真空感應(yīng)熔煉爐工藝特點(diǎn)及其技術(shù)進(jìn)展

岳江波

（武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司研究院，武漢430080）

行業(yè)縱橫

真空感應(yīng)熔煉爐工藝特點(diǎn)及其技術(shù)進(jìn)展

岳江波

（武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司研究院，武漢430080）

綜述了真空感應(yīng)爐的發(fā)展歷程、結(jié)構(gòu)組成，分析了真空感應(yīng)爐熔煉工藝特點(diǎn)和目前存在的問題。

真空感應(yīng)爐熔煉潔凈鋼VIDP

真空感應(yīng)爐是在普通感應(yīng)爐的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，真空感應(yīng)爐按用途分類有：真空感應(yīng)爐熔煉爐、真空燒結(jié)爐、真空感應(yīng)釬焊爐、真空透熱爐等多種真空感應(yīng)設(shè)備[1]。真空感應(yīng)熔煉爐是在真空條件下，利用交變電流作用到感應(yīng)線圈產(chǎn)生交變磁場，交變磁場在爐料上感應(yīng)出交變的電流—“渦流”，爐料靠“渦流”加熱并熔化，從而使金屬熔化。真空冶煉成套設(shè)備和其他類型電爐相比較，優(yōu)點(diǎn)主要是加熱速度快，設(shè)備生產(chǎn)率高，氧化損失少，電磁攪拌強(qiáng)，良好的脫氣以及合金成分均勻化。目前真空感應(yīng)爐熔煉爐是生產(chǎn)鎳基高溫合金、鈦合金、不銹鋼、超高強(qiáng)度鋼等特種合金材料的重要冶煉設(shè)備，通常所用的真空感應(yīng)熔煉爐簡稱為真空感應(yīng)爐。

1 真空感應(yīng)爐的發(fā)展

真空感應(yīng)爐最早起于1920年，用于熔煉鎳鉻合金，德國于1926年安裝了2臺(tái)4 t爐子投入到工業(yè)應(yīng)用，直到第二次世界大戰(zhàn)，由于真空技術(shù)的進(jìn)步使真空感應(yīng)爐熔煉才開始真正發(fā)展起來，期間歐美、日本等國家已達(dá)到了實(shí)用化程度。戰(zhàn)后各國經(jīng)過經(jīng)濟(jì)恢復(fù)，特別是在20世紀(jì)50年代以后，在航空、軍工工業(yè)的推動(dòng)下，要求大量的高強(qiáng)度耐高溫合金，真空感應(yīng)爐得到了較快的發(fā)展。到60年代，已有大至15 t的龐大的真空感應(yīng)爐安裝在美國。至20世紀(jì)70年代，前蘇聯(lián)1976年安裝的真空感應(yīng)爐容量已達(dá)30 t[2]，功率6 000 kW，頻率60 Hz，到20世紀(jì)末，美國真空感應(yīng)爐容量已有60 t容量真空感應(yīng)爐[3]，但相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道較少。

我國的真空感應(yīng)爐自20世紀(jì)60年代起開始研制，1962年由錦州新生電器公司成功試制了第一臺(tái)10 kg真空感應(yīng)爐，該公司以后又陸續(xù)試制和生產(chǎn)了25 kg、50 kg、200 kg真空感應(yīng)爐。改革開放后，我國真空感應(yīng)爐制造業(yè)獲得了迅速發(fā)展，已經(jīng)形成以遼寧省錦州和沈陽為中心的設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造基地，集中了多家有一定規(guī)模的設(shè)備制造企業(yè)，已經(jīng)生產(chǎn)了從幾千克至2 t各式真空感應(yīng)爐。但是普遍存在爐容規(guī)模都比較小，受限于真空感應(yīng)爐電源系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)，國產(chǎn)爐最大熔煉量為2 t，2 t以上的大型感應(yīng)爐主要從德國、美國、日本進(jìn)口。價(jià)格昂貴真空感應(yīng)爐直接影響了我國冶金行業(yè)高質(zhì)量產(chǎn)品生產(chǎn)進(jìn)程，目前，我國冶煉、鑄造、熱加工等行業(yè)對(duì)使用可靠穩(wěn)定的大功率中頻電源和大噸位熔煉爐、感應(yīng)加熱爐的需求急速上升，開發(fā)大功率、大噸位真空感應(yīng)爐迫在眉睫。數(shù)據(jù)顯示，2000年以前，全球10 t以上真空感應(yīng)爐有12個(gè)，中國尚無一個(gè)[4]。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著各種新材料的興起，真空感應(yīng)爐冶煉技術(shù)迅速發(fā)展，目前國內(nèi)最大噸位真空感應(yīng)爐為2016年撫順特鋼從德國ALD公司引進(jìn)的20 t真空感應(yīng)爐。國內(nèi)大型真空感應(yīng)爐分布見表1。

2 真空感應(yīng)爐的結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的真空感應(yīng)爐主要由爐體、變頻電源、電控系統(tǒng)、真空獲得設(shè)備、真空閥門、真空儀表、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成。爐體包括熔煉室、模室、主加料室、合金料室四大部分（見圖1），爐體內(nèi)部安裝感應(yīng)線圈、水冷電纜、漏鋼預(yù)報(bào)、傾動(dòng)油缸等，配套澆鑄系統(tǒng)有中間包/中包溜槽、模車等。較先進(jìn)的熔煉爐還配有電子稱傳感裝置、為各種工藝需求設(shè)計(jì)的底吹氬、氮，頂吹氧、氮等。熔煉室，用于合金熔煉，合金料室用于儲(chǔ)放合金，在真空系統(tǒng)下，實(shí)現(xiàn)保護(hù)熔煉和合金化作業(yè)，同時(shí)與主加料室配合可以實(shí)現(xiàn)二次補(bǔ)料、取樣分析，在線測溫定氧等。

表1 國內(nèi)大型真空感應(yīng)爐分布

圖1 傳統(tǒng)的真空感應(yīng)爐

冶煉電源，早期感應(yīng)爐電源都是電動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)變頻機(jī)組。到了1967年，西德Leybold公司為美國Howment公司生產(chǎn)的544 kg的爐子中，使用了可控硅變頻電源，功率1 000 kW，頻率180Hz。此后三年間，變頻發(fā)電機(jī)組和靜止變頻器共存，交替過渡。到1970年，所有真空感應(yīng)爐都配置可控硅靜止變頻電源。經(jīng)過近30多年的發(fā)展，可控硅靜止變頻電源技術(shù)已經(jīng)非常成熟。在冶煉電源方面，國外發(fā)展較快，可控硅變頻使用的晶閘管變頻電源的功率已達(dá)10MW，頻率150~500Hz。爐子的功率越大，電源的頻率越低。15 t以上的爐子大都采用工頻或三倍頻，在諧振回路方面并聯(lián)、串聯(lián)諧振都在使用。由于晶閘管元件的發(fā)展，國外已生成出承受很大電流的元件。國產(chǎn)電源的可靠性、穩(wěn)定性尚需提高，尤其是晶閘管元件的可靠性要提高。

液壓系統(tǒng)用于傾動(dòng)坩堝傾動(dòng)（出鋼、傾動(dòng)用于順利化鋼），加料，取樣，測溫，模車驅(qū)動(dòng)，爐蓋升降等操作，小型真空感應(yīng)爐也有采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制坩堝傾動(dòng)。氣動(dòng)機(jī)構(gòu)主要用于真空閥門的控制。

真空感應(yīng)爐根據(jù)用途可分為鑄造用真空感應(yīng)爐、澆注鋼錠用真空感應(yīng)爐、精煉鋼液用真空感應(yīng)爐[5]。鑄造用真空感應(yīng)爐采用初煉母合金在真空下重熔，并澆注成鑄件，這種爐子熔化速度快、真空度高，通常容量在50 kg以下，主要用于鑄造高溫合金部件，如燃?xì)廨啓C(jī)葉片和航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片等。澆注鋼錠用真空感應(yīng)爐利用原材料直接熔化精煉合金，并澆注成鋼錠或供二次精煉用或重熔用的自耗電極鋼錠與母合金棒料，是目前真空感應(yīng)爐的主導(dǎo)爐型，爐子容量從10 kg到幾十噸。精煉用真空感應(yīng)爐將熔化任務(wù)分離給非真空爐（如電弧爐或中頻感應(yīng)爐）完成，把初煉鋼液轉(zhuǎn)注到真空感應(yīng)爐內(nèi)，繼續(xù)進(jìn)行合金化、精煉和澆注等工序，這類真空感應(yīng)爐的熔量大多在20 t以上。

3 真空感應(yīng)爐熔煉工藝特點(diǎn)

鑒于真空感應(yīng)爐在特種金屬材料生產(chǎn)過程中的重要地位，有必要對(duì)真空感應(yīng)爐進(jìn)行工藝分析。真空感應(yīng)爐熔煉是在真空負(fù)壓下進(jìn)行加熱、熔化、精煉、合金化和澆注的冶煉方法。由于全部冶金過程是在與大氣隔離的條件下進(jìn)行，有效避免了大氣對(duì)液態(tài)金屬的污染，同時(shí)在真空下精煉顯著提高了金屬純凈度，提高了合金收得率，實(shí)現(xiàn)合金元素精確控制。真空感應(yīng)爐與其他冶煉方法對(duì)比，有四個(gè)典型優(yōu)點(diǎn)：流程短工藝高度集中、化學(xué)成分精確控制、產(chǎn)品鋼具有較高純凈度、冶煉工藝的可調(diào)性強(qiáng)。王振東對(duì)高溫合金Udimet700 123爐數(shù)據(jù)分析得出，元素w[Al]、w[Ti]的波動(dòng)范圍小于±0.1%，w[B]小于±0.003%，w[C]小于0.01%，這種精確控制是其他冶煉方法難以實(shí)現(xiàn)的。

1）真空感應(yīng)爐流程短工藝高度集中。鋼鐵行業(yè)把鋼鐵生產(chǎn)的燒結(jié)—高爐—轉(zhuǎn)爐—精煉—連鑄作為長流程鋼鐵生產(chǎn)工藝，把電爐—精煉—連鑄作為短流程鋼鐵生產(chǎn)工藝，那么作為真空感應(yīng)爐配套鑄造、鑄軋或霧化粉末，其熔化—精煉—合金化—鑄造全部或大部分在真空室內(nèi)完成的真空感應(yīng)爐就是目前超短流程鋼鐵材料生產(chǎn)工藝設(shè)備。除了精煉鋼液的極少數(shù)真空感應(yīng)爐，真空感應(yīng)爐從固態(tài)原料或廢鋼熔化開始，經(jīng)過熔化期、精煉期、合金化期、澆注四個(gè)階段全部在真空室內(nèi)完成，工藝過程高度緊湊集中，生產(chǎn)周期是現(xiàn)代短流程的1/2以上。因此是未來重點(diǎn)發(fā)展的新材料生產(chǎn)方向。21世紀(jì)初真空感應(yīng)爐在納米非晶甩帶和粉末真空霧化冶金已經(jīng)具有成熟的工業(yè)應(yīng)用，在薄帶鑄軋領(lǐng)域也已經(jīng)有成熟的工業(yè)試制。目前，真空感應(yīng)爐作為在新材料小批量試制用試驗(yàn)爐、特殊鋼和合金材料生產(chǎn)用爐應(yīng)用較廣、潛力大，多數(shù)高校和研究所也配備有小型實(shí)驗(yàn)用真空感應(yīng)爐用于產(chǎn)品研發(fā)。

2）化學(xué)成分精準(zhǔn)控制。在材料潔凈度上，真空感應(yīng)爐冶煉的金屬材料中氣體、非金屬夾雜物和雜質(zhì)危害元素含量遠(yuǎn)低于其他冶煉方法。真空感應(yīng)爐充分利用真空脫氣和真空下C脫氧能力超強(qiáng)的特點(diǎn)，較易實(shí)現(xiàn)把鋼中w[O]、w[N]控制在0.002 0%以下，w[H]0.003%以下。根據(jù)國外G.H.J.Bennett[6]和鐮倉與石川[7]對(duì)真空感應(yīng)爐不同分壓下熔煉過程碳氧濃度變化數(shù)據(jù)，Pco=0.04Pa和0.01Pa當(dāng)鋼中w（C）為0.01%時(shí)，氧含量分別為0.008%和0.002%；薛正良[8]采用氧化鈣坩堝真空感應(yīng)熔煉高強(qiáng)度螺栓鋼42CrMo，將鋼中w（TO）降低到（5~6）×10-6。真空感應(yīng)爐對(duì)于超潔凈鋼的冶煉技術(shù)更是廣泛應(yīng)用于真空感應(yīng)爐生產(chǎn)實(shí)踐和試驗(yàn)中，李正邦[9]對(duì)于真空感應(yīng)爐初精煉的超潔凈鋼研究指出，通過中頻初煉真空感應(yīng)爐精煉鋼水潔凈度可達(dá)到w[O]≤0.001%、w[N]≤0.002%、w[S]≤0.001%；日本神戶制鋼的Nishi和Ogawa等[10]用真空感應(yīng)爐熔煉出航空工業(yè)用的250馬氏體時(shí)效鋼時(shí)，將鋼中w（TO）、w（S）和w（N）分別降低到（2~5）×10-6、（2~3）×10-6、和（6~9）×10-6，鋼中夾雜物尺寸最大為6~8μm，主要分布在2~4μm之間。隨著真空感應(yīng)爐在企業(yè)、高校和研究所的應(yīng)用越來越廣，真空感應(yīng)爐生產(chǎn)或研制出的潔凈鋼控制水平越來越高。

3）冶煉工藝的可調(diào)性強(qiáng)。真空感應(yīng)爐對(duì)絕大多數(shù)的高強(qiáng)鋼、不銹鋼、高溫合金、特種金屬材料都具有適用性，原因就在于其工藝的可調(diào)性很強(qiáng)。首先，可以根據(jù)材料的性質(zhì)，制定出不同于其他材料的適用工藝。如真空感應(yīng)爐脫除鋼中氣體元素較好，但不影響真空感應(yīng)爐在冶煉含氮、和高氮鋼中應(yīng)用，只需要掌握合適冶煉工藝[11-14]，就可以冶煉出不同氮含量的含氮鋼和高氮鋼。其次，合金化工藝適用性強(qiáng)，由于其合金燒損很少，可以在熔化期、精煉期去除鋼中大量危害元素N、H、O等，在合金化期可以按照鋼中成分要求精確添加和精細(xì)調(diào)整，因此其冶煉的鋼、合金品種眾多。最后，真空感應(yīng)爐工藝手段豐富，如在線成分微調(diào)、在線測溫、定氧有效保證鋼中成分隨時(shí)可控，電磁攪拌、頂吹、底吹功能不但可以均勻鋼中成分，控制熔煉氣氛，還可以對(duì)原材料進(jìn)行吹氧降碳，擴(kuò)大真空感應(yīng)爐原料范圍，多腔體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也利于連續(xù)作業(yè)，豐富的鑄造和凝固形式造就了產(chǎn)品類型多樣化，不局限于傳統(tǒng)鋼錠，這些都保證了真空感應(yīng)爐在材料快速試制、高端品質(zhì)鋼和合金生產(chǎn)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

4 真空感應(yīng)爐新技術(shù)發(fā)展

20世紀(jì)末，隨著真空感應(yīng)爐爐容擴(kuò)大以及對(duì)產(chǎn)品類型需求越來越高的趨勢(shì)，在傳統(tǒng)真空感應(yīng)爐增加了一個(gè)流槽室，流槽室和熔煉室之間用隔離閥連接，出鋼時(shí)，鋼水經(jīng)過流槽再進(jìn)入錠模，流槽截面增加擋渣板和過濾器，類似傳統(tǒng)連鑄用的中間包，起到擋渣，過濾夾雜物的冶金作用，目前大型真空感應(yīng)爐都設(shè)有流槽室。這種帶流槽的真空感應(yīng)爐和傳統(tǒng)真空感應(yīng)爐熔煉室都較大（需要容納感應(yīng)圈、水冷電纜、傾翻油缸、以及傾翻和檢修預(yù)留空間）。國外從20世紀(jì)80年代中期發(fā)展出一種緊湊型真空感應(yīng)爐（Vaccum InductionDegassingand Pouring，簡稱VIDP），它把坩堝熔煉裝置和熔煉室設(shè)計(jì)成一體，水冷電纜和液壓傾翻油缸都放真空室外，澆注時(shí)，坩堝熔煉裝置和熔煉室一起轉(zhuǎn)動(dòng)，液態(tài)金屬在真空下通過流槽進(jìn)入錠模。優(yōu)點(diǎn)是真空室大大縮小，降低抽真空的能耗和一次性大型容器投入，同時(shí)水冷電纜和傾翻油缸都在真空室外方便維修。

進(jìn)入21世紀(jì)后，真空感應(yīng)爐除了在細(xì)節(jié)功能上都有所進(jìn)步外，真空感應(yīng)爐制造企業(yè)也突顯了自己在專利產(chǎn)品的突破上。如，美國CONSARC集合了真空感應(yīng)爐、VD爐和大氣爐的各自優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)了能在真空狀態(tài)下處理液態(tài)黑色金屬或有色金屬的新型可自動(dòng)控制的感應(yīng)熔煉真空脫氣爐(VCAP)。采用VIDP與二級(jí)真空系統(tǒng)（不用三級(jí)高真空系統(tǒng)）在真空熔煉室上部增加保護(hù)爐蓋組建了更緊湊的真空感應(yīng)爐，既可以大氣下作為中頻感應(yīng)爐用，又可以合蓋后VD爐精煉，實(shí)現(xiàn)真空精煉合金化，同時(shí)保護(hù)澆注。

5 真空感應(yīng)爐目前存在的問題

設(shè)備上，目前國外真空感應(yīng)爐加工制造技術(shù)已經(jīng)很成熟，以德國ALD和美國CONSARC為代表的歐美企業(yè)掌握了核心技術(shù)。美國已有60 t的真空感應(yīng)爐和精密鑄造真空感應(yīng)爐達(dá)100座以上[15]，國外已廣泛采用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制和調(diào)整成分。我國真空感應(yīng)爐雖然起步與CONSARC同步，但由于種種原因，發(fā)展緩慢，目前主流都是以小于2 t位小型真空感應(yīng)爐，在電源制造和PLC控制方面落后于國外先進(jìn)企業(yè)，國產(chǎn)電源的可靠性、穩(wěn)定性尚需提高，尤其是晶閘管元件的可控性要提高。

工藝上，真空感應(yīng)爐冶煉潔凈鋼或高端合金對(duì)原材料要求較高，限制了廢鋼等原料在真空感應(yīng)爐的使用；真空感應(yīng)爐真空脫硫能力弱，鋼水直接脫硫、脫磷危害元素的能力較差，需要工藝上造渣作業(yè)，真空下熔渣脫硫、脫磷一方面加重了合金化、爐襯清理等負(fù)擔(dān)，另一方面也需要中包溜槽可以除渣出鋼，對(duì)中間包冶金控制較高，真空感應(yīng)爐帶渣煉鋼并未廣泛應(yīng)用，制約了超低硫低磷產(chǎn)品的生產(chǎn)，也迫使真空感應(yīng)爐使用低硫、低磷原材料。

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（編輯：苗運(yùn)平）

Technical Progress and Characteristics of Vacuum Induction M elting Furnaces

YUE Jiangbo
（Research and Development Center ofW uhan Iron and Steel(Group)Corp.,W uhan Hubei 430080）

This paper reviews the development process and structure of vacuum induction furnace,and analyzes the characteristics and exiting problems of vacuum inductionmelting process.

vacuum induction furnace,melting,clean steel,VIDP

TF133

A

1672-1152（2017）02-0033-04

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.02.13

2016-12-27

岳江波（1985—），男，工程師，主要從事煉鋼工藝研究。