宇航材料所需的高級(jí)冶煉設(shè)備：真空感應(yīng)熔煉爐
當(dāng)前，世界上許多國(guó)家，特別是發(fā)達(dá)國(guó)家，為了發(fā)展空間技術(shù)、占領(lǐng)空間領(lǐng)域、加速實(shí)現(xiàn)國(guó)防現(xiàn)代化、加強(qiáng)國(guó)防力量，不惜斥巨資，爭(zhēng)先恐后地競(jìng)相開發(fā)和制造先進(jìn)的航空、航天、航海設(shè)備，如：宇宙飛船、國(guó)際空間站、人造衛(wèi)星、核潛艇、噴氣式遠(yuǎn)程轟炸機(jī)、原子能、火箭、導(dǎo)彈等設(shè)備。
但是，這些尖端設(shè)備對(duì)制造它的材料性能要求非常嚴(yán)格，對(duì)所用的鋼材、合金、毛坯提出高純度、高均勻性、耐高溫、耐高壓、抗沖擊、抗疲勞等一系列特殊嚴(yán)格要求，尤其是對(duì)材料性能的穩(wěn)定性、一致性和可靠性要求非常高�？墒�，滿足這些要求，已非眾所周知的普通冶煉設(shè)備所能完成的。
為此，冶金工作者們，為了提高和改善宇航設(shè)備上的特殊鋼和合金的質(zhì)量和純度，長(zhǎng)期進(jìn)行研究和探討新的熔煉設(shè)備和工藝。通過(guò)大量的系統(tǒng)的理論和實(shí)踐研究，以及從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)等方面研究和探討冶金過(guò)程中的物理化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，得出的重要結(jié)論是：唯一能夠滿足上述要求的工藝就是在真空室內(nèi)進(jìn)行宇航材料的冶煉。
這是因?yàn)椋?/p>
(1)在真空狀態(tài)下，能夠避免被熔煉金屬及合金同非金屬夾雜物產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。
(2)在真空狀態(tài)下，能夠清除液態(tài)熔融金屬中的有害的可溶解氣體和污染物，以提高被熔金屬的純度。
就目前國(guó)內(nèi)外工業(yè)水平來(lái)看，能夠圓滿完成冶煉上述材料的設(shè)備主要有以下3種，這就是：真空感應(yīng)熔煉爐、真空自耗電弧爐和電渣重熔爐。即：欲快速發(fā)展航天航空工業(yè)，必須大力開發(fā)這3種高級(jí)冶煉設(shè)備及其新工藝。
世界上第一臺(tái)真空感應(yīng)爐是于1917年在德國(guó)誕生的，用于熔煉飛機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的引擎。真空感應(yīng)熔煉爐是真空冶金領(lǐng)域中應(yīng)用最廣的設(shè)備之一。
事實(shí)證明，宇航、導(dǎo)彈、火箭、原子能設(shè)備和電子工業(yè)所需要的合金和特殊鋼，占有相當(dāng)比例的產(chǎn)品是采用真空感應(yīng)熔煉爐生產(chǎn)出來(lái)的。
例如，鎳基、鈷基、鐵基高溫合金采用真空感應(yīng)熔煉爐工藝熔煉時(shí)，其熱加工性能和機(jī)械性能明顯提高。像不銹鋼、耐熱鋼、超高強(qiáng)度鋼、工具鋼、軸承鋼，以及磁性材料、彈性合金、膨脹合金等幾乎均采用真空感應(yīng)熔煉爐來(lái)熔煉，以保證材料性能和質(zhì)量。
此外，隨著二次重熔工藝的發(fā)展，真空感應(yīng)熔煉爐的另一用途是為真空自耗電弧爐或電渣重熔爐提供高質(zhì)量的自耗電極，以及生產(chǎn)母合金供精密鑄造用。
眾所周知，真空感應(yīng)熔煉爐工藝，對(duì)金屬的熔化、精煉和合金化的整個(gè)過(guò)程，均是在真空狀態(tài)下進(jìn)行的，因而避免了相同氣相的相互作用而污染。其次，在真空條件下，碳具有很強(qiáng)的脫氧能力，其脫氧產(chǎn)物CO不斷被抽至系統(tǒng)之外，克服了采用金屬脫氧劑脫氧的污染問(wèn)題。
真空感應(yīng)熔煉爐工藝可精確地控制合金的化學(xué)成分，對(duì)于含有和氧、氮親和力強(qiáng)的活性元素Al、Ti、B、Zr等，可控制在很少的范圍內(nèi)對(duì)低熔點(diǎn)易揮發(fā)的金屬雜質(zhì)，如Pb、Bi、Sn、Sb等能蒸發(fā)去除，這對(duì)提高材料性能起到重要作用。強(qiáng)烈的感應(yīng)攪拌作用，能加速其反應(yīng)速度，這對(duì)于熔池溫度均勻、化學(xué)成分均勻等方面很有效果。
真空感應(yīng)熔煉工藝能得到迅速發(fā)展，和航空航天工業(yè)所需高溫合金材料有密切關(guān)系，如宇航、導(dǎo)彈、火箭、原子能等設(shè)備所需的高溫合金。在未采用真空熔煉方法生產(chǎn)的高溫合金，其最高工作溫度一般只有750~810℃;而采用真空熔煉方法生產(chǎn)的高溫合金，其最高工作溫度可達(dá)到980~1090℃的水平。這主要是由于采用真空感應(yīng)熔煉爐熔煉的鎳基、鐵基、鈷基高溫合金時(shí)，降低了間隙元素O2、N2、H2，能徹底清除非金屬夾雜物，以及去除低熔點(diǎn)有害金屬雜質(zhì)，如Pb、Bi、Sb、Cu、Sn、Te等。
真空感應(yīng)熔煉爐的設(shè)備主要由爐殼、感應(yīng)器、坩堝、傾爐機(jī)構(gòu)、錠模機(jī)構(gòu)、供電裝置，以及水冷系統(tǒng)等組成。爐殼上附設(shè)有觀察、測(cè)溫、加料、取樣、搗料等裝置。爐體外配備有真空系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。
真空感應(yīng)熔煉爐有間歇式和半連續(xù)式兩種，可做成立式或臥式。
真空感應(yīng)熔煉爐在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上需考慮的重要問(wèn)題是避免真空放電，為此，對(duì)于爐殼內(nèi)的所有帶電體都需要經(jīng)過(guò)絕緣處理，并且感應(yīng)器在結(jié)構(gòu)上應(yīng)沒有尖角、毛刺和銳棱。
綜上所述，真空感應(yīng)熔煉爐具有如下特點(diǎn)：
1、在真空狀態(tài)下，能夠熔煉一些貴重的活潑金屬，如鈦合金等。
2、在真空狀態(tài)下，能夠杜絕被熔煉金屬和合金，與非金屬夾雜物產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。
3、在真空狀態(tài)下，能夠清除液態(tài)熔融金屬中的有害可溶氣體和污染物。
從產(chǎn)品應(yīng)用上看，主要用于生產(chǎn)宇航、導(dǎo)彈、火箭、原子能和電子工業(yè)所需的高溫合金、超高強(qiáng)度鋼、不銹鋼，以及其他特殊用途的合金。
