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真空感應(yīng)熔煉爐介紹
2024-07-18
真空感應(yīng)熔煉設(shè)備
真空感應(yīng)熔煉設(shè)備是利用感應(yīng)熔煉技術(shù)在實(shí)際使用中通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的搭配來實(shí)現(xiàn)原理的。該設(shè)備通常利用電磁感應(yīng)的原理，將感應(yīng)線圈和物料放入一個(gè)密閉的腔體中，并通過真空抽氣系統(tǒng)抽出容器內(nèi)的氣體，然后利用電源使電流通過感應(yīng)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢并在物料內(nèi)部形成渦流，當(dāng)發(fā)熱量達(dá)到一定程度時(shí)，物料開始熔化。熔化過程中通過設(shè)備上的其他配套部件實(shí)現(xiàn)功率控制、溫度測量、真空測量、補(bǔ)充加料等一系列操作，最后通過坩堝翻轉(zhuǎn)將液態(tài)金屬澆入鑄模內(nèi)形成金屬錠進(jìn)行熔煉。真空感應(yīng)熔煉設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)包括以下幾部分：
真空熔煉爐除上述部件外，還應(yīng)配備電源、控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，為設(shè)備熔煉材料提供能量輸入，并在關(guān)鍵部位提供一定的冷卻，防止系統(tǒng)過熱而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)壽命降低或損壞。對于有特定工藝要求的感應(yīng)熔煉設(shè)備，還有相關(guān)的輔助部件，如傳送小車、爐門啟閉、離心澆鑄盤、觀察窗等。對于雜質(zhì)較多的設(shè)備，還應(yīng)配備氣體過濾系統(tǒng)等?？梢?，一套完整的感應(yīng)熔煉設(shè)備除了必備的部件外，還可以根據(jù)特定的工藝要求，通過添加其他部件來實(shí)現(xiàn)不同的功能，并為金屬制備提供便利的條件和實(shí)施方法。
2.1.真空感應(yīng)熔煉爐
真空感應(yīng)熔煉爐是在真空條件下，先用感應(yīng)加熱熔化金屬，然后將液態(tài)金屬澆注到鑄型中，得到金屬錠的熔煉設(shè)備。真空感應(yīng)爐的發(fā)展始于1920年左右，主要用于冶煉鎳鉻合金。直到第二次世界大戰(zhàn)促進(jìn)了真空技術(shù)的進(jìn)步，真空感應(yīng)熔煉爐才真正得到發(fā)展。在此期間，由于合金材料的需求，真空感應(yīng)熔煉爐不斷向大型化發(fā)展，由最初的幾噸發(fā)展到幾十噸的超大型感應(yīng)爐。為了適應(yīng)大批量生產(chǎn)，除了設(shè)備容量的變化外，感應(yīng)爐的結(jié)構(gòu)也由以周期為單位的周期爐發(fā)展為裝料、鑄型準(zhǔn)備、熔煉、澆注等作業(yè)連續(xù)或半連續(xù)的真空感應(yīng)熔煉。不停爐連續(xù)作業(yè)，節(jié)省了裝料時(shí)間和等待錠冷卻的時(shí)間，連續(xù)生產(chǎn)提高了效率，也增加了合金產(chǎn)量。更好地滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。與國外相比，我國早期的真空感應(yīng)爐容量相對較小，主要在2噸以下，大型冶煉爐仍依賴從國外進(jìn)口，隨著近幾十年的發(fā)展，我國也能自行研制大型真空感應(yīng)冶煉爐，最高冶煉達(dá)十余噸。VIM真空感應(yīng)熔煉爐發(fā)展較早，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，維護(hù)費(fèi)用低，在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。
真空感應(yīng)熔煉爐的基本形式。通過可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺(tái)將金屬材料加入熔煉坩堝中。另一側(cè)對準(zhǔn)坩堝，通過將熱電偶向下插入熔融金屬中實(shí)現(xiàn)溫度測量。熔煉后的金屬由翻動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，倒入成型模具中，實(shí)現(xiàn)金屬的熔煉。整個(gè)過程操作簡單方便，每次熔煉只需一至兩名工人即可完成。在熔煉過程中，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控和材料成分調(diào)整，最終的金屬材料更符合工藝要求。
2.2.真空感應(yīng)膜煤氣爐
對于某些材料，工藝上可以不要求在真空室內(nèi)完成澆注，只需在真空環(huán)境下保溫、脫氣即可。在VIM爐的基礎(chǔ)上，逐漸發(fā)展出VID脫氣爐的真空感應(yīng)膜氣爐。
真空感應(yīng)脫氣爐的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，爐體體積小。較小的體積更有利于快速抽氣和獲得較好的真空度。與常規(guī)脫氣爐相比，該設(shè)備體積相對較小，溫度損失小，靈活性和經(jīng)濟(jì)性更好，適合液體或固體加料。VID爐可用于特殊鋼、有色金屬的冶煉脫氣，需要在大氣環(huán)境或保護(hù)氣氛條件下澆注到鑄型中。整個(gè)冶煉過程可實(shí)現(xiàn)材料的脫碳精煉、脫氫、脫氧、脫硫等雜質(zhì)去除，有利于精確調(diào)整化學(xué)成分以滿足工藝要求。
在一定的真空條件或保護(hù)氣氛下，通過感應(yīng)脫氣爐的加熱使金屬材料逐漸熔化，在此過程中可以除去內(nèi)部的氣體。如果在工藝過程中加入適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)氣體，就會(huì)與金屬內(nèi)部的碳元素結(jié)合生成氣態(tài)碳化物排出爐外，達(dá)到脫碳精煉的目的。在澆注過程中，需要通入一定的保護(hù)氣氛，保證已脫氣的金屬材料與大氣中的氣體隔絕，最終完成金屬材料的脫氣精煉。
2.3.真空感應(yīng)脫氣澆注爐
真空感應(yīng)脫氣澆注爐是在前兩種冶煉技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，1988年德國ALD公司的前身Leybold-Heraeus公司制造了第一臺(tái)VIDP爐。該爐型的技術(shù)核心是集成感應(yīng)線圈坩堝于一體的緊湊型真空熔煉室，僅比感應(yīng)線圈稍大，只包含感應(yīng)線圈和坩堝。電纜、水冷管線及液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)均設(shè)置在熔煉室外面。其優(yōu)點(diǎn)是可以保護(hù)電纜、水冷管線不受鋼水噴濺和溫度、壓力周期性變化造成的損壞。由于拆卸方便，便于更換坩堝，VIDP爐殼設(shè)有三個(gè)爐體。一次配制坩堝爐襯，縮短了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率。
爐蓋通過真空密封支撐在爐架和兩根液壓缸立柱上。軸承s.澆注時(shí)，兩臺(tái)液壓缸在側(cè)面頂住爐蓋，爐蓋帶動(dòng)熔化室左右翻轉(zhuǎn)，使真空軸承。在傾斜澆注狀態(tài)下，熔煉室與感應(yīng)圈坩堝之間無相對運(yùn)動(dòng)。澆道是VIDP爐的重要組成部分，由于VIDP爐的設(shè)計(jì)將熔煉室與錠室隔離，鋼水必須通過真空澆道進(jìn)入錠室。錠室為方形斜邊開啟和關(guān)閉結(jié)構(gòu)，由兩部分組成，固定部分緊鄰澆道室，活動(dòng)部分沿地面軌道水平移動(dòng)，完成錠室的開啟和關(guān)閉。有些設(shè)備將活動(dòng)部分設(shè)計(jì)成30度，左右向上開啟，便于裝卸錠模及起重機(jī)的日常維護(hù)和維修。冶煉開始時(shí)，爐體由下方的液壓機(jī)構(gòu)抬起，與爐子上部結(jié)構(gòu)爐蓋聯(lián)結(jié)，并用特殊機(jī)構(gòu)鎖緊，爐蓋上端通過真空與進(jìn)料室連接。閥門。
由于只有熔煉部分封閉在真空室內(nèi)，通過導(dǎo)流槽倒出，爐子結(jié)構(gòu)緊湊，熔煉室較小，真空控制更好更快。與傳統(tǒng)感應(yīng)熔煉爐相比，具有抽真空時(shí)間短、漏氣率低的特點(diǎn)。通過配備PLC邏輯控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)理想的壓力控制。同時(shí)，電磁攪拌系統(tǒng)可以穩(wěn)定地?cái)嚢枞鄢?，添加的元素將均勻地從上到下溶解在熔池中，保持溫度接近恒定。澆注時(shí)，澆道由外部加熱系統(tǒng)加熱，減少澆口的初始澆注堵塞和澆道熱裂。通過增加過濾擋板等措施，可以緩解鋼水沖擊，提高金屬純度。由于VIDP爐體積小，真空泄漏檢測和修復(fù)更容易，爐內(nèi)清理時(shí)間更短。此外，還可以利用小型、易于更換的熱電偶來測量爐內(nèi)溫度。
2.4、感應(yīng)水冷坩堝
水冷坩堝電磁感應(yīng)真空懸浮冶煉方法是近年來發(fā)展較快的一種冶煉方法，主要用于制備高熔點(diǎn)、高純度、活性極大的金屬或非金屬材料。通過將銅坩堝切成相等的銅花瓣結(jié)構(gòu)，并在每個(gè)花瓣塊中通入水冷，這種結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了電磁推力，使熔融金屬在中部受到擠壓，形成駝峰而脫離坩堝壁。金屬置于交變電磁場中，該裝置將容量集中在坩堝內(nèi)部的體積空間中，然后在爐料表面形成強(qiáng)大的渦流，一方面釋放焦耳熱使?fàn)t料熔化，另一方面形成洛倫茲力使熔體懸浮并產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌。加入的合金元素能迅速均勻地混合在熔體中，使其化學(xué)成分更加均勻，溫度傳導(dǎo)更加均衡。由于磁懸浮作用，熔體與坩堝內(nèi)壁脫離接觸，避免了坩堝對熔體污染，同時(shí)減少了熱傳導(dǎo)，增強(qiáng)了熱輻射，使熔體金屬散熱減少，達(dá)到較高的溫度。對于加入的金屬爐料，可按要求的時(shí)間和設(shè)定的溫度進(jìn)行熔化和保溫，爐料無須事先處理。水冷坩堝熔煉在去除金屬夾雜、脫氣精煉方面可達(dá)到電子束熔煉的水平，而蒸發(fā)損失更小，能耗更低，提高了生產(chǎn)效率。由于感應(yīng)加熱的非接觸加熱特點(diǎn)，對熔體的影響較小，對制備純度較高或活性極高的金屬有良好的效果。由于設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對于大容量設(shè)備實(shí)現(xiàn)磁懸浮熔煉尚有困難。現(xiàn)階段尚無大容量的水冷銅坩堝冶煉設(shè)備，目前的水冷坩堝設(shè)備僅用于小容量金屬冶煉的實(shí)驗(yàn)研究。
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