真空感应熔炼炉是在真空条件下利用电磁感应在金属导体内产生涡流加热炉料进行熔炼的设备。
 

1. 真空感应熔炼炉原理及特点

1.1 真空感应熔炼炉工作原理

       （1）将金属炉料放入置于线圈中的坩埚内，当线圈接通交流电源时，在线圈中间产生交变磁场，炉料中即产生感应电势；

       （2）金属炉料本身形成一闭合回路，所以在炉料中同时产生了感应电流，即涡流，炉料靠涡流加热和熔化。
 

1.2 真空感应熔炼炉工作特点

       （1）真空感应熔炼能够严格控制合金中活泼元素如铝、钛等的含量；

       （2）有效地去除合金中的气体和非金属夹杂物以及有色金属杂质，提高合金的纯净度。

       （3）坩埚、耐火材料选择不当可能污染金属液；

       （4）通常采用钢锭模浇注，钢锭结晶组织比砂型铸造的铸锭更细密。
 

1.3 主要熔炼领域

       （1）熔炼要求成分控制精确、纯度高、夹杂少的合金。如镍基高温合金、超高强度马氏体时效钢、超纯铁素体不锈钢及高纯金属等；

       （2）回收贵重合金料，如镍基合金、高合金不锈钢等；

       （3）生产无余量加工的精密铸造件；

       （4）用水冷铜片镶制坩埚与氧化钙坩埚熔炼活性金属合金如钛、锆等。
 

2. 真空感应熔炼炉简介

2.1 真空感应熔炼炉分类

2.1.1 普通真空感应熔炼炉（VIM）

       普通真空感应熔炼炉（Vacuum Induction Melting Furnace）由于炉体型式、坩埚型式以及两者的相对位置与相对运动形式的不同，形成各自独立的炉型。根据感应炉的结构特点，可以归纳为如下几种。

       （1）小型试验真空感应熔炼炉

       一般为卧式单室结构，坩埚和锭模密封在一个熔炼室中，只有一套真空系统和一套熔炼电源系统。坩埚容量较小，一般不大于30kg，气密性较好，炉料一次性加入，转炉出钢依靠手动杠杆操作，多用于科研、新产品开发及精密铸造等领域。

       （2）立式单室真空感应熔炼炉

       比较早期的结构形式，可以制造大型的真空感应炉。每炉冶炼完成后需要破真空，移开上炉盖进行装料及脱锭，导致炽热的坩埚表面吸气，影响冶金质量，生产效率较低，目前已基本淘汰。

 

       （3）立式双室真空感应熔炼炉

       在立式单室真空感应熔炼炉的基础上，将锭模室与熔炼室分离为双室结构，也称多室结构的真空感应熔炼炉。锭模室与熔炼室的分离，避免了破坏真空装料对冶金质量的影响，并大幅度地提高生产效率，是目前大型工业化生产的主要炉型。

  

       （4）带有流槽室的真空感应熔炼炉

       在立式双室真空感应熔炼炉的基础上增加了流槽室，通过更换不同长度的流槽，使铸锭的直径大小和钢锭的高度有了更大的选择范围，也可以方便选择钢锭的上铸或下铸。

 

       （5）锭模室升降式真空感应熔炼炉

       立式双室真空感应熔炼炉的一种形式，可以减小真空室的容积，但锭型尺寸的选择余地较小，且不易进行漏模事故的清理工作。

       （6）锭模室水平布置真空感应熔炼炉

        锭模室水平布置真空感应熔炼炉更有利于脱锭的操作，缺点是占地面积较大。

       （7）带底吹系统的真空感应熔炼炉

       在冶炼过程中可以向坩埚中吹入氩气等工艺气体，更加快速有效地去除钢中的气体和夹杂物，同时也更有利于成分和温度的均匀。

       （8）双门带坩埚旋转式真空感应熔炼炉

       可以配置两个吨位相同或不同的坩埚，生产灵活方便，当一个坩埚在冶炼的同时另一个坩埚可以完成修炉和烤炉。缺点是长期使用后炉门易发生变形而影响炉体的气密性。

 

       （9）侧门旋转轴式真空感应熔炼炉

       电源和液压翻转坩埚的动力系统，通过侧门的旋转轴传递到坩埚，在熔炼室内没有水冷电缆和液压缸，减少了故障隐患，也更方便与设备系统的维修，但由于受侧门旋转轴强度和密封的限制，难于制造吨位较大的炉型。

  

       （10）特殊产品专用真空感应熔炼炉

       用于特殊产品的专用真空感应熔炼炉，专门为生产特殊规格的产品而设计。

 

2.1.2 大型真空感应熔炼炉（VIDP）

       大型真空感应熔炼炉（Vacuum Induction Degassing and Pouring Furnace）设备的模块化设计更紧凑，维护更方便，效率更高，生产成本更低。VIDP炉与其他浇注系统（如连铸系统）组合，扩展其功能，实现“一机多用”。

       VIDP炉可配置3个炉体，作业中一个熔炼，一个接受预热，另一个制备坩埚炉衬，缩短生产周期，提高生产率。

VIDP炉相比VIM炉的优势：
       （1）相同数量级炉子，VIDP抽真空速度更快；

   

VIDP炉的不足之处：

 

2.2 小型试验真空感应熔炼炉结构

       以小型试验真空感应熔炼炉为例，其结构主要由：真空熔炼炉体、感应熔炼系统、真空系统、电源系统、水冷却系统等组成。

真空感应熔炼炉示意图

（1）真空熔炼炉体

       真空熔炼炉体由主炉盖、炉体、炉盖升降移动机构、侧开门（部分含有）等组成。

       熔炼炉体要求有足够的强度和刚度，内壁多为不锈钢，外壁及加强筋一般为碳钢，炉冷结构为双层立式水冷结构，内外炉壁之间通冷却水，炉体内外壁之间有加强筋，足够刚度和强度，抽负压不会变形。炉壳制造所用材料经过探伤无裂纹、焊接性能好、受热不易变形、渗气率低，保证气密性。

（2）感应熔炼系统

       由水冷导电铜轴、感应器、倾炉机构、绝缘密封装置等组成。

       水冷导电铜轴是熔炼炉的重要部件，安装在炉体上，炉内部安装感应线圈，炉外部分与中频电源导电铜排连接，其作用是将中频电源输送来的低压大电流输送给感应线圈，因此水冷导电铜轴承担导电、绝缘、密封和冷却的功能，水冷导电铜轴采用空心厚壁紫铜管作导体，空心铜管内通以冷却水。

       感应线圈是感应炉的核心部件，承担电能输入和能量转换任务，建立强的交变磁场，一般用扁圆形空心紫铜管绕制成，两边用绝缘胶木板固定，线圈刷绝缘油漆，并进行烘烤，作绝缘处理。

（3）真空系统

       真空机组由机械泵、罗茨泵、扩散泵、气动挡板阀门、真空管道等部分组成，真空阀门采用气动挡板阀门，真空泵和炉体多直接用真空铸钢管道连接，其他真空管道多为不锈钢波纹钢管道。真空仪表，真空检测硅管一般安装在扩散泵挡板阀门阀体上。

（4）电源系统

       中频感应炉主要电路为AC-DC-AC变频结构，由整流电路、滤波、逆变电路和保护电路组成。其工作原理是将三相50Hz工频交流电经过三相全控整流桥整流成电压可调的中频电源脉动直流，再通过电容将脉动直流电滤波变成光滑平稳的直流电送到单相逆变桥，最后通过逆变桥将直流电变成单相频率可调的中频交流电供给负载。

（5）冷却系统

       电炉的冷却非常重要。需要冷却的装置有：中频电源、炉体、炉盖、线圈、 油扩散泵、罗茨泵和机械泵等。冷却水来自冷却塔，经分水器分为多路，流经需要冷却的设备，回水再经过集水器汇总流回闭式冷却塔。经冷却，循环使用。

 

真空感应熔炼炉部分设备实物图如下：

小型真空感应熔炼炉（上）；大型真空感应熔炼炉（下）[4]。
 

大型真空感应熔炼炉（效果图）[5]

 

参考文献：
[1] 刘喜海, 徐成海, 郑险峰编著. 真空冶炼[M]. 化学工业出版社，2013.
[2] 王涛. 真空感应磁悬浮精炼钛铝基多元合金研究[D]. 成都理工大学，2017.
[3] 林聪. 中国冶金百科全书[M]. 冶金工业出版社，1998.
[4] https://www.ald-vt.com/
[5] https://consarc.com/