概述

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熔解实践：VIM + ESR

你可能会感到困惑。什么是 VIM 和 ESR？它们与材料有什么关系？

VIM 是真空感应熔炼的缩写，是一种高级合金冶炼可以更好地控制合金元素的方法。ESR 的全称是电渣重熔。它是一种二次冶炼技术，可以使合金获得更好的性能。

几乎所有高温合金都使用 VIM + ESR 冶炼方法。在本文中，我们将详细介绍这两种冶炼工艺。

必备知识

冶炼的原理

冶炼是熔化不同金属并将它们混合在一起的过程。不同金属之间的比例决定了不同的成绩合金。冶炼时，工人首先按特定顺序将金属放入熔炉中。然后通过加热熔化炉中的金属。金属熔化后，通过搅拌使金属均匀混合。最后，金属混合溶液冷却。固化后，生产出合金。

什么是炉渣？

在冶炼过程中，许多对合金有害的元素进入合金中。为了减少这些有害元素，合金中添加了一些其他物质。这些物质称为炉渣。炉渣可以吸收冶炼过程中对合金有害的元素。同时，炉渣不溶于合金中。它们漂浮在合金液的表面，很容易与合金分离。

什么是真空感应熔炼？

感应炉

感应炉通过电磁感应产生热量，然后用于熔化金属。感应炉具有以下特点：

1. 感应炉使用电磁感应加热来熔化金属。在冶炼过程中，没有金属与加热元件接触。它不需要碳作为加热电极。因此，感应炉可以冶炼低碳甚至无碳高温合金;

2、感应炉无电弧效应。冶炼的高温合金含气量低;

3、感应炉利用电磁对合金进行搅拌，有利于合金成分和温度的均匀性。电磁搅拌还可以促进渣对有害元素的吸收;

4、在感应炉中冶炼时，炉渣不能通过感应加热。它的熔化完全取决于合金熔化后对合金的热传导。因此，炉渣的温度较低，导致炉渣的作用在一定程度上受到限制;

5、感应炉内的坩埚使用寿命短，冶炼成本高;

6、对原材料要求高。原料中的杂质应尽可能少。表面应清洁无锈。大小应适中。应贮存在干燥处。

真空感应熔炼

真空感应熔炼 （VIM） 是在真空中对材料进行感应炉熔炼。与普通感应炉熔炼相比，真空感应炉熔炼可以进一步提高合金的质量。它提高了合金的热加工性和使用温度。

真空感应熔炼高温 合金具有 Accurate 的 锭化学成分和 high纯度通过真空中杂质元素的脱氧、反硝化、挥发等一系列物理化学反应。

真空感应炉熔炼的优势

精确控制合金成分

真空熔炼避免了与空气相互作用造成的污染，冶炼的高温合金纯度高。这使得精确控制高温合金的化学成分成为可能。真空感应炉冶炼可以将易与氧和氮反应的元素（如Al、Ti、B、Zr、Nb、稀土元素等）严格控制在非常狭窄的范围内。

例如，铝和钛的含量在真空下可以控制在 ±0.12% 的范围内，但在空气中最多只能控制在 ±0.25% 的范围内。在冶炼 Inconel 718 时，屈服强度铌含量每增加 10.0%，可增加约 1MPa。这种精度非常严格，只能通过真空感应熔炼来保证。

挥发性有害元素

有低熔点在原料中，如碲、铅、硒、铋、铜、锑、砷、锡等。这些元素加热到一定温度后会蒸发，一部分可以在真空下挥发，这将提高材料的纯度。杂质的挥发与温度、时间、合金液的表面积、合金液的深度和搅拌有关。

去除气体元素

在真空下，合金中的气体元素更容易排出。这进一步优化了合金的性能。

真空感应熔炼的过程

充电

原料根据熔点依次装入坩埚中，密度、容易程度氧化、波动率和数量。低熔点的金属放在底部，高熔点 （钨,钼等）放置在顶部。可氧化金属被放置在料斗中。同时，应注意防止铬不接触坩埚。

真空

熔炼炉应密封，并抽出炉内空气，使炉内处于真空状态。

融化

装入坩埚的原材料被熔化。在熔化过程中，氧气、氮气和氢气不断从高温合金液体中去除。同时去除有害杂质。在熔化的初始阶段，金属材料会逐层熔化。这种逐层熔化对于去除空气和杂质非常有益。因此，熔化过程中应保持高真空度和缓慢的熔化速度。

精炼

精炼期的主要任务是使高温合金熔体继续通过真空挥发去除气体元素和去除有害杂质元素。同时，调整合金元素的含量，以满足标准的指定范围，达到最佳含量。精炼还可以确保合金成分均匀并减少成分偏析。

精炼时，需要向合金中加入适量的碳进行脱氧。在真空条件下，碳与氧气反应，从合金液中析出大量 CO 气体。同时，有害杂质挥发。精炼时，应根据合金的具体要求合理控制精炼温度、时间和真空度。

浇注

当高温合金成分满足要求且温度合适时，可将合金液倒入模具形成铸锭。由于高温合金液体在真空动性较好，因此可以适当降低浇注温度。浇注速度取决于铸锭的等级和形状。在早期阶段，浇注速度应较慢。当模具中的合金达到一定量时，可以加快浇注速度。使用陶瓷过滤器过滤高温合金铸造能进一步降低杂质含量和氧氮含量，提高机械性能.

什么是电渣重熔

电渣重熔 （ESR） 是一种二次熔炼工艺。真空感应熔炼 （VIM） 后，通常会对合金进行电渣重熔，以进一步提高高温合金的纯度。

电渣重熔是利用电流通过熔渣产生的电阻热使合金熔化的冶炼方法。加热熔化的合金以液滴的形式穿过炉渣，然后落入水冷装置凝固形成锭。

在真空感应熔炼中，炉渣混合在合金液中以吸收合金中的有害杂质。然而，在这种情况下，很难确保炉渣和合金液完全接触。

在电渣重熔中，合金液以液滴的形式逐个通过熔渣。这充分保证了合金的每个部分都能与渣充分接触。从而尽可能去除杂质。

炉渣的选择

在电渣重熔过程中，炉渣主要用于去除有害杂质。渣需要满足以下要求：

1. 有良好的流动性;

2、沸点应高于炉内温度，熔点应低于金属的熔点;

3、导电性适当，电阻高（保证电渣重熔过程的稳定性，增加重熔所需的热量）;

4. 如有需要移除硫，需要使用强碱性炉渣。

高温合金电渣重熔常用的渣料有CaF2、Al2O3、MgO、CaO、TiO2等。下表列出了常见的炉渣组合：

以下是各种物质在炉渣中的作用：

CaF2：降低炉渣的熔点，提高导电性和流动性。它是许多炉渣的基本成分。

Al2O3：增加电阻，从而提高炉温和熔化速度。

CaO：降低CaF2的电导率，提高碱度和流动性，具有脱硫作用。

MgO：降低 CaF2-Al2O3-TiO2 渣的熔点并降低渣表面温度。防止合金中的 Al、Ti、Mg 和其他元素被去除。它具有抗氧化特性。

TiO2：在渣中加入少量的TiO2可以防止合金中的钛被Al2O3消除。同时，TiO2 可以增加炉渣的流动性。

电渣重熔的过程

1、保证材料表面光滑、不生锈、成分均匀。

2. 选择渣的材质和数量。

3. 熔化炉渣。此步骤的目的是在熔化合金之前保持高温。

4. 将熔融液渣倒入炉内重熔。

5. 确定熔化电流和电压。然后进行电渣重熔。

结论

高温合金成分复杂，对成分范围有严格的要求。为了满足这一要求，几乎所有高温合金都使用 VIM + ESR 的冶炼方法。

VIM 是 Vacuum Induction Melting 的首字母缩写词。这种冶炼方法可以实现非接触式加热和搅拌，并能精确控制合金和有害元素的成分范围。

ESR 是 Electroslag Remelting 的首字母缩写词。这种冶炼方法可以使合金与炉渣充分反应，以去除杂质元素。真空感应熔炼后，可以通过电渣重熔进一步优化高温合金的性能。