什麼是真空感應熔煉？

真空熔煉是在真空環境下進行的金屬和合金熔煉技術。

這項技術可以防止稀有金屬受到大氣和耐火材料的污染，並具有純化和淨化功能。透過真空熔煉，可以獲得氣體含量低、夾雜物少、偏析程度小的優質金屬和合金。此方法對於獲得高純度、高品質的金屬材料至關重要，尤其適用於熔煉難度高、需要超高純度的合金或金屬。真空熔煉方法包括電子束熔煉、真空感應熔煉、真空電弧爐熔煉及等離子爐熔煉。例如，電子束熔煉利用高能量電子束轟擊熔融材料，將其迅速轉化為熱能並熔化。此方法適用於熔煉難度高、純度超高的合金或金屬。

此外，真空熔煉還有助於提高金屬材料的韌性、疲勞強度、耐腐蝕性、高溫蠕變性能和磁導率。

真空感應爐熔煉是利用電磁感應在真空條件下於金屬導體中產生渦流來加熱爐內物料的製程。它具有熔煉室體積小、抽真空時間和熔煉週期短、溫度和壓力控制方便、揮發性元素可回收、合金成分控制精確等特性。由於上述優點，它已發展成為特殊鋼、精密合金、電加熱合金、高溫合金、耐腐蝕合金等特殊合金生產的重要設備。

1. 什麼是真空？

在密閉容器中，由於氣體分子數量減少，單位面積上的氣體分子壓力也隨之降低。此時，容器內的壓力低於正常壓力。這種低於正常壓力的氣體空間稱為真空。

2. 真空感應爐的工作原理是什麼？

主要方法是利用電磁感應在金屬零件本身產生電流，然後依靠金屬零件本身的電阻，根據焦耳-楞次定律將電能轉換為熱能，用於熔化金屬。

3. 真空感應爐中是如何形成電磁攪拌的？

坩堝內的熔融金屬在感應線圈產生的磁場中產生電場力。由於趨膚效應，熔融金屬產生的渦流方向與流經感應線圈的電流方向相反，從而產生相互排斥；作用在熔融金屬上的排斥力始終指向坩堝軸線，熔融金屬也被推向坩堝中心；由於感應線圈是兩端作用力較弱的短線圈，其兩端的電場力較量，且中間的電場力較小，且中間的電場力較小。在這種力的作用下，金屬液體先從坩堝中心往軸線方向運動，然後上下流動向中心。這種現像不斷循環，形成金屬液體的劇烈運動。在實際冶煉過程中，可以消除坩堝中心金屬液體向上凸起、上下翻轉的現象，這種現象稱為電磁攪拌。

4. 電磁攪拌的作用是什麼？

① 攪拌可以加速熔煉過程中的物理化學反應速率；② 使熔融金屬的成分更加均勻；③ 使坩堝內熔融金屬的溫度趨於一致，從而使熔化過程中的反應完全完成；④ 攪拌克服了自身靜壓的影響，將坩堝排出雜物深處的汽化物溶解到液面，有利於氣體的影響，將坩堝排放到液面，有利於氣體含量，排出雜物的溫度劇烈攪拌會加劇熔融金屬對坩堝的機械侵蝕，影響坩堝的使用壽命；⑥ 高溫下加速坩堝內耐火材料的分解，導致熔融合金再次受到污染。

5. 什麼是真空度？

真空度表示氣體在低於一個大氣壓（通常用壓力表示）時的稀薄程度。

6. 洩漏率是多少？

洩漏率是指真空設備關閉後單位時間內壓力增加的量。

7. 對皮膚有什麼影響？

趨膚效應是指交流電通過導體（例如冶煉爐中的爐料）時，導體橫斷面上電流分佈不均勻的現象。導體表面電流密度越高，中心電流密度越低。

8. 什麼是電磁感應？

當交流電通過導線時，會在導線周圍產生交變磁場；同樣，將閉合導線置於變化的磁場中，導線內部也會產生交變電流。這種現象稱為電磁感應。

10. 真空感應爐冶煉有哪些優點？

① 無空氣和爐渣污染，冶煉出的合金純淨，性能優良；

② 真空冶煉創造了良好的脫氣條件，使得熔融鋼和合金中的氣體含量較低；

③ 在真空條件下，金屬不易氧化；

④ 原料帶入的雜質（鉛、鉍等）可在真空狀態下蒸發，進而達到材料純化；

⑤ 在真空感應爐冶煉過程中，可採用碳脫氧法，脫氧產物為氣體，從而獲得高合金純度；

⑥ 能精確調節控制化學成分；

⑦ 退回的材料可以再利用。

11. 真空感應爐冶煉的缺點是什麼？

① 該設備複雜、昂貴，需要大量投資；

② 維護不便、冶煉成本高、成本相對較高；

③ 冶煉過程中坩堝內耐火材料造成的金屬污染；

④ 生產批量小，檢驗工作量大。

12. 真空幫浦的主要基本參數和意義是什麼？

① 極限真空度：真空幫浦入口密封後，經過長時間排空所能獲得的最小穩定壓力值（即最高穩定真空度）稱為此幫浦的最大真空度。

② 抽氣速率：真空幫浦在單位時間內抽出的氣體體積稱為真空幫浦的抽氣速率。

③ 最大出口壓力：在真空幫浦正常運作期間，氣體從排氣口排出時的最大壓力值。

④ 預壓：為確保安全運行，真空幫浦排氣口需要保持的最大壓力值。

13. 如何選擇合理的真空幫浦系統？

① 真空幫浦的抽氣速率與真空幫浦的一定入口壓力相對應；

② 機械幫浦、羅茨幫浦和油增壓幫浦不能直接向大氣排放廢氣，必須依靠前級幫浦建立和維持規定的預壓才能正常運作。

14. 為什麼需要在電路中添加電容器？

由於感應線圈與金屬爐料之間的距離較大，磁漏非常嚴重，有效磁通量很低，無功功率很高。因此，在容性電路中，電流超前於電壓。為了抵​​消電感的影響並提高功率因數，需要在電路中並聯適當數量的電容和電感，使電容和電感並聯諧振，從而提高感應線圈的功率因數。

15. 真空感應爐的主要設備有幾個部件？

熔化室、澆注室、真空系統、電源系統。

16. 冶煉過程中真空系統的維護措施有哪些？

①真空幫浦的油質和油位正常；

② 過濾網正常反轉；

③ 各隔離閥的密封性正常。

17. 冶煉過程中供電系統的維修措施有哪些？

① 電容器冷卻水溫度正常；

② 變壓器油溫度正常；

③ 電纜冷卻水溫度正常。

18. 真空感應爐熔煉對坩堝有什麼要求？

① 具有較高的熱穩定性，可避免因快速冷卻和加熱而產生裂縫；

② 具有較高的化學穩定性，可防止坩堝被耐火材料污染；

③ 具有足夠的耐火性和高溫結構強度，能夠承受高溫和爐料衝擊；

④ 坩堝應具有高密度和光滑的工作表面，以減少坩堝與金屬液體的接觸面積，並減少金屬殘留物黏附在坩堝表面的程度。

⑤ 具有良好的絕緣性能；

⑥ 燒結過程中體積收縮較小；

⑦ 揮發性低，抗水合作用性能好；

⑧ 坩堝材料有少量氣體釋放。

坩堝的材料資源豐富且價格低廉。

19. 如何提高坩堝的高溫性能？

① 降低MgO砂中CaO的含量和CaO/SiO2的比例，以減少液相的量，並提高液相產生的溫度。

② 提高晶粒穩定性。

③ 為使燒結層達到良好的再結晶狀態，降低孔隙率，減少晶界寬度，形成馬賽克結構，形成固相與固相的直接結合，從而減少液相的有害影響。

20. 如何選擇合適的坩堝幾何尺寸？

①坩堝壁厚一般為坩堝直徑的1/8至1/10（成型）；

② 鋼液佔坩堝體積的 75%；

③ R 的角度約為 45°；

④ 爐底厚度一般為爐壁厚度的1.5倍。

21. 用於坩堝打結的常用黏合劑有哪些？

① 有機物：糊精、紙漿廢液、有機樹脂等；

② 無機物質：矽酸鈉、生理食鹽水、硼酸、碳酸鹽、黏土等。

22. 黏合劑（H3BO3）在坩堝打結中的作用是什麼？

硼酸（H3BO3）在正常情況下加熱至 300℃ 以下即可去除所有水分，稱為硼酸酐（B2O3）。

① 在低溫下，部分MgO和Al2O3可溶於液態B2O3中形成一系列過渡產物，加速MgO·Al2O3固相擴散，促進重結晶，導致坩堝燒結層在較低溫度下形成，進而降低燒結溫度。

② 利用硼酸在中溫下的熔化和結合作用，可以加厚半燒結層，或提高二次燒結前坩堝的強度。

③ 在含 CaO 的鎂砂中，使用黏結劑可以抑制 2CaO·SiO2 在 850℃ 以下的晶體轉變。

23. 坩堝有哪些不同的成型方法？

兩種方法。

① 爐外預製：將原料（電熔鎂或鋁鎂尖晶石耐火材料）以一定粒度比例混合，並選用適當的黏合劑，在坩堝模具中以振動和等靜壓成型。將坩堝坯體乾燥後，置於最高燒成溫度≥1700℃×8小時的高溫隧道窯中，加工成預製坩堝。

② 直接在爐內搗實；加入適量的固體黏合劑（如硼酸），依適當的粒徑比例混合均勻，並用夯實法使填料緻密。燒結過程中，藉由改變各部分的溫度，形成不同的微觀結構。

24.坩堝燒結結構形成了多少層？這對坩堝的品質有什麼影響？

坩堝的燒結結構分為三層：燒結層、半燒結層、鬆散層。

燒結層：在爐內燒結過程中，顆粒尺寸會發生重結晶。除低溫端中等粒徑的砂粒外，其餘顆粒的原始比例幾乎完全消失，呈現均勻細小的組織結構。晶界非常窄，雜質重新分佈在新形成的晶界上。燒結層是位於坩堝壁最內層的堅硬外殼，直接與熔融金屬接觸並承受各種力，因此該層對坩堝至關重要。

鬆散層：燒結過程中，絕緣層附近的溫度較低，鎂砂無法被玻璃相燒結或黏結，維持完全鬆散的狀態。該層位於坩堝的最外層，其作用如下：首先，由於其鬆散的結構和較差的導熱性，減少了從坩堝內壁向外傳遞的熱量，從而降低了熱損失，起到隔熱作用，提高了坩堝內部的熱效率；其次，鬆散層也起到保護層的作用。由於燒結層已形成殼層並與液態金屬直接接觸，因此容易破裂。一旦開裂，熔融的液態金屬就會從裂縫中滲出，而鬆散層由於其鬆散的結構，不易開裂。從內層滲出的金屬液體會被鬆散層阻擋，從而保護感測環；第三，鬆散層還起到緩衝作用。由於燒結層已形成堅硬的外殼，因此在加熱和冷卻過程中會發生整體體積膨脹和收縮。而疏鬆層的疏鬆結構則對坩堝的體積變化起到緩衝作用。

半燒結層（也稱為過渡層）：位於燒結層和鬆散層之間，分為兩部分。靠近燒結層的雜質熔化並重新分佈或與鎂砂顆粒結合。鎂砂發生部分重結晶，較大的砂粒顯得格外緻密；靠近鬆散層的部分則透過黏結劑完全結合在一起。半燒結層同時起到燒結層和鬆散層的作用。

25. 如何選擇烤箱製程系統？

① 最高烘箱溫度：電熔氧化鎂坩堝，當絕緣層厚度為5-10mm時，在1800℃烘箱中燒結層厚度僅佔坩堝總厚度的13-15%；在2000℃烘箱中燒結時，燒結層厚度佔坩堝總厚度的24-27%。考慮到坩堝的高溫強度，烘箱溫度越高越好，但溫度過高則難以控制。當溫度高於2000℃時，由於氧化鎂的昇華或碳還原氧化鎂以及氧化鎂的劇烈重結晶，會形成蜂巢狀結構。因此，最高烘箱溫度應控制在2000℃以下。

② 加熱速率：加熱初期，為有效去除耐火材料中的水分，應進行充分的預熱。一般來說，1500℃以下加熱速率應較慢；當爐溫達到1500℃以上時，電熔鎂砂開始燒結。此時應採用高功率快速加熱至預期最高爐溫。

③ 保溫時間：爐溫達到最高爐溫後，需在該溫度下保溫。保溫時間因爐型和材料而異，例如小型電熔鎂坩堝需要15-20分鐘，大型和中型電熔鎂坩堝需要30-40分鐘。

因此，應相應地調整烤箱的加熱速率和最高烘焙溫度下的烘焙溫度。