当钢中〔C 〕=0.20%，与之平衡的〔O 〕=0.01%，当钢中〔C 〕降低时，与之平衡的〔O 〕还要升高，而现今有些特殊用途的钢和合金中的氧含量要求又远低于0.01%，因而在一般条件下仅用碳来脱氧是达不到脱氧要求的。

碳氧反应的平衡常数为： K=PCO/(ac ·aO)= PCO/(〔%C〕·fC ·〔%O〕·fO) 即：〔%C〕·〔%O〕= PCO/K

由于K 值在某一温度下是一常数，当将炉内CO 不断抽走，即降低炉内的PCO ，〔%C〕·〔%O〕的数值也会同时降低，即在真空条件下，碳氧反应会进行的更完全。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仅只遵循上述热力学原理，金属液体内部的碳氧反应不仅遵循上述热力学原理，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，那么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）是不够的，此时限制碳脱氧的主要因素是表面张力和静压力。

此原理不仅能降低溶解于金属中的氧，还能还原金属夹杂中的氧, 如: MnO+〔C 〕→〔Mn 〕+CO↑

SiO2+2〔C 〕→〔Si 〕+2CO↑ Al2O3+3〔C 〕→2〔Al 〕+3CO↑ 同时，真空下碳这一特性也会作用于坩埚耐火材料。在真空熔炼的精炼期，此时熔池处于高温、高真空下，炉衬中的氧化物及杂质会分解并与碳发生还原反应。因而坩埚材料的选择很重要。

由于以上过程的存在，反过来也会消耗〔C 〕，降低钢中〔C 〕。 （2）真空下的脱气：

金属中的气体是指溶解在其中的氢和氮而言。氢和氮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。

〔%H〕=KH√PH2

〔%N〕=KN√PN2

（3）真空下杂质及合金元素的挥发：

在真空条件下，金属中某些蒸气压较高的元素，当熔室内压力降低至低于其蒸气压力时，这些元素就会从液态金属中挥发出来。因而应合理制定工艺制度，促进杂质的挥发、减少有用元素的挥发。

500kg 真空感应炉

1、真空系统

2、加料系统

3、感应线圈

4、坩埚

5、电源

6、锭模车

2、真空感应炉熔炼的工艺过程：

就是结合真空冶金与感应熔炼的特点制定合理有效的工艺。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。

（1） 装料：

真空感应炉所用炉料一般都是经过表面除锈和油污后的高纯原料，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。装料时，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”；在装大料前，应先在炉底铺垫一层细小的轻料；高熔点不易氧化的炉料应装在坩埚的中、下部高温区；易氧化的炉料应在金属液脱氧良好的条件下加入；易挥发的元素加入时，熔炼室应先充以惰性气体Ar 为好。

（2） 熔化期：

装料完毕后，应开始抽真空。当真空室压强达到0.67Pa 时，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和缓慢的熔化速度。所以开始熔化时不要求输入最大的功率，而是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，这将会引起熔池的剧烈沸腾，甚至产生喷溅。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惰性气体）的方法加以控制。若采用两次加料熔化时，第二次炉料应在坩埚炉料熔化70%~80%时加入，并等到补加料开始发红后再提高输入功率，以免冷料突然加入而放出大量气体产生喷溅。当金属全部熔化，熔池表面无气泡逸出时，熔炼进入精炼期。

（3） 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；但温度过高会加剧坩埚与金属间的反应、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℃。 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。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；小型炉则控制在0.1~1Pa。

c 、真空下保持时间：金属液内氧含量是先降后升的，所以当氧含量达到最低值的时间就是精炼时间，500kg 的炉子精炼时间为50~70min。

炉料熔清后，应立即加入适量的块状石墨或其他高碳材料进行碳氧反应。精炼后期，充分脱氧、去气、挥发夹杂物时，加入活泼金属和微量添加元素，调整成分，加入顺序一般为Al 、Ti 、Zr 、B 、Re 、Mg 、Ca ，应做到均匀、缓慢，以免产生喷溅，加入后用大功率搅拌1~2min，以加速合金的熔化和分布均匀，由于Mn 的挥发性较强，一般在出钢前3~5min加入。

（4）浇注：合金化后，温度成分合格后即可出钢浇注。浇注时采用保温帽或绝热板。对于成分复杂的高温合金，浇注后可在真空下冷却。

3、结语：

真空感应熔炼作为制造高温合金、精密合金、特殊功能材料等的重要工序之一，其作用将越来越重要、应用将越来越广泛。