【康沃真空网】真空感应熔炼（VIM），是一种在真空或惰性气氛下熔化新合金料或返回料，以避免来自大气的氧化物和污染[1]。它是一种用于生产高温合金、精密合金及其它特种合金的常用方法[2]。世界上第一台真空感应炉是于1917年，由德国Heraeus公司制造，用于熔炼飞机和火箭发动机使用的镍铬合金[3]。如今真空感应熔炼炉作为实现VIM工艺的载体发挥着重要作用，成为诸多特种材料生产的关键设备。真空感应熔炼炉作为实现VIM工艺载体，对达成与保证工艺质量起到了非常关键的作用。下面将具体分析真空感应熔炼炉的主要结构类型及未来发展方向。
1、真空感应熔炼炉（VIM炉）的结构类型
真空感应熔炼炉经过了超过百年的发展，演化出了不同类的多种炉型。这些不同种类的设备虽然都是为了实现VIM工艺，但由于服务于不同场合、工艺及理念导致它们在结构布局方面存在很大差异。宏观上讲真空感应熔炼炉可以区分为周期型与连续型（早期从外国直译为半连续型，但本质就是连续型）两种形式。由于连续型炉形式多样，所以连续型中又分化出垂直连续型、水平连续型及VIDP型等类型。下面针对其中的主流结构类型做陈述。
1.1 周期型
周期型真空感应熔炼炉是最基本的，也是最早出现的的一种炉型，技术上十分成熟。周期型真空感应炉构造相对简单，以熔炼室（炉体）为主要真空腔室，熔炼室内主要有熔炼线圈及线圈翻转机构等，炉体外接真空系统、测温系统、加料系统等功能性部件。周期型真空感应熔炼炉具有结构简单、易于操作、成本低等特点。但由于每熔炼一炉次需要对熔炼室进行破空操作，所以生产效率低。目前，这类炉型主要用于实验室及小批试生产使用，不是工业生产的主流设备。
▲ 图1 周期型真空感应熔炼炉[4]
1.2 垂直连续型
垂直连续型（或称立式连续型）的真空感应熔炼炉是连续型炉的重要分支，主要型号分布在100-500kg这个量级。垂直连续型炉一般情况下采用立式三室结构，从上至下分别是测温/加料室（一般为加料测温转塔）、熔炼室、铸型室，每个腔室间均有隔离阀。铸型（模具）反复从铸型室进出；二次加料与测温通过加料/测温室实现。熔炼室始终保持真空热态，从而实现真空感应熔炼（VIM）工艺的连续进行。
这类炉型的熔炼线圈一般采用无磁轭结构。一方面是因为炉型的容量不大，线圈相对较小，这种情况下使用无磁轭结构的线圈性价比高；另一方面一但采用磁轭结构的线圈势必会增大熔炼室的体积，致使整个炉体（熔炼室+铸型室）出现头重脚轻的情况，反而不利用于立式结构。
垂直连续型真空熔炼炉这种形式可以追朔50年代的美国联合电动力公司（Consolidated Electrodynamics Corporation）的专利[5]，但后期的发展是由德国Leybold-Heraeus公司在大力推动。这种炉型在其发展过程中不断经历技术迭代，不但在熔炼炉领域发光发热，还将技术应用在精密铸造炉等其它炉型上[6]。
▲ 图2 垂直连续型真空感应熔炼炉
1.3 水平连续型
水平连续型（或称卧式连续型）的真空感应熔炼炉是连续型炉的重要组成部分，容量一般在1-30t不等，最大的可达到60t[7]。水平连续型真空感应炉的两种主要结构如图3[8]所示，采用水平的结构布置更符合大容量炉对适用性与结构稳定性的要求。采用水平连续型结构的真空感应熔炼炉可以根据不同容量、不同功能以及不同大小的铸型进行灵活设计。
▲ 图3 水平连续型真空感应熔炼炉示意图[8]
国外生产此该类炉型的企业主要是德国ALD公司（前身为Leybold-Heraeus公司）与美国Consarc公司。两家公司炉子的设计风格差异很大，ALD公司偏爱空间利用率更优化的立方炉体，传动机构多为电动驱动，结构细节处理得更好，自动化程度更高；Consarc公司多数采用圆形炉体，空间利用率不及德国产品，传动机构多为液压驱动，自动化程度不及德国产品，但胜在价格低。从国内引进设备的情况上看6t以上的炉型多为ALD公司产品，国内最大的真空感应熔炼炉就是德国ALD公司的20t型真空感应熔炼（VIM）炉；而容量在3t左右的炉型Consarc公司产品引进较多，近几年Consarc在该级别的市场表现较好。
▲ 图4 ALD（上）与Consarc（下）公司生产的真空感应熔炼炉[9, 10]
1.4 VIDP型
VIDP型真空感应熔炼炉是德国Leybold-Heraeus公司于80年代提出并持有专利的新构型设备[11]，其本质上仍为水平连续型VIM炉的变种炉型。VIDP是Vacuum Induction Degassing and Pouring缩写，该炉型可直译为真空感应脱气浇注炉，其主要结构如图5[10]所示。VIDP炉将传统VIM炉的熔炼室炉体与熔炼倾转装置合为一体，浇注时炉体与线圈一起倾转，这样熔炼室炉体仅仅需要容纳熔炼线圈、磁轭及少量配套部件即可。这种方式可以大大减少熔炼室容积，以5t真空感应炉为例，VIDP型炉的熔炼室容积约为11m3，而传统型VIM炉则大概为60m3[12]。因此VIDP炉对熔炼室抽空时间比传统VIM炉要少很多。
VIDP炉的另一项主要卖点是脱气（Degassing）与滤渣，这一功能是通过配套的长流（钢）槽进行实现的。长流槽是 VIDP 炉重要组成部分，流槽连接熔炼室与铸型室，钢水通过流槽的过程可以起到脱气的作用，同时可在流槽要配置多块挡渣板实现滤渣的目的。
除以上两大优点外，VIDP炉还采用有水冷电缆外置，防止炉内电缆被钢液烫伤，炉内无液压系统等诸多优点[13, 14]。
▲ 图5 VIDP型真空感应炉[10]
2、当前市场环境下各类炉型的概况
2.1 连续型真空感应炉将是工业生产的主力
以真空感应熔炼炉主要服务的高温合金产业为例，国内主流生产变形合金特钢厂（抚钢、上钢等）所用的真空感应熔炼炉均为大型连续炉，一般在8-20t量级，甚至还将引进30t级的大型连续真空感应熔炼炉。而国内主流生产铸造高温合金的企业（航材院、金属所等）多以500kg-3t连续型真空感应熔炼炉为主。所以从工业化生产的角度上看，连续型真空感应熔炼炉将是未来的主力产品。
2.2 500kg容量或成为垂直型与水平型连续炉的分水岭
500kg级别的连续型炉可能是垂直型和水平型连续炉的分水岭，这其中有以下几点原因：
① 垂直型炉线圈不宜过大，否则容易造成上炉室（熔炼室）过大，会形成头重脚轻的状态，不利于设备稳定性。
② 垂直型炉的线圈由于采用非磁轭设计，所以线圈规格也不可能很大。大规格的线圈在没有磁轭的情况下漏磁相对严重，整体电效率低，所以500kg以上的线圈一般均采用带磁轭设计。正因为如此500kg及其以下的垂直型炉具有相对体积小的优势，这对于这个量级的设备来讲是很有性价比的。
③ 500kg级别的真空感应熔炼炉多数情况下用于制备Ф80直径左右的母合金棒而非电极棒。这是由于电极棒往往需要匹配ESR（电渣重熔）或VAR（真空电弧重熔）工艺，要求直径较大。当直径变大后，同等容量的合金长度就短了，这显然不利用于电极棒的制备。而中小批生产工况或高价值母合金则不需要那么大的单炉容量，所以垂直型炉正好契合这些特点。
垂直型连续炉在易用性与维护性上相比大型水平型连续炉有明显优势。国内有多家企业均可生产此类设备，但国外只有德国ALD公司的产品表现突出，其它几家国外龙头企业均不以此类炉型作为主力产品。这或许说明了国内市场仍处于成长期，对500kg及以下炉型仍有较强需求。
2.3 3t以下真空感应熔炼炉使用单相电磁搅拌（UDS）优势明显
熔炼线圈产生的电磁场除了会熔化钢液外，还会对钢液形成一定的电磁搅拌，钢液在交变电磁场的作用下会形成两段四区搅拌[15]。两段四区搅拌会在钢液内形成流动“死区”，这会影响到钢液的合金化；另外由于其熔炼频率较高（中频），搅拌力不强，所以这种由于感应熔炼产生的附带搅拌功能仅适用于小容量真空感应熔炼炉上。如果容量在1t以上或者对于钢液搅拌有一定要求的工艺，则需真空感应熔炼炉提供独立的电磁搅拌来满足工艺上的要求。
独立的电磁搅拌功能有两个重要作用，一是能形成钢液的整体循环；二是能在不提高钢液温度的前提下保证足够强的搅拌力。目前应用在真空感应熔炼炉上主流电磁搅拌形式为三相工频搅拌与单相电磁搅拌（UDS）。三相工频搅拌通过将线圈接入三相工频供电提供对钢液的整体搅拌。这种方法在电磁搅拌中应用最广泛，具有搅拌力大，对钢液温度影响小等诸多优点，但需要配套独立于熔炼电源以外的搅拌电源（通常为工频变压器）及切换开关柜，成本高。单相电磁搅拌是一种通过调整供电相位差（相位差90°）形式来实现对钢液整体搅拌的方法[16]。这种方法可以将熔炼状态下的两段四区搅拌转变成整体搅拌，解决了整体搅拌的问题。这种搅拌方式并没有大幅度降低频率，所以搅拌力有限。由于熔炼电源本身原因，单相电磁搅拌频率相比熔炼频率变没有太大变化，此时若通过加大功率实现增加搅拌力，则会引起钢液温度明显升高，这是不被允许的。因此一般情况下单相电磁搅拌功率会被限制在一定范围内的。美国AJAX公司于上世纪80年代就开发出了基于这种思路的中频电源[17]，后来美国应达公司也大力推广此技术，目前国内仅有英杰电气等少数企业研发出了带UDS功能的中频熔炼电源。
▲ 图6 四区搅拌与整体搅拌
目前大型真空感应熔炼炉普遍配套电磁搅拌功能来满足熔炼过程中对钢液搅拌的要求。三相工频搅拌在性能上比单相电磁搅拌有明显的优势，但是价格高；而单相电磁搅拌技术可以实现在电源成本增加不大的情况下获得一定的钢液搅拌功能。因此，3t以下量级的炉子配套单相电磁搅拌即可满足大部分熔炼工艺的要求，在性价比方面上具有明显优势。
2.4 传统真空感应熔炼炉（VIM炉）对比VIDP炉仍有较大优势
VIDP炉作为80年年中期发展出来的一种新炉型有其独有的优势，但从近40年的市场缩合表现来看，传统真空感应熔炼炉（VIM炉）相比VIDP炉仍有较大优势。下面对出现这种情况的原因进行分析。
1）关于较小的容积：VIDP炉主要优势之一在于同等容量（指坩埚容量）下极大地缩小了熔炼室容积，有利于减少抽空时间，但这一优势似乎并没有过于突出的贡献。一方面连续型VIM炉仅在第一炉次花费长时间进行抽空，当熔炼室保持稳定真空后，抽速指标意义不大；另一方面，传统VIM炉熔炼室容积大，所以对材料放气相对不敏感，而VIDP炉熔炼室容积小反而对材料放气敏感，这对熔炼工艺不利。
2)关于长流槽：VIDP主打的流槽脱气滤渣功能并非其独有，传统VIM炉可按需配套长短不同规格的流槽。早在80年代我国引进的西德IS700V11型3t/6t炉中就运用类似功能（中间包）进行滤渣[18]。 一方面由于VIDP炉结构特点的原因，其流槽只能采用长度超过3m的长流槽，长流槽对于6t以上的大容量炉更适合，但对于小容量炉会导致流槽内的残留钢液偏多的问题。另一方面由于要保证长流槽内钢液的流动性，出钢温度也需要相应提高。这些都在一定程度上限制了其适用性。而VIM炉则可以根据自身工艺情况选择长流槽或短流槽（短流槽常采用L形或U形流道，并设有挡渣板实现滤渣），使其配套更灵活。VIDP炉采用的长流槽设计在脱气方面确实有优势[19, 20]，但对于生产变形高温合金而言，经过VIM工艺后往往还有ESR与VAR工艺，其中ESR与VAR工艺本身就具有强力的除杂脱气功能，这就使长流槽的脱气作用相对弱化了[21, 22]。
3)关于结构布局方面：由于VIDP炉特有的布局特点，使钢液浇注时必须与长流槽呈90度布置，这就要求浇注速度不能过快，否则可能使部分钢流冲出流槽的情况。而传统VIM炉，在布置流槽时往往采用与钢液浇注同一方向的设计，即使浇钢速度快一些也不会造成大量漏钢，这是传统VIM炉的一大优势。
▲ 图7 VIM炉正在向流槽浇注[23]
4)关于功能模块化方面：VIDP炉由于其结构特点，在模块化功能上不及传统VIM炉，VIM炉可根据用户需求配置水平振动加料器、合金加料器、长/短流槽等多种部件，而VIDP炉只能使用垂直加料器与长流槽，模块化选择相对单一。
5)在市场表现方面：德国ALD公司持有VIDP炉的专利，虽然此专利已过期，但在市场上鲜有其它厂家跟进这一设计思想。目前能够掌握的公开信息表明仅有德国SMS集团采用VIDP炉的设计思想（但他们仍称为VIM炉），并向英国Liberty Speciality Steels提供了一台18t级的炉子[24]。其它国外头部企业Consarc、Inteco等公司均采用传统VIM构型。我国从国外引进容量在8t以上的真空感应熔炼炉绝大部分也是VIM炉，这其中也有大量ALD公司的产品。最近几年国内3-6t的进口炉市场也多被以传统型见长的Consarc公司占据（Consarc产品价格上较ALD低廉很多）。同时近期在ALD公司的网站上也可以看出，其在宣传上已不再将VIDP炉作为独立的产品类别，而是着重宣传他们早已成熟的VIM系列炉型。ALD公司将VIDP炉并入VIM系列中，同时重新命名全部VIM系列炉型，这可能是针对市场形势的一种反应[10]。
综合以上几点，可以看出虽然VIDP炉有其技术的独创性，也曾经受到过各方的关注与追捧，但经过几十年市场的考验来看，传统VIM炉无论在技术上还是在市场上仍有优势。
3、未来可能的发展方向
未来真空感应熔炼炉除了满足基体需求外，还可能向以下几点方向发展：
① 提高模块化程度。真空感应熔炼炉应成为高度模块化的平台，可根据用户的不同需求更换不同模块实现不同功能。如垂直加料、水平振动加料、合金加料、流槽机构等均可成为可选模块，并可根据不同的用户需求实现不同的组合。
② 提高设备整体自动化水平。目前真空感应熔炼炉的二次加料、烘烤流槽、装/取铸型等作业者是用人工完成的，这些都将成为提升自动化的重点。目前一些真空感应精密铸造炉已经可以通过工业机器人、AGV或专用的自动化模块实现了二次加料、装/取铸型等环节的自动化。所以真空感应熔炼炉在此方面有很大的进步空间。
4、总结
以上分析真空感应熔炼炉主要结构类型与当前的产品概况，从中要可以得出以下几点结论：
① 从细分领域上看，周期炉未来将会局限在实验或小批生产用炉的范畴，而连续炉将持续保持工业生产的主力地位。
② 500kg以下的炉型采用垂直连续型更优，1t以上的炉型采用水平连续型更优。VIM炉相比VIDP炉仍具有多方面优势，中短期看具有模块化功能的新一代VIM炉所占比例比较会进一步扩大。
③ 从产品宏观角度上看，未来主流的真空感应熔炼炉会向着进一步模块化方向发展。向着产品不断成熟，型号不断优化的方向进一步精进。
