真空熔炼炉感应炉的工作原理及实际应用

　　1.1、真空熔炼炉感应炉原理 感应加热技术通常是指真空条件下，通过电磁感应原理使感磁性较好的材料获得感应电流，达到加热的目的一种技术。电流以一定频率通过环绕在金属材料周围的电磁线圈，变化的电流产生感应磁场，并使得金属内部产生感应电流，并产生大量的热量，用来加热材料。当热量相对较低时可用于真空感应热处理等工艺，当热量较高时，产生的热量足以熔化金属，用来制备金属或合金材料。

图1 电磁感应原理

　　1.2、真空熔炼炉感应炉应用

　　1.2.1、真空感应熔炼

　　真空感应熔炼技术是目前对金属材料加热效率高、速度快，低耗节能环保型的感应加热技术。该技术主要在感应熔炼炉等设备上实现，应用范围十分广泛。固态的金属原材料放入由线圈缠绕的坩埚中，当电流流经感应线圈时，产生感应电动势并使金属炉料内部产生涡流，电流发热量大于金属炉料散热量的速度时，随着热量越积越多，到达一定程度时，金属由固态熔化为液态，达到冶炼金属的目的。在此过程中，由于整个过程发生在真空环境下，因此，有利于金属内部气体杂质的祛除，得到的金属合金材料更加纯粹。同时冶炼过程中，通过真空环境以及感应加热的控制，可以调整熔炼温度并及时补充合金金属，达到精炼的目的。在熔化过程中，因为感应熔炼技术的特点，液态的金属材料在坩埚内部由于受到电磁力的相互作用，可以自动实现搅拌，使成分更加均匀，这也是感应熔炼技术的一大优势。

图2 感应熔炼的搅拌作用

　　与传统的冶炼相比，真空感应熔炼节能，环保，工人作业环境好，劳动强度小，具有很大优势。利用感应熔炼技术，浇注的合金材料杂质更少，添加的合金比例更加合适，能够更加符合工艺对材料各性能的要求。

　　真空感应熔炼技术目前已经得到大规模的使用，从用于试验研究的几千克感应炉到用于实际生产的几十吨容量的大型感应炉，由于其操作工艺简单，熔化升温快熔炼过程容易控制，所冶炼金属成分均匀等优点，具有很大的应用前景，近些年得到了快速的发展。

　　1.2.2、真空熔炼炉感应炉 真空感应烧结

　　真空烧结是指在真空度为(10～10^-3 Pa)的环境下将金属、合金或金属化合物粉末在低于熔点的温度下烧结成金属制品和金属坯。真空条件下烧结，不存在金属与气体间的反应，也没有吸附气体影响，不仅致密化效果好，而且可以起到净化和还原作用，降低烧结温度，和常温烧结比可降低100℃～150℃，节省能耗，提高烧结炉寿命和获得高质量产品。

　　对于某些物料需要通过受热借助原子迁移实现颗粒间的结合，而感应烧结技术在此过程中则起到了对其的加热作用。真空感应烧结的优点在于，真空条件下有助于减少气氛中的有害物质(水蒸气，氧气，氮气等其他杂质)，避免出现脱碳，渗氮，渗碳，还原，氧化等一系列反应。过程中降低孔隙内的气体量，减少气体分子的化学反应，同时在物料出现液相之前排除其表面的氧化膜，从而在材料熔化互相结合的时候使材料结合更致密，提高其耐磨性及强度。另外真空感应烧结对降低产品成本也具有一定的效果。

　　由于真空环境下，气体含量处于相对很低的状态，因此可以忽略热量的对流和传导，热量主要以辐射的方式由发热组件传递到物料表面，根据具体的烧结温度，物质的物理化学特性，选择合适的发热组件也是十分重要的。与真空电阻加热相比，感应烧结采用中频电源加热，一定程度上避免了采用电阻内加热方式真空炉的高温绝缘问题。

　　目前，感应烧结技术主要应用在钢铁，冶金领域。另外，在特种陶瓷的材料上，感应烧结增强了固体颗粒的键联，有助于晶粒长大，压缩空隙，进而增加密度，形成致密的多晶烧结体。感应烧结技术也正在新材料的研究上得到更广泛的应用。

　　1.2.3、真空熔炼炉感应炉应用于真空感应热处理

　　目前应有较多的感应热处理技术主要集中在感应淬火技术。将工件放入感应器(线圈)内，当感应器中通入一定频率的交变电流时, 周围即产生交变磁场。交变磁场的电磁感应作用使工件内产生封闭的涡流。由于集肤效应，即感应电流在工件截面上的分布很不均匀，工件表层电流密度很高，向内逐渐减小。

　　工件表层高密度电流的电能转变为热能，使表层的温度升高，即实现表面加热。电流频率越高，工件表层与内部的电流密度差则越大，加热层越薄。在加热层温度超过钢的临界点温度后迅速冷却，即可实现表面淬火。由感应加热的原理可知，通过调节感应线圈通过电流的频率，即可适当的改变电流的透入深度，深度可调也是感应热处理的一个较大的优势。但是感应淬火技术由于适应性较差，不适用与复杂的机械工件。虽然淬火后的工件表层有较大的压缩内应力，抗疲劳断裂能力较高。但是只适用于简单工件的流水线生产。

图3 集肤效应

　　目前应用感应淬火技术主要应用在汽车工业中的曲轴凸轮轴等零件的表面淬火，由于这些零部件虽然结构简单，但工作环境恶劣，对零部件的性能有一定的耐磨性，抗弯曲，抗疲劳要求，通过感应淬火提高他们的耐磨性和抗疲劳能力也是目前满足性能要求的合理的方法。广泛应用于汽车行业中的部分零部件表面处理。