真空感應熔煉（Vacuum induction melting，簡稱VIM）在電磁感應過程中會產生渦電流，使金屬熔化。此製程可用來提煉高純度的金屬及合金。主要包括真空感應爐熔煉、懸浮熔煉和冷坩堝熔煉。由於在真空下熔煉容易將溶於鋼和合金中的氮、氫、氧和碳去除到遠比常壓下冶煉為低的水平，同時對於在熔煉溫度下蒸氣壓比基體金屬高的雜質元素(銅、鋅、鉛、銻、鉍、錫和砷等)可通過揮發去除，而合金中需要加入的鋁、鈦、硼及鋯等活性元素的成分易於控制。因此經真空感應熔煉的金屬材料可明顯地提高韌性、疲勞強度、耐腐蝕性能，高溫蠕變性能以及磁性合金的磁導率等多種性能。
基本介紹
- 中文名：真空感應熔煉
- 外文名：Vacuum induction melting
- 簡稱：VIM
- 學科：冶金工業
- 作用：提高金屬的韌性、疲勞強度等
- 設備：真空感應爐
熔煉設備,熔煉工藝,發展與展望,
熔煉設備
真空感應爐包括電源輸入系統、真空系統和爐體三大部分。
電源輸入系統
由於真空感應爐設備投資較大，縮短熔煉周期以提高設備利用率就成為選擇電源功率的重要因素，通常選擇300～500kW熔煉每噸金屬;電源頻率的選擇主要考慮熔池能得到充分的攪拌以利於合金料熔化和精煉反應的進行。為了得到充分的攪拌，有的感應爐備有攪拌輔助電源;選擇較低輸入電壓，有利於解決真空下放電的絕緣問題。
真空系統
選擇真空系統首先應考慮熔室初抽的時間及各閘閥隔離室抽空所需的時間，例如通常主熔煉室要求15min抽空至13.3N/m(即1×10Torr);然後考慮精煉期氣體排出量和對精煉期真空度的要求，這與選用的原材料種類、成分和對熔煉後合金成分的要求有很大關係;還要考慮外來氣體源，這對大型爐子更為重要，例如由各真空密封處密封不嚴引起的漏氣，坩堝、絕緣物、導流槽等耐火材料放氣，還有爐壁沉積的揮發物吸氣後的放氣等。通常允許熔煉前熔煉室漏氣加放氣達到每kg坩堝容量6.65×10-2～1.33×10-1N.L/(m·s)。對爐體漏氣要求愈小愈好，因為同一真空度下漏氣大的爐子熔鍊冶金效果差。通過在熔煉室安放便於清除揮發物的冷凝捕集器以及採用溫水冷卻爐壁可顯著減少熔煉時爐體受熱產生的大量放氣。
爐體結構
往往根據用戶需要設計，因而是多種多樣。通常包括熔煉室和裝料及輔助設備兩大部分。(1)熔煉室。對小型真空感應爐(<500kg/爐)通常選擇側傾坩堝澆注的結構，在熔煉室內澆注，優點是結構緊湊。對工業規模用真空感應爐(>1t/爐)也為側傾澆注;但鑄錠室與熔煉室經真空閘閥隔開;坩堝與錠模之間經過一個水平導流槽相連線;這種結構的優點是可以實現半連續冶煉、縮短冶煉周期，大大提高設備利用率。但設備投資會有一定增加。(2)裝料與輔助設備。有塊料、合金料與液態金屬等加料裝置設備，常用為前兩種。小爐的塊料打開爐蓋直接用手裝料;大型爐子為了使熔煉室連續保持真空，專用閘閥在坩堝上方建有加料室，用底開式吊籃通過加料機構將塊料直接送入坩堝。(3)合金加料器。位於熔煉室之上，總容量約為熔煉料的2%～10%，為多格分別貯料，通過真空閘閥與振動送料器將各種合金料於合適的熔煉期間分別加入坩堝內的液態金屬中。(4)合金液取樣器。為了控制冶煉過程，必須在不同熔煉期間取樣分析合金成分與雜質含量。取樣器可通過一小真空閥直接自熔池內取樣，或者通過加料裝置閘閥自熔池中取樣。(5)測溫裝置。溫度是冶煉工藝的重要參數，使用輻射光學高溫計測溫，必須及時清除玻窗上的揮發物並對其進行校正;因此，標準的方法是用浸入式熱電偶測溫，它可通過專門真空閥門送入，或經過加料室閘閥送入。除此之外，還有搗料桿、可移動坩堝蓋，錠模及導流槽等附屬設備。真空感應熔煉設備以德國萊波特海拉斯(Leybold Her-aeus)公司和美國康薩克(Consarc)公司的產品較為先進。中國主要生產廠家為上海電爐廠、錦州電爐廠等。
熔煉工藝
真空感應熔煉的熔煉工藝包 括坩堝的選擇與製備，爐料準備，熔化和精煉以及澆注等。
坩堝的選擇與製備
坩堝的壽命和坩堝與液態金屬相互作用直接影響設備的生產率和金屬成品的質量。通常小爐選用預製坩堝;較大熔煉爐(>250kg)採用打結法製備坩堝較為經濟。用得最廣泛地是不同純度的氧化鋁和氧化鎂為基的耐火材料，選用何種耐火材料取決於被熔合金的化學性質。對熔點較低而又不與碳反應的金屬，如鈾與銅，可選用石墨坩堝;對含化學活性多的合金則可選用氧化鈣或氧化釔穩定化的氧化鋯耐火材料。20世紀80年代真空感應爐的坩堝材料有了重要發展，用水冷銅片鑲制坩堝可徹底免除坩堝與金屬液間反應，從而可用真空感應爐熔煉鈦、鋯等活性金屬;用預製氧化鈣坩堝可大大提高熔鍊金屬的質量。
爐料準備
真空感應熔煉用的原材料需經仔細化驗和選擇，如對在真空中不易去除的磷與硫的含量加以限制;經過熔煉雖然可以脫除原料中含有的氧與氮等氣體，但寧肯花稍高的價格買低雜質含量的原料，從而節省真空感應淨化所需時間;同理，在使用返回料時必須清除氧化皮、油、脂及其他易揮發污物。
熔化與精煉
在第一批裝料中含有全部非活性合金元素，同時希望有一定量的碳，這樣在料熔化時碳可以充分脫氧，又起攪拌作用;相反在煉製超低碳合金時則配有過量氧以便在熔化期充分脫碳。熔化期要避免激烈沸騰造成金屬液強烈噴濺損失，必要時在熔化期通入一定壓力的氬氣以抑止金屬液沸騰。在精煉期應注意熔池得到充分攪拌以利於金屬液成分均勻和各種冶金反應的進行;精煉期溫度應選擇適當，溫度高有利於提高反應速度，但溫度過高會由於金屬液與坩堝材料反應加速，從而導致金屬液含氧量增高等不利影響;精煉期真空度應達到抽氣設備實際的最高值，通常在1.33～0.13 N/m(之間，以發揮真空冶煉的優勢，只有在煉製需要加入易揮發合金元素時才通入氬氣阻止揮發損失;一般活性合金組元在金屬液充分脫氧後加入，然後調整熔池溫度準備澆注。
澆注
澆注工藝直接影響產品質量。首先是精確控制澆注溫度，選擇澆注溫度應使金屬液具有良好流動性，但不要使金屬液過熱導致燒傷模壁及冷凝產生的二次夾雜增多等缺點。其次採取措施防止浮渣等進入鑄模，使用帶擋渣板的導流槽能得到良好效果;80年代研製出的各種泡沫陶瓷過濾器，對高溫合金起到明顯減小夾雜的淨化效果。為了填充鑄錠縮孔，可使用發熱保溫帽、絕熱保溫帽、電弧加熱和感應加熱等辦法。
發展與展望
在20世紀40年代真空感應熔煉主要煉製加熱用電阻合金，它純淨度高、拔絲容易;同時也用於生產軟磁合金。60年代以來，中國邵象華、美國埃里奧特(Elliott J.F.)和前蘇聯薩馬林(Cамарин A.M.)等對真空冶金物理化學作了較全面的評述並進行了多方面的研究。真空冶煉在金屬的純化、成分控制、性能改進及潔淨度等方面有明顯的效果。在60年代以後真空感應熔煉又增加了超高強度鋼、超純鐵素體不鏽鋼及電子工業用高純靶材等產品。對於合金性能要求很高的材料常常採用真空感應熔煉與真空電弧重熔或電渣重熔雙聯冶煉工藝，這時真空感應爐煉製電極，由真空電弧爐或電渣爐重熔成錠，這種雙聯冶煉出的錠子成分控制精確，雜質含量低，夾雜少而且具有良好鑄錠組織改善加工成型性能。
真空感應熔煉今後在下述四個方面仍將獲得廣泛套用：(1)熔煉要求成分控制精確、純度高、夾雜少的合金。如鎳基高溫合金、超高強度馬氏體時效鋼、超純鐵素體不鏽鋼及高純金屬等；(2)回收貴重合金料，如鎳基合金、高合金不鏽鋼等；(3)生產無餘量加工的精密鑄造件；(4)用水冷銅片鑲制坩堝與氧化鈣坩堝熔煉活性金屬合金如鈦、鋯等。
