真空感應熔煉爐簡介
2019-06-20 來源：Goal Science
真空感應熔煉爐是在真空條件下利用電磁感應在金屬導體內產生渦流加熱爐料進行熔煉的設備。
1. 真空感應熔煉爐原理及特點
1.1 真空感應熔煉爐工作原理
（1）將金屬爐料放入置于線圈中的坩堝內，當線圈接通交流電源時，在線圈中間產生交變磁場，爐料中即產生感應電勢；
（2）金屬爐料本身形成一閉合回路，所以在爐料中同時產生了感應電流，即渦流，爐料靠渦流加熱和熔化。
1.2 真空感應熔煉爐工作特點
（1）真空感應熔煉能夠嚴格控制合金中活潑元素如鋁、鈦等的含量；
（2）有效地去除合金中的氣體和非金屬夾雜物以及有色金屬雜質，提高合金的純凈度。
（3）坩堝、耐火材料選擇不當可能污染金屬液；
（4）通常采用鋼錠模澆注，鋼錠結晶組織比砂型鑄造的鑄錠更細密。
1.3 主要熔煉領域
（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、超純鐵素體不銹鋼及高純金屬等；
（2）回收貴重合金料，如鎳基合金、高合金不銹鋼等；
（3）生產無余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。
2. 真空感應熔煉爐簡介
2.1 真空感應熔煉爐分類
2.1.1 普通真空感應熔煉爐（VIM）
普通真空感應熔煉爐（Vacuum Induction Melting Furnace）由于爐體型式、坩堝型式以及兩者的相對位置與相對運動形式的不同，形成各自獨立的爐型。根據感應爐的結構特點，可以歸納為如下幾種。
（1）小型試驗真空感應熔煉爐
一般為臥式單室結構，坩堝和錠模密封在一個熔煉室中，只有一套真空系統和一套熔煉電源系統。坩堝容量較小，一般不大于30kg，氣密性較好，爐料一次性加入，轉爐出鋼依靠手動杠桿操作，多用于科研、新產品開發及精密鑄造等領域。
（2）立式單室真空感應熔煉爐
比較早期的結構形式，可以制造大型的真空感應爐。每爐冶煉完成后需要破真空，移開上爐蓋進行裝料及脫錠，導致熾熱的坩堝表面吸氣，影響冶金質量，生產效率較低，目前已基本淘汰。
（3）立式雙室真空感應熔煉爐
在立式單室真空感應熔煉爐的基礎上，將錠模室與熔煉室分離為雙室結構，也稱多室結構的真空感應熔煉爐。錠模室與熔煉室的分離，避免了破壞真空裝料對冶金質量的影響，并大幅度地提高生產效率，是目前大型工業化生產的主要爐型。
（4）帶有流槽室的真空感應熔煉爐
在立式雙室真空感應熔煉爐的基礎上增加了流槽室，通過更換不同長度的流槽，使鑄錠的直徑大小和鋼錠的高度有了更大的選擇范圍，也可以方便選擇鋼錠的上鑄或下鑄。
（5）錠模室升降式真空感應熔煉爐
立式雙室真空感應熔煉爐的一種形式，可以減小真空室的容積，但錠型尺寸的選擇余地較小，且不易進行漏模事故的清理工作。
（6）錠模室水平布置真空感應熔煉爐
錠模室水平布置真空感應熔煉爐更有利于脫錠的操作，缺點是占地面積較大。
（7）帶底吹系統的真空感應熔煉爐
在冶煉過程中可以向坩堝中吹入氬氣等工藝氣體，更加快速有效地去除鋼中的氣體和夾雜物，同時也更有利于成分和溫度的均勻。
（8）雙門帶坩堝旋轉式真空感應熔煉爐
可以配置兩個噸位相同或不同的坩堝，生產靈活方便，當一個坩堝在冶煉的同時另一個坩堝可以完成修爐和烤爐。缺點是長期使用后爐門易發生變形而影響爐體的氣密性。
（9）側門旋轉軸式真空感應熔煉爐
電源和液壓翻轉坩堝的動力系統，通過側門的旋轉軸傳遞到坩堝，在熔煉室內沒有水冷電纜和液壓缸，減少了故障隱患，也更方便與設備系統的維修，但由于受側門旋轉軸強度和密封的限制，難于制造噸位較大的爐型。
（10）特殊產品專用真空感應熔煉爐
用于特殊產品的專用真空感應熔煉爐，專門為生產特殊規格的產品而設計。
2.1.2 大型真空感應熔煉爐（VIDP）
大型真空感應熔煉爐（Vacuum Induction Degassing and Pouring Furnace）設備的模塊化設計更緊湊，維護更方便，效率更高，生產成本更低。VIDP爐與其他澆注系統（如連鑄系統）組合，擴展其功能，實現“一機多用”。
VIDP爐可配置3個爐體，作業中一個熔煉，一個接受預熱，另一個制備坩堝爐襯，縮短生產周期，提高生產率。
VIDP爐相比VIM爐的優勢：
（1）相同數量級爐子，VIDP抽真空速度更快；
（3）可對流道進行預熱，保證澆注質量；
VIDP爐的不足之處：
2.2 小型試驗真空感應熔煉爐結構
以小型試驗真空感應熔煉爐為例，其結構主要由：真空熔煉爐體、感應熔煉系統、真空系統、電源系統、水冷卻系統等組成。
真空感應熔煉爐示意圖
（1）真空熔煉爐體
真空熔煉爐體由主爐蓋、爐體、爐蓋升降移動機構、側開門（部分含有）等組成。
熔煉爐體要求有足夠的強度和剛度，內壁多為不銹鋼，外壁及加強筋一般為碳鋼，爐冷結構為雙層立式水冷結構，內外爐壁之間通冷卻水，爐體內外壁之間有加強筋，足夠剛度和強度，抽負壓不會變形。爐殼制造所用材料經過探傷無裂紋、焊接性能好、受熱不易變形、滲氣率低，保證氣密性。
（2）感應熔煉系統
由水冷導電銅軸、感應器、傾爐機構、絕緣密封裝置等組成。
水冷導電銅軸是熔煉爐的重要部件，安裝在爐體上，爐內部安裝感應線圈，爐外部分與中頻電源導電銅排連接，其作用是將中頻電源輸送來的低壓大電流輸送給感應線圈，因此水冷導電銅軸承擔導電、絕緣、密封和冷卻的功能，水冷導電銅軸采用空心厚壁紫銅管作導體，空心銅管內通以冷卻水。
感應線圈是感應爐的核心部件，承擔電能輸入和能量轉換任務，建立強的交變磁場，一般用扁圓形空心紫銅管繞制成，兩邊用絕緣膠木板固定，線圈刷絕緣油漆，并進行烘烤，作絕緣處理。
（3）真空系統
真空機組由機械泵、羅茨泵、擴散泵、氣動擋板閥門、真空管道等部分組成，真空閥門采用氣動擋板閥門，真空泵和爐體多直接用真空鑄鋼管道連接，其他真空管道多為不銹鋼波紋鋼管道。真空儀表，真空檢測硅管一般安裝在擴散泵擋板閥門閥體上。
（4）電源系統
中頻感應爐主要電路為AC-DC-AC變頻結構，由整流電路、濾波、逆變電路和保護電路組成。其工作原理是將三相50Hz工頻交流電經過三相全控整流橋整流成電壓可調的中頻電源脈動直流，再通過電容將脈動直流電濾波變成光滑平穩的直流電送到單相逆變橋，最后通過逆變橋將直流電變成單相頻率可調的中頻交流電供給負載。
（5）冷卻系統
電爐的冷卻非常重要。需要冷卻的裝置有：中頻電源、爐體、爐蓋、線圈、 油擴散泵、羅茨泵和機械泵等。冷卻水來自冷卻塔，經分水器分為多路，流經需要冷卻的設備，回水再經過集水器匯總流回閉式冷卻塔。經冷卻，循環使用。
真空感應熔煉爐部分設備實物圖如下：
小型真空感應熔煉爐（上）；大型真空感應熔煉爐（下）[4]。
大型真空感應熔煉爐（效果圖）[5]
參考文獻：
[1] 劉喜海, 徐成海, 鄭險峰編著. 真空冶煉[M]. 化學工業出版社，2013.
[2] 王濤. 真空感應磁懸浮精煉鈦鋁基多元合金研究[D]. 成都理工大學，2017.
[3] 林聰. 中國冶金百科全書[M]. 冶金工業出版社，1998.
[4] https://www.ald-vt.com/
[5] https://consarc.com/