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真空感應熔煉技術的發展及趨勢
2017-11-30
來源:未知
點擊數: 2799          作者:未知
  • 真空感應熔煉技術的發展及趨勢

     

    隨著現代工業技術的迅猛發展,人們對機械零件的使用要求越來越高,愈加嚴苛的使用環境對金屬材料的耐高溫,耐磨,抗疲勞等性能提出了更高的要求。對于某些特定的金屬或合金材料,無論是前期研發試驗還是后期的大批量生產投入使用,研究或得到高性能的金屬合金材料都需要金屬熔煉設備,表面熱處理設備等的支持。在眾多的特種加熱或熔煉方法中,感應加熱技術用于熔煉制備金屬材料或在一定工藝中對材料進行燒結,熱處理等,都起到了至關重要的作用。

    1、真空感應熔煉技術

    1.1、原理

    感應加熱技術通常是指真空條件下,通過電磁感應原理使感磁性較好的材料獲得感應電流,達到加熱的目的一種技術。電流以一定頻率通過環繞在金屬材料周圍的電磁線圈,變化的電流產生感應磁場,并使得金屬內部產生感應電流,并產生大量的熱量,用來加熱材料。當熱量相對較低時可用于真空感應熱處理等工藝,當熱量較高時,產生的熱量足以熔化金屬,用來制備金屬或合金材料。

    1.2、應用

    1.2.1、真空感應熔煉

    真空感應熔煉技術是目前對金屬材料加熱效率最高、速度最快,低耗節能環保型的感應加熱技術。該技術主要在感應熔煉爐等設備上實現,應用范圍十分廣泛。固態的金屬原材料放入由線圈纏繞的坩堝中,當電流流經感應線圈時,產生感應電動勢并使金屬爐料內部產生渦流,電流發熱量大于金屬爐料散熱量的速度時,隨著熱量越積越多,到達一定程度時,金屬由固態熔化為液態,達到冶煉金屬的目的。在此過程中,由于整個過程發生在真空環境下,因此,有利于金屬內部氣體雜質的祛除,得到的金屬合金材料更加純粹。同時冶煉過程中,通過真空環境以及感應加熱的控制,可以調整熔煉溫度并及時補充合金金屬,達到精煉的目的。在熔化過程中,因為感應熔煉技術的特點,液態的金屬材料在坩堝內部由于受到電磁力的相互作用,可以自動實現攪拌,使成分更加均勻,這也是感應熔煉技術的一大優勢。

    與傳統的冶煉相比,真空感應熔煉節能,環保,工人作業環境好,勞動強度小,具有很大優勢。利用感應熔煉技術,最終澆注的合金材料雜質更少,添加的合金比例更加合適,能夠更加符合工藝對材料各性能的要求。

    真空感應熔煉技術目前已經得到大規模的使用,從用于試驗研究的幾千克感應爐到用于實際生產的幾十噸容量的大型感應爐,由于其操作工藝簡單,熔化升溫快熔煉過程容易控制,所冶煉金屬成分均勻等優點,具有很大的應用前景,近些年得到了快速的發展。

    1.2.2、真空感應燒結

    真空燒結是指在真空度為(1010-3Pa)的環境下將金屬、合金或金屬化合物粉末在低于熔點的溫度下燒結成金屬制品和金屬坯。真空條件下燒結,不存在金屬與氣體間的反應,也沒有吸附氣體影響,不僅致密化效果好,而且可以起到凈化和還原作用,降低燒結溫度,和常溫燒結比可降低100℃150℃,節省能耗,提高燒結爐壽命和獲得高質量產品。

    對于某些物料需要通過受熱借助原子遷移實現顆粒間的結合,而感應燒結技術在此過程中則起到了對其的加熱作用。真空感應燒結的優點在于,真空條件下有助于減少氣氛中的有害物質(水蒸氣,氧氣,氮氣等其他雜質),避免出現脫碳,滲氮,滲碳,還原,氧化等一系列反應。過程中降低孔隙內的氣體量,減少氣體分子的化學反應,同時在物料出現液相之前排除其表面的氧化膜,從而在材料熔化互相結合的時候使材料結合更致密,提高其耐磨性及強度。另外真空感應燒結對降低產品成本也具有一定的效果。

    由于真空環境下,氣體含量處于相對很低的狀態,因此可以忽略熱量的對流和傳導,熱量主要以輻射的方式由發熱組件傳遞到物料表面,根據具體的燒結溫度,物質的物理化學特性,選擇合適的發熱組件也是十分重要的。與真空電阻加熱相比,感應燒結采用中頻電源加熱,一定程度上避免了采用電阻內加熱方式真空爐的高溫絕緣問題。

    目前,感應燒結技術主要應用在鋼鐵,冶金領域。另外,在特種陶瓷的材料上,感應燒結增強了固體顆粒的鍵聯,有助于晶粒長大,壓縮空隙,進而增加密度,形成致密的多晶燒結體。感應燒結技術也正在新材料的研究上得到更廣泛的應用。

    1.2.3、真空感應熱處理

    目前應有較多的感應熱處理技術主要集中在感應淬火技術。將工件放入感應器(線圈)內,當感應器中通入一定頻率的交變電流時,周圍即產生交變磁場。交變磁場的電磁感應作用使工件內產生封閉的渦流。由于集膚效應,即感應電流在工件截面上的分布很不均勻,工件表層電流密度很高,向內逐漸減小。

    工件表層高密度電流的電能轉變為熱能,使表層的溫度升高,即實現表面加熱。電流頻率越高,工件表層與內部的電流密度差則越大,加熱層越薄。在加熱層溫度超過鋼的臨界點溫度后迅速冷卻,即可實現表面淬火。由感應加熱的原理可知,通過調節感應線圈通過電流的頻率,即可適當的改變電流的透入深度,深度可調也是感應熱處理的一個較大的優勢。但是感應淬火技術由于適應性較差,不適用與復雜的機械工件。雖然淬火后的工件表層有較大的壓縮內應力,抗疲勞斷裂能力較高。但是只適用于簡單工件的流水線生產。

    目前應用感應淬火技術主要應用在汽車工業中的曲軸凸輪軸等零件的表面淬火,由于這些零部件雖然結構簡單,但工作環境惡劣,對零部件的性能有一定的耐磨性,抗彎曲,抗疲勞要求,通過感應淬火提高他們的耐磨性和抗疲勞能力也是目前滿足性能要求的最合理的方法。廣泛應用于汽車行業中的部分零部件表面處理。

    2、真空感應熔煉設備

    真空感應熔煉設備是利用感應熔煉技術,通過機械結構的配套,將原理實現在實際使用中。設備通常利用電磁感應原理,將感應線圈,物料放入一個密閉的腔體內部,通過真空抽氣系統將容器中的氣體抽出,隨后,利用電源使電流通過感應線圈,產生感應電動勢并在物料內部形成渦流,發熱量到達一定程度時,物料便開始熔化。在熔化過程中,通過設備上的其他配套組件,實現功率控制,溫度測定,真空度測定,補充加料等一系列操作,最終通過坩堝翻轉將液態金屬澆注到模具中,形成成金屬鑄錠,完成冶煉。真空感應熔煉設備主要結構包括以下幾個部分:

    除了以上組成部分之外,真空熔煉爐還應配備有電源及控制系統和冷卻系統,為設備熔化材料提供能量輸入,并在關鍵部位提供一定的冷卻,防止系統過熱導致結構壽命降低甚至損壞。對于特定工藝要求的感應熔煉設備,還有相關配套輔助部件,比如傳動料車,開關爐門,離心澆注盤,觀察窗等等,對于雜質較多的設備,還應配有氣體的過濾系統等。由此可見,一套完整的感應熔煉設備除了必要的組件之外,還可以根據具體的工藝要求,通過加入其他部件的輔助,實現不同的功能,為金屬的制備提供便利的條件和實現方式。

    2.1、真空感應熔煉爐

    真空感應熔煉爐是在真空條件下先通過感應加熱熔化金屬,再將液態金屬澆筑在模具中得到金屬鑄錠的熔煉設備。真空感應爐發展大約開始于1920年,主要用來冶煉鎳鉻合金。直到第二次世界大戰促進了真空技術的進步,使得真空感應熔煉爐真正的發展起來。在此期間,由于合金材料的需求,真空感應熔煉爐不斷向大型化發展,從最初的幾噸發展到幾十噸的超大型感應爐。為了適應大批量的生產,除了設備容量大小的改變,感應爐的結構也從以周期為單位的周期爐發展到了裝料,鑄模準備,熔煉,澆注操作實現連續或半連續的真空感應熔煉。在不停爐的情況下通過連續作業,節省了裝料,鑄錠等待冷卻的時間,連續的生產增加效率的同時也增加了合金的產量。更好的滿足實際生產的需要。我國早期的真空感應爐較國外相比容量相對較小,主要在2噸以下,大型的冶煉爐依然依靠從國外進口,隨著近幾十年的發展,我國也能夠自行研發大型的真空感應熔煉爐,最大熔煉達到十幾噸。VIM真空感應熔煉爐發展較早,結構簡單,使用方便,維護成本較低,已經廣泛應用于實際生產中。

    圖中即為真空感應熔煉爐的基本形態,金屬物料通過可以旋轉的轉塔加入到熔煉坩堝中,真空抽氣系統將容器內部抽除氣體到達合適的真空度,熔煉時轉塔旋轉一定角度,將轉臂的另一側對準坩堝,通過測溫偶向下插入到金屬熔液中實現溫度的測定。熔煉好的金屬由翻轉機構驅動,澆注到成型的模具中,實現金屬的冶煉。整個過程操作簡單方便,每次熔煉需要一到兩名工人即可完成,熔煉過程中可以實現溫度的實時監控,物料成分的調整,最終得到的金屬材料更加符合工藝要求。

    2.2、真空感應膜氣爐

    對于特定的材料,工藝上不要求在真空腔內完成澆注,僅需要真空環境下的保溫,脫氣。在VIM爐的基礎上,VID脫氣爐真空感應膜氣爐逐漸發展起來。

    真空感應脫氣爐主要特點是結構緊湊,爐體容積較小。較小的容積更有利于快速的的氣體抽除,達到較好的真空度。與常規脫氣爐相比,設備體積相對較小,溫度損失小,具有更好的靈活性和經濟性,適合液體或固體的加料。VID爐可用于特種鋼和有色金屬的熔煉和脫氣,需要在大氣環境或保護氣氛的條件下倒入模具中。整個熔煉過程中可以實現對材料的脫碳精煉,脫氫,脫氧,脫硫等雜質的祛除,有利于精確調整化學成分,滿足工藝要求。

    在一定的真空條件或保護氣氛下,通過感應脫氣爐的加熱,金屬材料逐漸熔化,內部的夾雜的氣體可以在此過程中祛除。若在過程中加入適當的反應氣體,與金屬內部的碳元素結合,生成氣態的碳化物排除爐外,達到脫碳精煉的目的。而在澆注過程中,需要通入一定的保護氣氛,保證已經脫氣完成的金屬材料與大氣中的氣體隔絕開來,最終完成金屬材料的脫氣精煉。

    2.3、真空感應脫氣澆筑爐

    真空感應脫氣澆筑爐,是在前兩種熔煉技術基礎上發展起來的。1988年,德國ALD公司的前身,Leybold-Heraeus公司制造了第一臺VIDP爐。該爐型的技術核心是一個與感應圈坩堝一體的,緊湊體積的真空熔煉室,它只比感應圈大一點,僅含有感應圈和坩堝。電纜和水冷管線以及液壓翻轉機構均安裝在熔煉室外。優點是保護電纜和水冷管線不受鋼水飛濺和溫度壓力周期變化帶來的損傷,由于方便拆卸,利于坩堝的更換VIDP爐殼配置三個爐體,作業中一個爐體,一個接受預熱,另一個制備坩堝爐襯,縮短了生產周期,提高了生產效率。

    爐蓋由真空密封軸承支撐在爐架和兩個液壓缸柱上。澆注時,兩個液壓缸側頂爐蓋,爐蓋帶動熔煉室一體圍繞真空軸承傾轉。在傾斜澆注狀態時,熔煉室與感應圈坩堝沒有相對運動。流道是VIDP爐的重要部件。由于VIDP爐的設計把熔煉室與鑄錠室隔離,所以鋼水要經過真空流道進人鑄錠室。鑄錠室為方斜側面啟閉形式,由兩部分組成,固定部分與流道室相臨,活動部分沿地面軌道水平移動,完成鑄錠室的開啟與閉合。在有的設備中,活動部分設計成30度,左右向上敞開,方便天車裝卸錠模和日常保養維修。冶煉開始時,爐體被下方的液壓機構托起,與爐子的上部結構爐蓋接合,用專門機構鎖緊。爐蓋上端通過真空閥與加料室連接。

    由于只將熔煉部分封入真空腔,澆筑通過導流槽導出,使得爐型結構緊湊,熔煉室體積較小,可以更好更快速的控制真空度。與傳統的感應熔煉爐相比,具有抽空時間短,漏率低的特點。通過配備PLC邏輯控制系統可達到理想的壓力控制,同時,利用電磁攪拌系統可以平穩的攪動熔池,加入的元素在熔池內從上到下均勻溶解,保持溫度接近恒定。在澆注錢,通過外置的加熱系統對流道進行加熱降低初始澆注堵塞澆注口和流道熱開裂。通過加入過濾擋板等措施起到緩解鋼水沖擊,提高金屬純度的作用。由于VIDP爐的體積較小,真空檢漏和修復都更加容易,爐內的清理時間也較短,另外利用小型的便于更換的測溫偶即可對爐內溫度進行測量。

    VIDP爐的缺點主要在于:感應圈坩堝緊密安裝與爐體中,當整體翻轉時,漏鋼的保護較差。一旦發生,清理和修復更加困難。由于結構新穎,設備制造復

    2.4、感應水冷坩堝

    水冷坩堝電磁感應真空懸浮熔煉方法是近些年來飛速發展的一種熔煉方法,主要榮來制備高熔點,高純度和極活潑的金屬或非金屬材料。通過將銅坩堝切分成等分的銅瓣結構,并在每一瓣組塊內部均通有水冷,此種結構增強了電磁推力,使金屬熔液向中間擠壓,形成駝峰從而脫離坩堝壁。將金屬置于交變電磁場中,該裝置使能力聚集在坩堝內部的容積空間,進而在爐料表層形成強大的渦流,一方面釋放出焦耳熱使爐料熔化,另一方面形成洛倫茲力使熔體懸浮并產生強烈的攪拌,加入的合金元素可以很快的均勻的混合在熔液內部,使化學成分更加均勻,溫度傳導更加均衡。由于磁懸浮的作用,熔體與坩堝內壁脫離接觸,避免了坩堝對熔體的污染,同時,降低了熱量的傳導,增強熱輻射作用,使得金屬熔液散熱降低,從而達到較高的溫度。對于加入的金屬爐料,可以按照要求的時間和設定的溫度進行熔化和保溫,爐料不需要預先的加工。水冷坩堝熔煉在排除金屬夾雜物和脫氣精煉程度上可以達到電子束的熔煉水平,而蒸發的損失則更小,同時能耗更低,生產效率提高。由于感應加熱的非接觸加熱特點,對熔體的沖擊更小,對于制備更高純度或極活潑的金屬具有很好的作用。由于設備結構復雜,實現磁懸浮熔煉對于大容量的設備仍然較為困難,現階段并沒有出現較大容量的水冷銅坩堝熔煉設備,目前的水冷坩過設備只應用于小容積的金屬熔煉的試驗研究。

    3、感應熔煉設備未來發展趨勢

    隨著真空感應加熱技術的發展,為實現不同功能,爐型的也在不斷變化中。從簡單的熔煉或加熱結構逐漸發展為現在可實現不同功能的更加利于生產的復雜結構。而對于未來更加復雜的工藝過程,如何實現精確的過程控制,測量和提取相關信息,并盡可能的降低人工成本是感應熔煉設備的發展方向。

    真空感應熔煉設備中使用的絕緣軟管,目前以gates(蓋茨)的CARBON FREE系列為主,占有全國70%以上的占比。

     

    3.1、模塊化

    在一套完整的設備中,對于不同的使用要求,配備有不同的組件。每部分組件各司其職,達到各自的使用目。對于某些確定的爐型,加入某些模塊使設備更加完善,例如配備完整的測溫系統有助于觀測爐內物料隨溫度的變化,對溫度實現更加合理的控制;配備質譜儀檢測材料成分和工藝的進展階段,調整加入合金元素的時間及順序,改善合金性能;配備電子槍離子槍等以解決部分難熔金屬的起熔問題等等。未來的感應冶金設備中,通過不同模塊的不同組合以實現不同的功能,滿足不同的工藝需求成為了發展的必然趨勢,也是不同領域的相互結合與借鑒。為達到完善金屬的冶煉工藝,得到性能更優的材料的目的,模塊化的設備將具有更強的市場競爭力。

    3.2、智能控制

    與傳統冶煉相比,真空感應設備在實現過程控制的方面已經具有較大優勢。由于計算機技術的發展,設備中通過人機界面友好的操作,智能的信號采集與合理的程序設定,可以方便的達到控制冶煉過程的目的,降低人工成本,操作更加簡單方便。

    未來的發展中,更加智能的控制系統將加入到真空設備中來。對于已經制定好的工藝,人們通過智能控制系統,精確的控制冶煉溫度,在特定的時間加入合金材料,完成熔煉,保溫,澆注一系列動作,將變得更加容易。而這一切將全程由計算機控制并記錄下來,減少人為的失誤帶來不必要的損失。對于重復性較高的冶煉過程,實現更加方便的智能的現代化控制。

    3.3、信息化

    感應熔煉設備在整個冶煉過程中會產生大量的冶煉信息,感應加熱電源的實時參數變化,爐料,坩堝的溫度場,感應圈產生的電磁場,金屬熔體的物理性質等等。目前設備只實現了簡單的數據采集,而分析過程則在熔煉完成對數據提取之后進行。未來的信息化發展,數據的采集處理,分析過程必將與冶煉過程稍微滯后實現幾乎同步。針對冶金設備設備內部熔煉的材料進行完整的數據采集,通過計算機對數據的處理,實時的顯示當前情況下的設備內部溫度場,電磁場,并將信號傳遞出來,通過不同數據的實時反饋,方便人們對熔煉過程的實時觀測與調整,加強了人的干預和控制。在熔煉過程中,通過及時的調整,完善工藝,提高合金性能。

    4、結束語

    隨著工業的進步,真空感應熔煉技術以其獨有的優勢,近幾十年得到了巨大的發展,并在工業領域中發揮著重要的作用。目前來看,我國的真空感應熔煉技術雖然與國外相比,仍處在落后的局面,但仍然需要相關從業人員的不懈努力,提高我國特種冶煉設備的市場競爭力,盡力早日走在世界一流的前列。

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