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真空感应熔炼炉介绍
2024-07-18
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在实际使用中通过机械结构的搭配来实现原理的。该设备通常利用电磁感应的原理，将感应线圈和物料放入一个密闭的腔体中，并通过真空抽气系统抽出容器内的气体，然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，当发热量达到一定程度时，物料开始熔化。熔化过程中通过设备上的其他配套部件实现功率控制、温度测量、真空测量、补充加料等一系列操作，最后通过坩埚翻转将液态金属浇入铸模内形成金属锭进行熔炼。真空感应熔炼设备的主要结构包括以下几部分：
真空熔炼炉除上述部件外，还应配备电源、控制系统、冷却系统等，为设备熔炼材料提供能量输入，并在关键部位提供一定的冷却，防止系统过热而导致结构寿命降低或损坏。对于有特定工艺要求的感应熔炼设备，还有相关的辅助部件，如传送小车、炉门启闭、离心浇铸盘、观察窗等。对于杂质较多的设备，还应配备气体过滤系统等。可见，一套完整的感应熔炼设备除了必备的部件外，还可以根据特定的工艺要求，通过添加其他部件来实现不同的功能，并为金属制备提供便利的条件和实施方法。
2.1.真空感应熔炼炉
真空感应熔炼炉是在真空条件下，先用感应加热熔化金属，然后将液态金属浇注到铸型中，得到金属锭的熔炼设备。真空感应炉的发展始于1920年左右，主要用于冶炼镍铬合金。直到第二次世界大战促进了真空技术的进步，真空感应熔炼炉才真正得到发展。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，由最初的几吨发展到几十吨的超大型感应炉。为了适应大批量生产，除了设备容量的变化外，感应炉的结构也由以周期为单位的周期炉发展为装料、铸型准备、熔炼、浇注等作业连续或半连续的真空感应熔炼。不停炉连续作业，节省了装料时间和等待锭冷却的时间，连续生产提高了效率，也增加了合金产量。更好地满足实际生产的需要。与国外相比，我国早期的真空感应炉容量相对较小，主要在2吨以下，大型冶炼炉仍依赖从国外进口，随着近几十年的发展，我国也能自行研制大型真空感应冶炼炉，最高冶炼达十余吨。VIM真空感应熔炼炉发展较早，结构简单，使用方便，维护费用低，在实际生产中得到了广泛的应用。
真空感应熔炼炉的基本形式。通过可旋转的转台将金属材料加入熔炼坩埚中。另一侧对准坩埚，通过将热电偶向下插入熔融金属中实现温度测量。熔炼后的金属由翻动机构带动，倒入成型模具中，实现金属的熔炼。整个过程操作简单方便，每次熔炼只需一至两名工人即可完成。在熔炼过程中，可以实现实时温度监控和材料成分调整，最终的金属材料更符合工艺要求。
2.2.真空感应膜煤气炉
对于某些材料，工艺上可以不要求在真空室内完成浇注，只需在真空环境下保温、脱气即可。在VIM炉的基础上，逐渐发展出VID脱气炉的真空感应膜气炉。
真空感应脱气炉的主要特点是结构紧凑，炉体体积小。较小的体积更有利于快速抽气和获得较好的真空度。与常规脱气炉相比，该设备体积相对较小，温度损失小，灵活性和经济性更好，适合液体或固体加料。VID炉可用于特殊钢、有色金属的冶炼脱气，需要在大气环境或保护气氛条件下浇注到铸型中。整个冶炼过程可实现材料的脱碳精炼、脱氢、脱氧、脱硫等杂质去除，有利于精确调整化学成分以满足工艺要求。
在一定的真空条件或保护气氛下，通过感应脱气炉的加热使金属材料逐渐熔化，在此过程中可以除去内部的气体。如果在工艺过程中加入适当的反应气体，就会与金属内部的碳元素结合生成气态碳化物排出炉外，达到脱碳精炼的目的。在浇注过程中，需要通入一定的保护气氛，保证已脱气的金属材料与大气中的气体隔绝，最终完成金属材料的脱气精炼。
2.3.真空感应脱气浇注炉
真空感应脱气浇注炉是在前两种冶炼技术基础上发展起来的，1988年德国ALD公司的前身Leybold-Heraeus公司制造了第一台VIDP炉。该炉型的技术核心是集成感应线圈坩埚于一体的紧凑型真空熔炼室，仅比感应线圈稍大，只包含感应线圈和坩埚。电缆、水冷管线及液压翻转机构均设置在熔炼室外面。其优点是可以保护电缆、水冷管线不受钢水喷溅和温度、压力周期性变化造成的损坏。由于拆卸方便，便于更换坩埚，VIDP炉壳设有三个炉体。一次配制坩埚炉衬，缩短了生产周期，提高了生产效率。
炉盖通过真空密封支撑在炉架和两根液压缸立柱上。轴承s.浇注时，两台液压缸在侧面顶住炉盖，炉盖带动熔化室左右翻转，使真空轴承。在倾斜浇注状态下，熔炼室与感应圈坩埚之间无相对运动。浇道是VIDP炉的重要组成部分，由于VIDP炉的设计将熔炼室与锭室隔离，钢水必须通过真空浇道进入锭室。锭室为方形斜边开启和关闭结构，由两部分组成，固定部分紧邻浇道室，活动部分沿地面轨道水平移动，完成锭室的开启和关闭。有些设备将活动部分设计成30度，左右向上开启，便于装卸锭模及起重机的日常维护和维修。冶炼开始时，炉体由下方的液压机构抬起，与炉子上部结构炉盖联结，并用特殊机构锁紧，炉盖上端通过真空与进料室连接。阀门。
由于只有熔炼部分封闭在真空室内，通过导流槽倒出，炉子结构紧凑，熔炼室较小，真空控制更好更快。与传统感应熔炼炉相比，具有抽真空时间短、漏气率低的特点。通过配备PLC逻辑控制系统，可以实现理想的压力控制。同时，电磁搅拌系统可以稳定地搅拌熔池，添加的元素将均匀地从上到下溶解在熔池中，保持温度接近恒定。浇注时，浇道由外部加热系统加热，减少浇口的初始浇注堵塞和浇道热裂。通过增加过滤挡板等措施，可以缓解钢水冲击，提高金属纯度。由于VIDP炉体积小，真空泄漏检测和修复更容易，炉内清理时间更短。此外，还可以利用小型、易于更换的热电偶来测量炉内温度。
2.4、感应水冷坩埚
水冷坩埚电磁感应真空悬浮冶炼方法是近年来发展较快的一种冶炼方法，主要用于制备高熔点、高纯度、活性极大的金属或非金属材料。通过将铜坩埚切成相等的铜花瓣结构，并在每个花瓣块中通入水冷，这种结构增强了电磁推力，使熔融金属在中部受到挤压，形成驼峰而脱离坩埚壁。金属置于交变电磁场中，该装置将容量集中在坩埚内部的体积空间中，然后在炉料表面形成强大的涡流，一方面释放焦耳热使炉料熔化，另一方面形成洛伦兹力使熔体悬浮并产生强烈的搅拌。加入的合金元素能迅速均匀地混合在熔体中，使其化学成分更加均匀，温度传导更加均衡。由于磁悬浮作用，熔体与坩埚内壁脱离接触，避免了坩埚对熔体污染，同时减少了热传导，增强了热辐射，使熔体金属散热减少，达到较高的温度。对于加入的金属炉料，可按要求的时间和设定的温度进行熔化和保温，炉料无须事先处理。水冷坩埚熔炼在去除金属夹杂、脱气精炼方面可达到电子束熔炼的水平，而蒸发损失更小，能耗更低，提高了生产效率。由于感应加热的非接触加热特点，对熔体的影响较小，对制备纯度较高或活性极高的金属有良好的效果。由于设备结构复杂，对于大容量设备实现磁悬浮熔炼尚有困难。现阶段尚无大容量的水冷铜坩埚冶炼设备，目前的水冷坩埚设备仅用于小容量金属冶炼的实验研究。
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