什么是真空感应熔炼？

真空熔炼是在真空环境下进行的金属和合金熔炼技术。

这项技术可以防止稀有金属受到大气和耐火材料的污染，并具有提纯和净化功能。通过真空熔炼，可以获得气体含量低、夹杂物少、偏析小的优质金属和合金。该方法对于获得高纯度、高质量的金属材料至关重要，尤其适用于熔炼难度高、需要超高纯度的合金或金属。真空熔炼方法包括电子束熔炼、真空感应熔炼、真空电弧炉熔炼和等离子炉熔炼。例如，电子束熔炼利用高能电子束轰击熔融材料，将其迅速转化为热能并熔化。该方法适用于熔炼难度高、纯度超高的合金或金属。

此外，真空熔炼还有助于提高金属材料的韧性、疲劳强度、耐腐蚀性、高温蠕变性能和磁导率。

真空感应炉熔炼是利用电磁感应在真空条件下于金属导体中产生涡流来加热炉内物料的工艺。它具有熔炼室体积小、抽真空时间和熔炼周期短、温度和压力控制方便、挥发性元素可回收利用、合金成分控制精确等特点。由于上述优点，它已发展成为特种钢、精密合金、电加热合金、高温合金、耐腐蚀合金等特种合金生产的重要设备。

1. 什么是真空？

在密闭容器中，由于气体分子数量减少，单位面积上的气体分子压力也随之降低。此时，容器内的压力低于正常压力。这种低于正常压力的气体空间称为真空。

2. 真空感应炉的工作原理是什么？

主要方法是利用电磁感应在金属工件本身产生电流，然后依靠金属工件自身的电阻，根据焦耳-楞次定律将电能转化为热能，用于熔化金属。

3. 真空感应炉中是如何形成电磁搅拌的？

坩埚内的熔融金属在感应线圈产生的磁场中产生电场力。由于趋肤效应，熔融金属产生的涡流方向与流经感应线圈的电流方向相反，从而产生相互排斥；作用在熔融金属上的排斥力始终指向坩埚轴线，熔融金属也被推向坩埚中心；由于感应线圈是两端作用力较弱的短线圈，其两端的电场力较小，上下两端的电场力较小，中间的电场力较大。在这种力的作用下，金属液体先从坩埚中心向轴线方向运动，然后上下流动向中心。这种现象不断循环，形成金属液体的剧烈运动。在实际冶炼过程中，可以消除坩埚中心金属液体向上凸起、上下翻转的现象，这种现象称为电磁搅拌。

4. 电磁搅拌的作用是什么？

① 搅拌可以加速熔炼过程中的物理化学反应速率；② 使熔融金属的成分更加均匀；③ 使坩埚内熔融金属的温度趋于一致，从而使熔化过程中的反应完全完成；④ 搅拌克服了自身静压的影响，将坩埚深处的溶解气泡翻转到液面，有利于气体排出，降低合金中的气体夹杂物含量。剧烈搅拌会加剧熔融金属对坩埚的机械侵蚀，影响坩埚的使用寿命；⑥ 高温下加速坩埚内耐火材料的分解，导致熔融合金再次受到污染。

5. 什么是真空度？

真空度表示气体在低于一个大气压（通常用压力表示）时的稀薄程度。

6. 泄漏率是多少？

泄漏率是指真空设备关闭后单位时间内压力增加的量。

7. 对皮肤有什么影响？

趋肤效应是指交流电通过导体（例如冶炼炉中的炉料）时，导体横截面上电流分布不均匀的现象。导体表面电流密度越高，中心电流密度越低。

8. 什么是电磁感应？

交流电通过导线时，会在导线周围产生交变磁场；同样，将闭合导线置于变化的磁场中，导线内部也会产生交变电流。这种现象称为电磁感应。

10. 真空感应炉冶炼有哪些优点？

① 无空气和炉渣污染，冶炼出的合金纯净，性能优良；

② 真空冶炼创造了良好的脱气条件，使得熔融钢和合金中的气体含量较低；

③ 在真空条件下，金属不易氧化；

④ 原料中带入的杂质（铅、铋等）可在真空状态下蒸发，从而实现材料提纯；

⑤ 在真空感应炉冶炼过程中，可采用碳脱氧法，脱氧产物为气体，从而获得高合金纯度；

⑥ 能精确调节和控制化学成分；

⑦ 退回的材料可以再次利用。

11. 真空感应炉冶炼的缺点是什么？

① 该设备复杂、昂贵，需要大量投资；

② 维护不便、冶炼成本高、成本相对较高；

③ 冶炼过程中坩埚内耐火材料造成的金属污染；

④ 生产批量小，检验工作量大。

12. 真空泵的主要基本参数和含义是什么？

① 极限真空度：真空泵入口密封后，经过长时间排空所能获得的最小稳定压力值（即最高稳定真空度）称为该泵的最大真空度。

② 抽气速率：真空泵在单位时间内抽出的气体体积称为真空泵的抽气速率。

③ 最大出口压力：真空泵正常运行期间，气体从排气口排出时的最大压力值。

④ 预压：为确保安全运行，真空泵排气口需要保持的最大压力值。

13. 如何选择合理的真空泵系统？

① 真空泵的抽气速率与真空泵的一定入口压力相对应；

② 机械泵、罗茨泵和油增压泵不能直接向大气排放废气，必须依靠前级泵建立和维持规定的预压才能正常运行。

14. 为什么需要在电路中添加电容器？

由于感应线圈与金属炉料之间的距离较大，磁漏非常严重，有效磁通量很低，无功功率很高。因此，在容性电路中，电流超前于电压。为了抵消电感的影响并提高功率因数，需要在电路中并联适当数量的电容和电感，使电容和电感并联谐振，从而提高感应线圈的功率因数。

15. 真空感应炉的主要设备有多少个部件？

熔化室、浇注室、真空系统、电源系统。

16. 冶炼过程中真空系统的维护措施有哪些？

①真空泵的油质和油位正常；

② 过滤网正常反转；

③ 各隔离阀的密封性正常。

17. 冶炼过程中供电系统的维护措施有哪些？

① 电容器冷却水温度正常；

② 变压器油温度正常；

③ 电缆冷却水温度正常。

18. 真空感应炉熔炼对坩埚有什么要求？

① 具有较高的热稳定性，可避免因快速冷却和加热而产生裂纹；

② 具有较高的化学稳定性，可防止坩埚被耐火材料污染；

③ 具有足够的耐火性和高温结构强度，能够承受高温和炉料冲击；

④ 坩埚应具有高密度和光滑的工作表面，以减少坩埚与金属液体的接触面积，并减少金属残留物粘附在坩埚表面的程度。

⑤ 具有良好的绝缘性能；

⑥ 烧结过程中体积收缩较小；

⑦ 挥发性低，抗水合作用性能好；

⑧ 坩埚材料有少量气体释放。

坩埚的材料资源丰富且价格低廉。

19. 如何提高坩埚的高温性能？

① 降低MgO砂中CaO的含量和CaO/SiO2的比例，以减少液相的量，并提高液相产生的温度。

② 提高晶粒稳定性。

③ 为了在烧结层中获得良好的再结晶状态，降低孔隙率，减小晶界宽度，形成马赛克结构，形成固相与固相的直接结合，从而减少液相的有害影响。

20. 如何选择合适的坩埚几何尺寸？

①坩埚壁厚一般为坩埚直径的1/8至1/10（成型）；

② 钢液占坩埚体积的 75%；

③ R 的角度约为 45°；

④ 炉底厚度一般为炉壁厚度的1.5倍。

21. 用于坩埚打结的常用粘合剂有哪些？

① 有机物：糊精、纸浆废液、有机树脂等；

② 无机物质：硅酸钠、盐水、硼酸、碳酸盐、粘土等。

22. 粘合剂（H3BO3）在坩埚打结中的作用是什么？

硼酸（H3BO3）在正常情况下加热至 300℃ 以下即可去除所有水分，被称为硼酸酐（B2O3）。

① 在低温下，部分MgO和Al2O3可溶解于液态B2O3中形成一系列过渡产物，加速MgO·Al2O3固相扩散并促进重结晶，导致坩埚烧结层在较低温度下形成，从而降低烧结温度。

② 利用硼酸在中温下的熔化和结合作用，可以加厚半烧结层，或者提高二次烧结前坩埚的强度。

③ 在含 CaO 的镁砂中，使用粘结剂可以抑制 2CaO·SiO2 在 850℃ 以下的晶体转变。

23. 坩埚有哪些不同的成型方法？

两种方法。

① 炉外预制：将原料（电熔镁或铝镁尖晶石耐火材料）按一定粒度比例混合，并选用合适的粘合剂，在坩埚模具中通过振动和等静压成型。将坩埚坯体干燥后，置于最高烧成温度≥1700℃×8小时的高温隧道窑中，加工成预制坩埚。

② 直接在炉内捣实；加入适量的固体粘合剂（如硼酸），按合适的粒径比例混合均匀，并用捣实法使填料致密。烧结过程中，通过改变各部分的温度，形成不同的微观结构。

24.坩埚烧结结构形成了多少层？这对坩埚的质量有什么影响？

坩埚的烧结结构分为三层：烧结层、半烧结层和松散层。

烧结层：在炉内烧结过程中，颗粒尺寸发生重结晶。除低温端中等粒径的砂粒外，其余颗粒的原始比例几乎完全消失，呈现出均匀细小的组织结构。晶界非常窄，杂质重新分布在新形成的晶界上。烧结层是位于坩埚壁最内层的坚硬外壳，直接与熔融金属接触并承受各种力，因此该层对坩埚至关重要。

松散层：烧结过程中，绝缘层附近的温度较低，镁砂无法被玻璃相烧结或粘结，保持完全松散的状态。该层位于坩埚的最外层，其作用如下：首先，由于其松散的结构和较差的导热性，减少了从坩埚内壁向外传递的热量，从而降低了热损失，起到隔热作用，提高了坩埚内部的热效率；其次，松散层也起到保护层的作用。由于烧结层已形成壳层并与液态金属直接接触，因此容易开裂。一旦开裂，熔融的液态金属就会从裂缝中渗出，而松散层由于其松散的结构，不易开裂。从内层渗出的金属液体会被松散层阻挡，从而保护传感环；第三，松散层还起到缓冲作用。由于烧结层已形成坚硬的外壳，因此在加热和冷却过程中会发生整体体积膨胀和收缩。而疏松层的疏松结构则对坩埚的体积变化起到缓冲作用。

半烧结层（也称过渡层）：位于烧结层和松散层之间，分为两部分。靠近烧结层的杂质熔化并重新分布或与镁砂颗粒结合。镁砂发生部分重结晶，较大的砂粒显得格外致密；靠近松散层的部分则通过粘结剂完全结合在一起。半烧结层同时起到烧结层和松散层的作用。

25. 如何选择烤箱工艺系统？

① 最高烘箱温度：对于电熔氧化镁坩埚，当绝缘层厚度为5-10mm时，在1800℃烘箱中烧结层厚度仅占坩埚总厚度的13-15%；在2000℃烘箱中烧结时，烧结层厚度占坩埚总厚度的24-27%。考虑到坩埚的高温强度，烘箱温度越高越好，但温度过高则难以控制。当温度高于2000℃时，由于氧化镁的升华或碳还原氧化镁以及氧化镁的剧烈重结晶，会形成蜂窝状结构。因此，最高烘箱温度应控制在2000℃以下。

② 加热速率：加热初期，为有效去除耐火材料中的水分，应进行充分的预热。一般来说，1500℃以下加热速率应较慢；当炉温达到1500℃以上时，电熔镁砂开始烧结。此时应采用大功率快速加热至预期最高炉温。

③ 保温时间：炉温达到最高炉温后，需要在该温度下进行保温。保温时间因炉型和材料而异，例如小型电熔镁坩埚需要15-20分钟，大型和中型电熔镁坩埚需要30-40分钟。

因此，应相应地调整烤箱的加热速率和最高烘焙温度下的烘焙温度。