感应壳熔炼坩埚结构

典型的坩埚结构见图1。

感应壳熔炼(Induction melting)是一种采用水冷分瓣铜坩埚对物料进行真空感应熔炼的方法。铜坩埚分瓣的目的是为了避免导电的坩埚对电磁场产生屏蔽作用；水冷的目的是为了使坩埚壁温度保持在冷态，避免熔池中熔料与坩埚发生物理和化学反应 。

冷坩埚熔炼起始于感应电渣熔炼技术，感应电渣熔炼是20世纪60年代美国为回收钛废料发展起来的技术，该技术采用分瓣水冷铜坩埚对钛合金进行感应熔炼，熔化过程加入盐类，如氟化钙(CaF₂)，在熔体和坩埚瓣之间起绝缘作用。由于盐渣会被带入凝固金属中造成污染。因此一直试图减少渣量，最终发现通过适当地控制坩埚和感应器的参数，可以完全取消绝缘用渣，熔体和坩埚瓣间也不会起弧。开始阶段这种无渣、分瓣水冷铜坩埚感应熔炼技术在熔炼过程中炉底往往形成较大的凝壳，故称之为感应壳熔炼 。

经过进一步的发展，凝壳可以减小以至完全消除，故简称为冷坩埚熔炼技术。冷坩埚熔炼被认为是下一世纪的熔炼技术，其主要特点有：

(1)它能够在无坩埚材料污染环境下对材料进行熔炼和处理，因为在熔炼过程中熔体和坩埚壁处于非接触状态，坩埚壁温度处于冷态，熔体和坩埚爆壁间不会发生任何形式的相互作用；

(2)该技术采用感应加热方式，熔体在加热过程被搅拌，可获得均匀的过热度和化学成分；

(3)由于铜坩埚一直处于冷态并且不与熔体接触，因此坩埚可以和高熔点或活泼性元素熔体共存；

(4)该技术可用于真空或任何气氛下，因此冷坩埚技术特别适用于熔炼活泼金属、高纯金属、难熔合金和放射性材料等。

这一技术由于其先进性而被广泛研究并迅速工业化。俄罗斯、美国、德国、日本、中国都开始有工业化装置出售，其中以俄罗斯技术最为突出，据报道前苏联已研究成功容量达1500L，最高工作温度为2600℃的冷坩埚设备。该技术已成功地应用到熔炼、铸造、制粉、喷射成型及金属提纯等工业领域。后来还出现了冷坩埚悬浮熔炼技术，通常的巷浮熔炼技术，物料置于半球形高频感应线圈中进行无坩埚熔炼，熔体仅限于几克到十几克，引入水冷坩埚后，通过采用不同频率段感应，上部采用较高频率加热熔体，下部采用较低频率增加对物料悬浮力，最大悬浮熔炼能力已达到2000g以上 。

感应壳熔炼的技术参数涉及到坩埚形状、分瓣数量、缝隙大小、坩埚材质、内冷却方式、瓣间绝缘以及感应圈匹配、感应频率选择等参数。

通常大型冷坩埚采用平底直筒式，以节省制造费用，但往往会残留较大凝壳，小型坩埚可采用抛物而炉底，便于物料搅拌并增加对熔体的悬浮力。适当增加分瓣数量可以减少对电磁场的屏蔽，过多分瓣会给坩埚制造和整体强度带来不利影响，一般采用20瓣左右。瓣间缝隙以便于绝缘和清理为准，一般1-2mm之间。坩埚材料常采用高纯铜以减少阻抗，提高电效率。

冷却系统是冷坩埚稳定安全运行的保证，设计时应充分考虑。感应圈形状和采用频率视坩埚尺寸而定，通常采用中频，1000-8000Hz。冷坩埚熔炼，坩埚处于冷态，消耗部分能量，通常需采用大功率，以增加电磁斥力，热效率一般小于50%。但由于能量集中，加热时间短，通常5-10min物料即全部熔化。典型配置为，10kg钛合金物料需加热功率约200kW。

由于冷坩埚熔炼具备的一系列优点，这一技术正在特种材料的研究和开发中起着越来越重要的作用 。

真空感应炉包括电源输入系统、真空系统和炉体三大部分。

电源输入系统

由于真空感应炉设备投资较大，缩短熔炼周期以提高设备利用率就成为选择电源功率的重要因素，通常选择300～500kW熔炼每吨金属;电源频率的选择主要考虑熔池能得到充分的搅拌以利于合金料熔化和精炼反应的进行。为了得到充分的搅拌，有的感应炉备有搅拌辅助电源;选择较低输入电压，有利于解决真空下放电的绝缘问题。

真空系统

选择真空系统首先应考虑熔室初抽的时间及各闸阀隔离室抽空所需的时间，例如通常主熔炼室要求15min抽空至13.3N/m(即1×10Torr);然后考虑精炼期气体排出量和对精炼期真空度的要求，这与选用的原材料种类、成分和对熔炼后合金成分的要求有很大关系;还要考虑外来气体源，这对大型炉子更为重要，例如由各真空密封处密封不严引起的漏气，坩埚、绝缘物、导流槽等耐火材料放气，还有炉壁沉积的挥发物吸气后的放气等。通常允许熔炼前熔炼室漏气加放气达到每kg坩埚容量6.65×10^-2～1.33×10^-1N.L/(m·s)。对炉体漏气要求愈小愈好，因为同一真空度下漏气大的炉子熔炼冶金效果差。通过在熔炼室安放便于清除挥发物的冷凝捕集器以及采用温水冷却炉壁可显著减少熔炼时炉体受热产生的大量放气。

炉体结构

往往根据用户需要设计，因而是多种多样。通常包括熔炼室和装料及辅助设备两大部分。(1)熔炼室。对小型真空感应炉(<500kg/炉)通常选择侧倾坩埚浇注的结构，在熔炼室内浇注，优点是结构紧凑。对工业规模用真空感应炉(>1t/炉)也为侧倾浇注;但铸锭室与熔炼室经真空闸阀隔开;坩埚与锭模之间经过一个水平导流槽相连接;这种结构的优点是可以实现半连续冶炼、缩短冶炼周期，大大提高设备利用率。但设备投资会有一定增加。(2)装料与辅助设备。有块料、合金料与液态金属等加料装置设备，常用为前两种。小炉的块料打开炉盖直接用手装料;大型炉子为了使熔炼室连续保持真空，专用闸阀在坩埚上方建有加料室，用底开式吊篮通过加料机构将块料直接送入坩埚。(3)合金加料器。位于熔炼室之上，总容量约为熔炼料的2%～10%，为多格分别贮料，通过真空闸阀与振动送料器将各种合金料于合适的熔炼期间分别加入坩埚内的液态金属中。(4)合金液取样器。为了控制冶炼过程，必须在不同熔炼期间取样分析合金成分与杂质含量。取样器可通过一小真空阀直接自熔池内取样，或者通过加料装置闸阀自熔池中取样。(5)测温装置。温度是冶炼工艺的重要参数，使用辐射光学高温计测温，必须及时清除玻窗上的挥发物并对其进行校正;因此，标准的方法是用浸入式热电偶测温，它可通过专门真空阀门送入，或经过加料室闸阀送入。除此之外，还有捣料杆、可移动坩埚盖，锭模及导流槽等附属设备。真空感应熔炼设备以德国莱波特海拉斯(Leybold Her-aeus)公司和美国康萨克(Consarc)公司的产品较为先进。中国主要生产厂家为上海电炉厂、锦州电炉厂等。

真空感应熔炼的熔炼工艺包 括坩埚的选择与制备，炉料准备，熔化和精炼以及浇注等。

坩埚的选择与制备

坩埚的寿命和坩埚与液态金属相互作用直接影响设备的生产率和金属成品的质量。通常小炉选用预制坩埚;较大熔炼炉(>250kg)采用打结法制备坩埚较为经济。用得最广泛地是不同纯度的氧化铝和氧化镁为基的耐火材料，选用何种耐火材料取决于被熔合金的化学性质。对熔点较低而又不与碳反应的金属，如铀与铜，可选用石墨坩埚;对含化学活性多的合金则可选用氧化钙或氧化钇稳定化的氧化锆耐火材料。20世纪80年代真空感应炉的坩埚材料有了重要发展，用水冷铜片镶制坩埚可彻底免除坩埚与金属液间反应，从而可用真空感应炉熔炼钛、锆等活性金属;用预制氧化钙坩埚可大大提高熔炼金属的质量。

炉料准备

真空感应熔炼用的原材料需经仔细化验和选择，如对在真空中不易去除的磷与硫的含量加以限制;经过熔炼虽然可以脱除原料中含有的氧与氮等气体，但宁肯花稍高的价格买低杂质含量的原料，从而节省真空感应净化所需时间;同理，在使用返回料时必须清除氧化皮、油、脂及其他易挥发污物。

熔化与精炼

在第一批装料中含有全部非活性合金元素，同时希望有一定量的碳，这样在料熔化时碳可以充分脱氧，又起搅拌作用;相反在炼制超低碳合金时则配有过量氧以便在熔化期充分脱碳。熔化期要避免激烈沸腾造成金属液强烈喷溅损失，必要时在熔化期通入一定压力的氩气以抑止金属液沸腾。在精炼期应注意熔池得到充分搅拌以利于金属液成分均匀和各种冶金反应的进行;精炼期温度应选择适当，温度高有利于提高反应速度，但温度过高会由于金属液与坩埚材料反应加速，从而导致金属液含氧量增高等不利影响;精炼期真空度应达到抽气设备实际的最高值，通常在1.33～0.13 N/m(之间，以发挥真空冶炼的优势，只有在炼制需要加入易挥发合金元素时才通入氩气阻止挥发损失;一般活性合金组元在金属液充分脱氧后加入，然后调整熔池温度准备浇注。

浇注

浇注工艺直接影响产品质量。首先是精确控制浇注温度，选择浇注温度应使金属液具有良好流动性，但不要使金属液过热导致烧伤模壁及冷凝产生的二次夹杂增多等缺点。其次采取措施防止浮渣等进入铸模，使用带挡渣板的导流槽能得到良好效果;80年代研制出的各种泡沫陶瓷过滤器，对高温合金起到明显减小夹杂的净化效果。为了填充铸锭缩孔，可使用发热保温帽、绝热保温帽、电弧加热和感应加热等办法。