培训系列之12(王晓冬)：真空冶金设备

1、真空冶金设备,主讲人 王晓冬,Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China,目 次,1 真空冶金的特点和分类 2 钢液真空处理 3 真空电炉的分类和组成 4 真空电阻炉 5 真空感应炉 6 真空电弧炉 7 电子束炉,1 真空冶金的特点和分类,1.1真空熔炼的目的: 降低金属及其合金中的气体含量； 更准确地控制化学成分； 改善铸锭质量； 消除铸锭内部和表面缺陷； 提高金属的纯度； 生产普通方法难于生产的品种。,1.2 真空冶金的特点： 1）无氧冶炼 特别适用于活泼金属如钛、鋯等的冶炼；

2、 2）脱气作用 双原子气体在金属中的溶解度与它在气相中分压的平方根成正比： 其中： K气体在金属中溶解的平衡系数。,3）去除杂质 许多金属氮化物，氢化物在真空下分解成气体被真空系统抽出； 金属和非金属杂质在真空下挥发出去，可以获得高纯金属。 4）难熔金属的熔炼 在真空条件下熔点降低，易于熔炼。 5）贵金属合金收得率高 在真空条件下烧损少。,6）获得高质量的材料 提高材质机械性能（密度，均匀性，塑性等） 消除材料缺陷（白点，偏析，裂纹等）； 7）无污染，环保，节能 一般的普通电炉工作环境恶劣，环境污染严重，热量损失大。 8）设备复杂，一次性投资较大 子系统多，结构、控制都复杂，对操作者要求高。,

3、1.3 真空冶金的分类,真空熔炼铸造 真空脱气铸造 真空热处理 真空钎焊 真空蒸馏 真空制粉 真空烧结等 真空冶金的主要领域是真空熔炼和钢液真空处理,2 钢液真空处理,2.1 脱气及排除夹杂原理 2.2 钢液真空处理方法 2.3 钢液真空循环处理设备,钢材生产流程,2.1 脱气及排除夹杂原理,把钢液以不同形式置于真空环境中，脱出气体、排除有害夹杂、进行合金化的过程。 脱氢：溶解在钢液中的氢以质子态存在，降低环境中氢的分压，可以达到脱氢的目的； 脱氮：氮在钢液中的溶解度较大，扩散速度低，并且易于生成化合物，故脱氮率较低，只有采用真空熔炼，才能获得含氮很低的合金钢；,脱氧与脱碳：碳在低一氧化碳分压

4、下有很强的脱氧能力，而脱氧产物一氧化碳不溶于钢液，被真空系统不断抽出，形成脱碳与脱氧； 脱硫：用脱硫剂脱硫（如0.8%的石灰） 1955年大抽气量的水蒸气喷射泵的出现，使得钢液真空处理方法得到大规模工业应用。,钢液真空脱气法：真空浇铸，脱气效果好； DH、RH法：将脱气室和钢包分开，对钢水进行间歇式部分处理，脱气效果好； 电弧加热、电磁搅拌、惰性气体搅拌：缩短钢水处理时间，精炼效果好； VOD法：高温氧化精炼技术生产不锈钢（在低压下吹氧脱碳）； H-OB法：在RH设备上按装了氧枪。,2.2 钢液真空处理方法,钢流真空脱气,钢包真空脱气,循环真空脱气,2.3 真空循环脱气设备(DH,RH法),1

5、）真空脱碳：可生产杂质碳低于十万分之二的超低碳钢； 2）真空脱气：可生产出杂质氢低于百万分之一点五，杂质氮低于十万分之二的纯净钢； 3）脱硫、脱磷：喷粉脱硫； 4）升温：加铝升温 5）均匀钢水温度 6）均匀钢水成分，去除夹杂物。,DH真空精炼装置,RH真空精炼装置,内部结构,真空室下部及上升管结构,钢包,吹氧脱碳原理,真空系统,单级水蒸气喷射泵,3.1真空电炉分类 a) 真空电阻炉 b) 真空感应炉 c) 真空电弧炉 d) 电子束炉,3 真空电炉的分类和组成,3.2 真空电炉的组成： 炉体+电源、电控+真空系统， 以及三者的水冷却系统等组成。,4 真空电阻炉（Vacuum Resistance

6、 Furnace）,4.1 工作原理 4.2 真空电阻炉的结构 4.3 真空电阻炉的设计计算方法 4.4 真空热处理原理及设备,4.1 真空电阻炉的工作原理,1）工作原理 2）电阻炉的组成 3）电阻炉的分类 4）电阻炉的应用,加热体通电，因其电阻而产生热量，通过对流、辐射、传导等方式传递给工件，使其被加热或融化，从而达到某种工艺目的的电炉，称为电阻炉。 在真空条件下，传热以辐射为主。 Q=I2R 辐射给工件 T工件 电源：交流、低压、大电流。由磁性调压变压器提供。,真空电阻炉的工作原理,电阻炉的组成：炉体+电源、电控+真空系统 炉体：炉壳、保温炉衬、加热体、电极、观察窗、测温装置、测压装置、传

7、动机构 真空系统：泵+阀门+冷阱+管路+波纹管 以油扩散泵或油增压泵系统为主。,电阻炉的分类 1）按加热体位置分为外热式和内热式 2）按结构形式分为立式和卧式 3）按作业方式分为周期式、半连续式、连续式 4）按工作温度分为低温炉、中温炉、高温炉,电阻炉的应用 1）真空热处理 2）真空钎焊 3）真空烧结 4）真空熔炼 5）真空除气 6）真空干燥等,4.2 真空电阻炉的结构,炉壳 1）强度、稳定性、气密性； 2）圆形、方形。 炉盖蝶形、椭圆形封头，也有平底、平盖； 3）材料：加热室采用不锈钢或碳钢内表镀镍、喷铝、涂覆有机材料。,4）结构 双层水套、冷却水管； 水套间隔12- 40mm,小炉取小值。

8、换热量大，但易产生死水。 水管铜管，换热量小于水套； 5）尺寸 400-4000mm内径尺寸已系列化。,保温炉衬,保温、节能；形状有圆形和方形；分金属反射屏和厚壁式炉衬两种。,1）金属反射屏,靠反射将热量反射回高温炉区。 多层结构； 材料耐高温、高温强度、高温低压下蒸发速率低、黑度小（反射能力强 ）； 常用材料：钨、钽（工作温度大于1600度）；钼（工作在1100-1600度）；不锈钢（工作温度小于1100度）。,2）厚壁式炉衬,A.石墨毡厚壁炉衬 结构形式：内壁石墨布或石墨板，中间多层石墨毡，外层不锈钢片或不锈钢网； 炉衬厚度：40-60mm； 保温效果好于反射屏，热损失减少30%； 存在问

9、题：抽空时易出现石墨纤维飞扬，引起电极短路。,B.陶瓷纤维毡厚壁炉衬 内壁钼片，中间陶瓷纤维，外层不锈钢，并用钼丝联成一体； 炉衬厚度：40mm； 热惯性小，适于周期式炉； 有机粘结剂受热挥发，对真空室和真空系统有污染。,C.混合毡厚壁炉衬 内层：石墨板+石墨毡 外层：陶瓷毡+不锈钢片 炉衬厚度：（10-20）mm+20mm,不同的壁厚组合，适用于不同的工作温度； 保温效果好。,加热体,加热体提供炉子需要的热量（电阻热）； 实现电能向热能的转化； 是炉子的核心部分； 决定炉子的工作能力（功率、温度）和寿命。,加热体材料及性能,金属：纯金属钨、钼、钽； 金属合金镍铬合金、铁铬铝合金。 非金属：石

10、墨、硅化钼、碳化硅。,A 纯金属材料加热体 a 熔点高、抗氧化能力差，只适于真空或保护气氛下使用； b 电阻系数小、温度系数大，如钼，从20度1200度，电阻值相差6倍。为稳定加热功率，需用磁性调压变压器调节电压； c 价格贵。,B 金属合金加热体 a 电阻系数小，温度系数小； b 适于低真空炉，合金中的铬在真空中易挥发； c 使用温度和加工性能： 镍铬合金使用温度小于1000度，加工性能好，抗氧化性强； 铁铬铝合金使用温度小于1200度，加工性能差，制造困难。,C 非金属加热体 a 膨胀系数小； b 机加性能好； c 耐高温，价格便宜； d 使用温度：小于2400度。,3）加热体的连接形式,

11、单相：总功率小于35KW时采用； 三相： 三角形、星形连接：总功率在35-75KW时采用； 双三角、双星形连接：总功率大于75KW时采用。,4）加热体与保温炉衬的连接,a 加热器用绝缘材料（陶瓷）零件将加热体与保温炉衬紧固成具有一定形状和较高高温强度的部件。 b 加热器的尺寸：与料筐间距为50-150mm，长度为料筐的1.22倍。 c 加热体与保温炉衬的间距：50-100mm,电极,1）电极的作用 A 导电将低压大电流输入加热体； B 绝缘由玻璃层压板、聚四氟乙烯实现与炉体的绝缘； C 密封由真空橡胶实现与炉体的静密封； D 水冷由水带走电极的发热量，保证其正常工作。 2）材料 紫铜导电好，导

12、热好。 3）结构,观察窗,1）观测窗的作用 A 观测炉内工作情况 B 光学测温 2）材料 石英玻璃、耐火玻璃、钢化玻璃 3）结构,压力测量,真空规管接口形式,温度测量,1）测温装置： 热电偶测温 2）测点设置： 多点测温，三点、六点、九点测温,4.3 真空电阻炉设计计算方法,设计参数和总体方案的确定 加热功率计算（略） 加热体的计算（略）,设计参数和总体方案的确定,1）设计参数 使用温度、均温区尺寸、允许温度误差 升温时间（空载和满载） 炉内真空度（极限真空度、工作真空度） 炉料放气量 炉子的压升率 结构形式、作业方式、自动化程度 最高电压和调节范围,2）总体设计方案 内热或外热，立式或卧式，

13、周期式或连续式 加热体、保温炉衬的材料以及结构形式 均温区尺寸，加热体、保温炉衬的外形尺寸，炉壳的尺寸 真空系统主泵，前级泵，冷阱，阀，管道 传动系统电机，减速器，丝杠，链轮等 冷却系统水箱，管路，水量，水压等 电气系统原理图，接线图，控制柜，操作台 测温位置和元件，测压位置和元件,4.4 真空热处理原理及设备,4.4.1真空热处理的作用和特点 1)真空条件对热处理工艺的影响 2)真空热处理的作用 (1)保护作用； (2)表面净化作用 (3)真空除气作用；(4)脱脂作用； (5)蒸发作用。 3)真空热处理的特点 (1)高质量；(2)低成本； (3)低能耗；(4)无公害(环保)。,4.4.2 真

14、空热处理的工艺过程,热处理工艺过程： 加热(升温)保温(使温度均匀)冷却 1)热处理的分类： (1)普通热处理： 退火,正火消除应力,降低工件硬度,改善切削加工性能； 淬火提高硬度和耐磨性； 回火获得较好的韧性和塑性。,(2)表面热处理 表面淬火火燃加热,感应加热; 化学热处理渗碳,渗氮,碳氮共渗. 2)真空热处理工艺流程 装料抽空加热保温冷却出炉 不同热处理要求不同的工艺条件,而不同的工件要求的工艺条件又有所差别,要指定具体的工艺曲线。,3)气淬 冷却方式：内循环、外循环。 由充气循环装置、风机、换热器实现冷却； 冷却速度与冷却气体的种类,压力,炉子结构,流量装炉量有关.随着气体压力的不断增

15、加,处理能力大幅度提高. 冷却介质： 不与工件反应的气氛：氢气,氦气,氮气,氩气等。,4）油淬 冷却速度快，适用于大工件和淬透性差的工件，由油池、冷却器、搅拌装置实现冷却。 由于油的污染以及工件需清洁等原因，油淬的使用在减少。,4.4真空热处理炉,1）炉型和作业方式 立式、卧式、混合式 周期式、半连续式、连续式 2）炉子组成 加热室、真空系统、水冷系统、电源电控系统、风冷系统或油淬装置 3）气淬风冷系统 结构组成风机、气流循环管道、热交换器（内交换或外交换）,2.2.4电阻炉真空系统,1)低真空系统 2)中真空系统 罗茨泵+机械泵 油增压泵+机械泵 3)高真空系统 扩散泵+罗茨泵+机械泵 扩散

16、泵+机械泵 扩散泵+油增压泵+机械泵,真空系统,真空系统,5 真空感应炉,5.1 工作原理 5.2 真空感应炉的结构 5.3 电磁悬浮熔炼,5.1 工作原理,5.1.1 炉子结构与组成 1) 炉体 外壳、合金加料箱、观察、取样装置、测温装置、坩埚、感应器、铸锭系统、翻转机构 2) 真空系统 泵、阀门、阱、管路、检测仪表 3) 电源电控系统 变频电源、电控柜、汇流排 4) 冷却系统 泵、阀门、管路、检测仪表,5.1.2 工作原理,交变电流流经感应线圈，使坩埚内的冶炼物料之中产生感生电流； 电流流过物料产生的电阻热使其被加热、熔化； 物料在真空中除气、精炼、合金化； 最终在真空中完成浇铸，获得高质

17、量的材料。,5.1.3 集肤效应,导体通有交流电时，导体内电流密度重新分布，外大内小即为集肤效应。 集肤效应的强弱与电流频率密切相关； 频率越高，集肤效应越明显； 同时，导体直径越大，集肤效应越明显。 集肤效应使得导体有效导电面积减少，电阻增大。,5.1.4 邻近效应与圆环效应,（1）邻近效应 当通有交流电的两个导体相互靠近时，由于相互作用，其中的电流重新分布。 电流同向时，导体外侧电流密度内侧； 电流反向时，导体内侧电流密度外侧。,（2）圆环效应 通以交流电的线圈，其内部电流重新分布，并且内侧电流密度大于外侧的电流密度。 只有导体直径d足够大，而圆环直径D较小时，圆环效应才会明显表现出来。,

18、5.1.5 综合效应与熔材温度分布,（1）综合效应 感应器圆环效应，电流集中在圆环内侧； 熔材集肤效应，电流集中在熔材的外侧； 感应器与熔材邻近效应，电流方向相反，使电流集中在两者靠近的一侧。 综合效应电流集中在感应器内侧和熔材的外侧。,（2）温度分布 由于集肤效应，温度外高内低 由于热损失，温度上低下高,温度分布,5.1.6 电动力效应与搅拌原理,（1）电动力效应 带电导体在磁场中受力（电动力）遵守左手定则，力的大小为：,式中：P2炉料吸收的功率；f电流频 率；K系数,(2)电搅拌原理 感应线圈为短线圈，受端部影响，钢液受力两端小，中间大； 故形成四个运动区，产生自搅拌现象。,自搅拌的优点:

19、 加速熔炼中的物化反映; 使合金成分均匀; 使熔炼温度均匀; 脱气充分; 排出夹杂. 自搅拌的缺点: 冲刷坩埚,使用寿命缩短; 坩埚材料被冲刷进入钢水中,污染被熔材料.,5.1.7 感应熔炼过程与特点,1) 熔炼工艺流程 装料熔化精炼浇注 1)装料部分在大气下装入，另一部分装入合金料箱； 2)熔化真空度高,熔炼时间长； 3)精炼充分除气,调整成分,合金化； 4)浇注中温出钢,高于材料熔点60-80 带电浇注,保证合金均匀 保持真空,浇注5-15分钟后充气,2） 感应熔炼的特点,（1）整体保持液态 便于加入合金元素,合金化方便 便于搅拌,使温度均匀,物化反应充分 （2）自搅拌 （3）合金收得率高

20、，烧损少 （4）功率调节方便 通过并联电容,改变功率因数,调节功率 （5）熔炼成本偏高,5.2 真空感应炉的结构,5.2.1炉体 提供工作空间和环境 有足够的强度和刚度 气密性 坩埚,锭模按装和转动的空间 操作维护方便 选用非磁性材料,不锈钢,5.2.2 坩埚,高温,高真空,强交变磁场环境中盛装金属材料的器具； 熔炼材料物化反应的熔池。 材料小的线膨胀系数 较高的机械强度 材料良好的化学稳定性 良好的电绝缘性 材料放气量小 SiO2、 MgO等,5.2.3感应器,感应炉的核心部件，承担电能输入和能量转换任务，建立强的交变磁场，实现浇铸 满足电工要求一定的安匝数 满足机械要求 满足水冷要求 满足

21、绝缘要求 满足使用要求 空心紫铜管绕制，中间通冷却水,5.2.4 转轴,输电、输冷却水、传递动力,5.3 电磁悬浮熔炼技术,5.3.1冷坩埚半悬浮熔炼 5.3.2电磁线圈全悬浮熔炼,5.3.1冷坩埚半悬浮熔炼,5.3.2电磁线圈全悬浮熔炼,利用高频电磁线圈产生交变电磁场，使处在交变电磁场中的导电体产生感生电流； 并与电磁场产生相互作用力； 精心设计的电磁悬浮线圈可以达到要求的悬浮力； 且稳定性较好。,电磁全悬浮熔炼的优点： 1)试件在加热、熔化和凝固阶段都不接触熔炉器壁，杜绝了坩埚对熔炼材料的污染； 2)熔化的试件能够在人为的控制下逐渐地流出或整滴的滴出。并可容易地使悬浮的熔液凝固，然后以固体

22、形态落下，获取需要的特殊材料； 在真空条件下进行，可以对材料进行充分除气、除出杂质，获得纯净材料。,6 真空电弧炉,6.1 工作原理 6.2 电弧炉分类 6.3 结构组成 6.4 真空凝壳炉,6.1 工作原理,真空电弧炉是在真空中利用电弧放电产生的热量来加热和熔炼金属的一种电炉。,电弧熔炼的特点,优点 (1)熔炼不受耐火材料、大气和铸模的污染 (2)可以生产大尺寸、大吨位金属锭 (3)快速定向结晶，可消除缩孔、偏析和中心疏松 缺点 (1)电极制造困难 (2)锭子为柱状晶，沿径向变化，晶粒较大,6.2 真空电弧炉的分类,电弧炉分为自耗炉和非自耗炉。 自耗电炉的电极由被熔材料制成,在熔炼过程中逐渐

23、消耗,熔化后滴进结晶器中冷凝成锭。 非自耗电炉的电极由钨等高熔点材料制成,在炉料熔炼过程中基本不消耗。 非自耗炉有电极污染、电弧稳定性差、熔炼速度慢、合金成分比例难于控制。,6.3 电弧炉的组成,炉壳 电极杆及传动装置（电机、减速器） 观察装置 坩埚及水冷系统 真空系统、水冷系统 液压系统（炉体的升降和转动） 气动系统（阀门、电极卡头） 电源设备、控制系统 设备庞大，机械化、自动化程度高,坩埚及其水冷,（1）坩埚作用 结晶器、热交换器、放电电极 （2）要求 导热、导电性好，材料紫铜、无氧铜、钢（大坩埚） 足够的刚度和强度 整体式适用于小炉，翻倒脱锭 活底式便于清除水锈和水垢 脱锭式熔池始终处于

24、坩埚口处，污染少,防暴装置,观察装置,真空系统,6.4 真空电弧凝壳炉,坩埚内部用被熔材料凝固成一层薄壳,成半球形； 可以精炼金属合金,并浇铸异型铸件。,7 电子束炉,7.1 工作原理 7.2 特点和应用 7.3 结构,7.1 工作原理,电子束炉是利用高速运动的电子具有的能量，轰击材料表面，并进行能量交换，使材料被加热和熔化的一种电炉。 主要用于高温、难熔、高纯、稀有金属的熔炼（如铌、钽、铪等），获得高质量的材料。,7.2 特点和应用,（1）特点 (a)无耐火材料做坩埚，熔材无污染； (b)功率密度高：105W/cm2 熔池温度高，可熔炼任何难熔金属 (c)精炼效果好，可获得高纯材料： 炉内真空度高 滴熔表面积大，放气