真空感应熔炼炉VIDP的发展.doc

真空感应熔炼炉VIDP的发展

真空感应熔炼是在真空条件下、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方法。大型真空感应炉的容量一般为l~30t。1914年，德国海拉斯公司(HeraeusGmbH)制造了第1台真空感应熔炼装置。20世纪40~50年代，美国和英国开始使用真空感应技术和VIM炉生产高温合金，60年代，美国先后制造了15t、30t甚至60t的VIM炉(VacuumInductionMeltingFurnace)，随后的70~90年代，世界范围内制造的VIM炉一般都小于20t。
VIDP炉(VacuumInductionDegassingandPouringFurnace)作为真空感应炉的新版本，自1988年出现以来，被发达国家作为大型真空感应炉的重点选择对象。我国冶金科研领域对VIDP炉虽有所关注，但国内装备使用的仅有2台。本文着重对比常规VIM炉，介绍VIDP炉的主要特点。

1常规VIM炉的基本结构
常规VIM炉基本结构为单室立式炉和两室卧式炉。常规VIM炉的共性，是感应圈坩埚和锭模装在同一熔炼室内(图1)，由于坩埚在熔炼室内翻转浇注，熔炼室容纳了机械和液压机构，感应圈的冷却水管线和电缆也占用室内空间；另外，保养、更换和维修操作都要在熔炼室内进行，因此熔炼室要有足够体积。要产生和维持大空间的真空度，势必抽真空时间长，而且需要高容量多级真空泵系统。

图l常规VIM炉熔炼室内的感应圈坩埚和锭模

2VlDP炉的结构和工作方式
1988年，德国ALD公司的前身，莱宝-海拉斯(Leybold-Heraeus)公司开始制造VIDP炉，图2示意VIDP炉全套设备。
VIDP炉的技术核心是一个与感应圈坩埚一体的、紧凑体积的真空熔炼室(也称为炉体)，如图3示意，它只比感应圈大一点，仅含感应圈和坩埚。电缆和水冷管线以及液压倾转机构都安装在熔炼室外。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，缩短了生产周期，提高了生产率。

表1对比了常规VIM炉与VIDP炉熔炼室的体积，同样20t的炉子，前者体积为350m3，后者体积则不大于20m3。
炉盖由真空密封轴承支撑在炉架和两个液压缸柱上。浇注时，两个液压缸侧顶炉盖，炉盖带动熔炼室一体围绕真空轴承倾转。在倾斜浇注状态时，熔炼室与感应圈坩埚没有相对运动。流道是VIDP炉的重要部件。由于VIDP炉的设计把熔炼室与铸锭室隔离，所以钢水要经过真空流道进人铸锭室(图5)。
铸锭室为方斜侧面启闭形式，由两部分组成，固定部分与流道室相临，活动部分沿地面轨道水平移动，完成铸锭室的开启与闭合。在有的设备中，活动部分设计成30°左右向上敞开，方便天车装卸锭模和日常保养维修。

冶炼开始时，炉体被下方的液压机构托起，与炉子的上部结构(炉盖)接合，用专门机构锁紧。炉盖上端通过真空阀与加料室连接(图4)。

由于采用模块化设计装配，VIDP炉可以配备水平或垂直连铸机。图6示意1999年安装在英国Ross&Catherall公司的8tVIDP炉，熔炼室左侧是常规圆棒铸锭室，右侧安装水平连铸机，拉制直径41~100mm的高温合金棒。

3VIDP炉的技术特点

(l)常规VIM炉大体积熔炼室需要大型真空设备建立真空度，美国Carpenter公司的对比指出，20tVIDP炉达到预定真空度的时间比15t常规VIM炉快80%(图7)。
(2)VIDP炉熔炼室体积小，配备PLC逻辑控制系统，可达到理想的压力控制；同时VIDP炉利用三相电磁搅拌系统平稳搅动熔池，加入的元素在熔池内从上到下均匀溶解，保持熔池温度接近恒定。通过准确控制每炉压力和温度，降低离散性，从而保证元素的稳定收集，使易挥发元素含量控制在很窄的范围内。
(3)流道是VIDP炉的关键结构之一。浇注前，外置燃气加热站对流道加热，然后放人流道室，流道室内可选用电热辐射保温，降低初始浇注堵塞浇注口和流道热开裂。流道还有净化钢水的作用，为克服小容积流道会遭受钢水冲击流速影响，VIDP炉使用大容积流道，缓解来自坩埚钢水的冲击。对于高纯金属，还可在浇钢盘内配备挡渣板和陶瓷过滤器，进一步提高钢水纯净度。
(4)VIDP炉装备独立的炉体真空预热站，真空度可达500Pa。，加热速度可控，确保潮气降低而避免炉衬干裂。预热站的真空环境促进砖缝膨胀，处于压应力状态，密度提高。VIDP炉干燥坩埚可迅速装填炉料并大功率熔化新合金，不需要洗炉，缩短了冶炼周期。
(5)VIDP炉电缆、水冷和液压管线置于熔炼室外，带来两个优点：①电缆和水冷管线不受钢水飞溅和温度压力周期变化而损伤，故障率低；②方便更换坩埚。浇注完毕虽然坩埚处于高温，但电缆拆卸方便，只需把整个炉体吊出，换上另一个炉体，更换过程一般2h，是常规VIM炉的几分之一。
(6)测温对任何冶炼设备都