[0001] 本发明属涉及真空感应特种冶炼与铸造技术领域，尤其涉及一种提高真空感应熔炼低沸点金属收得率的装置及方法。

[0002] 真空感应炉是一种在真空环境下利用电磁感应在金属炉料导体内产生涡流加热进行熔炼的冶金设备。真空感应炉熔炼可以严格控制合金中铝、钛等活泼金属元素含量，降低合金中氢、氧、氮等气体元素含量，精准控制合金元素成分范围，合金纯净度高，广泛应用于镍基高温合金、超高强度钢、超纯铁素体不锈钢、高纯金属等高端材料的冶炼制备过程。

[0003] 在真空感应熔炼时，需要根据所炼钢种的目标成分进行合金化处理。对于稳定合金元素，是在熔炼前冷态与基体金属原料一同加入熔炼坩埚内升温熔炼，对于铝、钛等易氧化元素，是在精炼后的合金化阶段加入，且往往提前通入氩气等惰性气体提高元素收得率。

[0004] 但是，对于低沸点合金元素，如金属铋，当金属熔池的温度高于此类元素的沸点时，其加入钢中后会快速气化逸出，特别是在真空的冶炼环境下，元素收得率极低且非常不稳定。然而，低沸点合金元素铋可以减少钢的晶界能和晶界面张力，促进细化晶粒，提高钢的抗氧化和抗腐蚀能力，改善钢的加工可塑性，在易切削钢及取向硅钢中具有重要作用。

[0035] 下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明的一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

[0036] 本发明提供了一种提高真空感应熔炼低沸点金属收得率的装置，该装置为加料装置，用于对真空感应炉添加包括铋、镱、铕的低沸点金属物料；如图1所示，该加料装置包括真空加料室4、金属加料盒1和加料传动机构2；真空加料室4设于真空感应炉的炉盖5上方且两者能够连通或阻隔；加料传动机构2固定于真空加料室4上，金属加料盒1设于真空加料室4内且与加料传动机构2连接；金属加料盒1的材质与真空感应炉内冶炼品种基体元素相同，金属加料盒1用于盛装低沸点金属料及降低熔池温度；当添加低沸点金属物料时，真空加料室4与真空感应炉处于连通状态，加料传动机构2能够带动金属加料盒1及其内的低沸点金属由真空加料室4进入真空感应炉内进行熔炼。

[0037] 具体地，本发明的加料装置主要针对10‑200kg真空感应炉(ZLG型)熔炼含低沸点金属元素钢锭设计的，用于真空冶炼条件下提高钢中低沸点金属元素收得率。该加料装置包括真空加料室4，真空加料室4为设于真空感应炉的炉盖5上方的真空舱室，真空加料室4与真空感应炉为连通状态或阻隔状态；真空加料室4内的真空度与真空感应炉内的真空度相等；真空加料室4通过法兰片与真空管感应炉的炉盖5紧固连接，炉盖5上设有开孔，用于连通真空加料室4；在冶炼前和冶炼过程中，真空加料室4起到提供固定安装和拆卸金属加料盒1的空间的作用。

[0038] 需要强调的是，本发明的金属加料盒1为材质与真空感应炉内冶炼品种基体元素相同的高纯金属，金属加料盒1不仅用于盛装低沸点金属料，还能够起到在加料过程中降低金属熔池温度以提高低沸点金属元素收得率的作用；当添加低沸点金属物料时，真空加料室4与真空感应炉处于连通状态，此时，加料传动机构2用于带动金属加料盒1及其内的低沸点金属由真空加料室4进入真空感应炉内的熔炼坩埚7中，当完全浸没于高温金属熔池中后进行熔炼。

[0039] 需要强调的是，本发明的金属加料盒1加入高温金属熔池所带来的温降可由物料平衡和热平衡计算得到，即如下式所示，

[0040] m1×C1×(T1‑T2)＝m2×[C2×(T3‑T4)+ΔH+C1(T2‑T3)]      (1)

[0041] 在上式(1)中，m1和m2分别为坩埚内钢液和金属加料盒1自身的质量，kg；C1和C2分别为钢液和固态金属加料盒1的比热容，kJ/(kg·℃)；T1、T2、T3、T4分别为坩埚内钢液温度、加入金属加料盒1后钢液温度、金属加料盒1熔点和室温，℃；△H为金属加料盒1的熔化潜热，kJ/kg。以熔炼铁基材料为例，金属加料盒1带入的纯铁重量与装炉量的占比每增加1％，金属熔池温度降低30～32℃。

[0042] 与现有技术相比，本发明通过利用加料传动机构2将金属加料盒1由真空加料室4送入真空感应炉中，并通过使用与冶炼材料基体元素相同的金属加料盒1，在加料过程中可利用金属加料盒1自身熔化吸热降低所加入低沸点金属料所在区域金属熔池温度，有利于低沸点金属料稳定加入到金属熔池中，减少了低沸点金属料的损耗，使得低沸点金属元素在钢中的收得率可提高至80％以上，有利于含铋、镱、铕等低沸点元素钢种的开发，改善钢的抗氧化、抗腐蚀的性能，同时使得低沸点金属元素特别是低沸点稀土元素镱、铕在钢中的合金化利用率得到提升。

[0043] 还需要强调的是，利用本发明的金属加料盒1和加料传动机构2，本发明加料装置可实现真空冶炼合金化期二次加料功能，且可完成真空条件下多次连续加料操作。

[0044] 为了连通或阻隔真空加料室4与真空感应炉，本发明的真空感应炉的炉盖5设有插板阀6；插板阀6能够起到阻隔或连通真空感应炉炉体与真空加料室4的作用。

[0045] 具体地，本发明的真空感应炉包括炉体和炉盖5，炉盖5上设有插板阀6，炉体内设有熔炼坩埚7，熔炼坩埚7为真空感应炉熔炼钢液的耐高温抗震容器；插板阀6通过气动驱动，插板阀6的形状为圆形，其材质采用耐高温的不锈钢材质；当合金化期需要添加低沸点金属时，打开插板阀6，使真空加料室4与真空感应炉处于连通状态，此时，利用加料传动机构2将金属加料盒1和其内的低沸点物料向下移动直至将其送入熔炼坩埚7的高温金属熔池中，然后将加料传动机构2向上提升，直至上升至真空加料室4，此时，关闭插板阀6，使真空加料室4与真空感应炉处于阻隔状态，低沸点金属加料结束，整个加料过程中，插板阀6起到阻隔或连通真空感应炉炉体和真空加料室4的作用。

[0046] 需要指出的是，本发明的金属加料盒1包括盒体11、独立盒盖12和金属连接件；其中，独立盒盖12能够盖在盒体11上，金属连接件的一端与盒体11固定连接，另一端与加料传动机构2连接。

[0047] 当合金化期需要添加低沸点金属时，为了保证金属加料盒1进入熔炼坩埚7中的高温金属熔池中，本发明的金属连接件包括金属丝13和悬挂圆环14；金属丝13的一端与盒体11连接，另一端与悬挂圆环14连接；悬挂圆环14与加料传动机构2连接。需要指的是，金属丝
13的数量与悬挂圆环14的数量相等。

[0048] 具体地，金属加料盒1包括盒体11、独立盒盖12、金属丝13和悬挂圆环14，其中，盒体11为圆筒形且顶部边缘对称焊有多个同材质且上端为悬挂圆环14的金属丝13，金属丝13的数量与悬挂圆环14的数量相等；例如，金属丝13的数量为两根，悬挂圆环14的数量为两个，两个悬挂圆环14分别设于金属丝13的上端，金属丝13的下端与盒体11焊接。金属加料盒1顶部设有入料口，低沸点金属料由该入料口装入盒体11内，然后，盖上与盒体11内径相同的同材质独立盒盖12。当金属加料盒1的盒体11完全进入高温金属熔池后，金属加料盒1的上端的金属丝13会被熔断，反向转动手轮22，将滚动丝杠21向上提回至真空加料室4。

[0049] 需要说明的是，本发明的金属加料盒1的圆筒形盒体11的壁厚为2～6mm，盒体11的厚度与独立盒盖12的厚度相等，且均等于盒底厚度的2倍，盒体11高度为100～200mm，盒体11筒壁两侧的金属丝13长度为100mm，金属丝13直径为2mm，金属丝13上端的悬挂圆环14的直径为3mm。

[0050] 与现有技术相比，本发明的金属加料盒1不仅能够用于盛装低沸点金属料，并且在加料过程中自身能够熔化吸热降低金属熔池局部温度。本发明将金属加料盒1的尺寸控制在上述范围内，能够将熔池温度降低在合理范围内，避免因为降低熔池温度而影响钢水冶炼。

[0051] 为了将金属加料盒1及其内的低沸点金属加入至真空感应炉中的熔炼坩埚7中，本发明的加料传动机构2包括手轮22和滚动丝杠21；其中，手轮22固定于真空加料室4的顶部，手轮22与滚动丝杠21固定连接，滚动丝杠21一端贯穿真空加料室4，另一端设于真空加料室4外；滚动丝杠21贯穿真空加料室4的一端的端部与金属加料盒1固定连接；通过转动所述手轮22，滚动丝杠21能够带动金属加料盒1及其内的低沸点金属上下移动。

[0052] 具体地，加料传动机构2包括滚动丝杠21和手轮22，真空感应炉内设有熔炼坩埚7，加料传动机构2的滚动丝杠21轴线与真空感应炉熔炼时摆正的熔炼坩埚7中心线重合，以保证合金化期二次加料时，加料传动机构2能够准确地将金属加料盒1加入至高温液态金属熔池中，即通过手轮22操作滚珠丝杠向下移动，滚珠丝杠带动金属加料盒1及其内的低沸点金属穿过插板阀6、真空感应炉的炉盖5上的开孔进入真空感应炉内，直至金属加料盒1及其内的低沸点金属进入熔炼坩埚7内的钢液中。当下方金属加料盒1的盒体11完全进入高温液态金属熔池后停止转动手轮22，金属加料盒1两侧固定的金属丝13熔断，反向转动手轮22，滚动丝杠21带动悬挂圆环14及熔断剩余的金属丝13向上移动，由真空感应炉向上移动至真空加料室4，然后关闭插板阀6，完成低沸点金属的加料。

[0053] 与现有技术相比，本发明通过设置手轮22和滚动丝杠21，能够实现金属加料盒1的上、下移动，进而实现真空冶炼合金化期二次加料功能，且可完成真空下多次连续加料操作。

[0054] 为了实现滚动丝杠21与金属加料盒1的连接，本发明的滚珠丝杠贯穿真空加料室4的一端的端部设有一组通孔23，通孔23内设有固定螺纹连接件3，固定螺纹连接件3用于与金属加料盒1的悬挂圆环14连接。其中，固定螺纹连接件3包括固定螺栓和螺母，固定螺栓穿过金属加料盒1的一组悬挂圆环14与一组通孔23，两个悬挂圆环14设于固定螺栓的两端，并通过安装螺母进行紧固。

[0055] 与现有技术相比，本发明利用固定螺纹连接件3，能够实现金属加料盒1与滚动丝杠21的连接，其结构简单，操作简便。另外，利用金属丝13与悬挂圆环14连接，悬挂圆环14通过螺栓和螺母与滚动丝杠21连接，金属丝13熔断后，拧开螺母，方便拆卸熔断剩余的金属丝13和悬挂圆环14，从而更换新的金属加料盒1。

[0056] 综上，本发明提供的提高真空感应熔炼低沸点金属收得率的装置实现了真空感应熔炼过程中低沸点合金元素稳定合金化的效果，为含铋易切削钢、取向硅钢的材料的高效稳定制备与研发提供了必要条件。

[0057] 另一方面，本发明还提供了一种提高真空感应熔炼低沸点金属收得率的方法，采用上述的提高真空感应熔炼低沸点金属收得率的装置，该方法包括以下步骤：

[0058] 步骤1、将低沸点金属装入金属加料盒1，然后将金属加料盒1固定于加料传动机构2的底端；

[0059] 在上述步骤1中，将低沸点金属料装入圆筒形的金属加料盒1的盒体11底部，盖上独立盒盖12，在真空加料室4内部利用固定螺纹连接件3将金属加料盒1固定在加料传动机构2下端，关闭真空加料室4的舱门。

[0060] 在上述步骤1中，利用固定螺纹连接件3中的螺栓和螺母将悬挂圆环14固定滚动丝杠21底端的通孔23处，两个悬挂圆环14分别处于螺栓的两端部，完成将金属加料盒1固定在加料传动机构2的下端。

[0061] 步骤2、冶炼合金化期，将所述真空加料室4与所述真空感应炉处于连通状态，利用加料传动机构2将金属加料盒1及其内的低沸点金属下放送入真空冶炼炉的熔炼坩埚7中；

[0062] 上述步骤2包括以下子步骤：

[0063] 步骤21、将其他需在合金化期加入的金属料装入真空感应炉的炉盖5内部加料盒中，并将表面洁净的钢铁料装入真空感应炉熔炼坩埚7内部；

[0064] 步骤22、对真空感应炉及真空加料室4抽真空；

[0065] 关闭真空感应炉炉盖5和关闭炉盖5顶部的插板阀6，打开真空感应炉炉体抽气阀门及真空加料室4独立的抽气阀门，依次打开真空感应炉上的多级真空系统，使炉内和真空加料室4内的真空度均小于10Pa。

[0066] 步骤23、打开真空感应炉电源并逐步提高输入电功率，对炉内熔炼坩埚7内的金属料进行真空加热升温熔化，金属料全部熔化后进入精炼期，精炼期保持20～30min以提高钢液纯净度；

[0067] 步骤24、精炼期结束进入熔炼合金化期，打开插板阀6，充入一定压力的惰性保护气体，将炉盖5内部加料盒内的金属料依据自身特性及熔炼需求依次加入熔炼坩埚7内；

[0068] 步骤25、根据低沸点金属的沸点温度以及经计算得到的金属加料盒1带入引起的钢液温降，借助炉盖5上方双比色测温仪对钢液温度实时监测，改变输入电功率调整金属熔池温度，以使加入含低沸点金属料的金属加料盒1后熔池温度低于低沸点金属的沸点温度；

[0069] 步骤26、向真空感应炉内添加低沸点金属；

[0070] 通过炉盖5上方窥视孔观察，同时转动手轮22使加料传动机构2缓慢向下移动，当下方金属加料盒1盒体11完全进入高温液态金属熔池停止转动手轮22，金属加料盒1上端金属丝13熔断，反向转动手轮22将加料传动机构2上提回真空加料室4，关闭插板阀6；

[0071] 步骤3、当所述金属加料盒1完全进入高温液态金属熔池后，向上提拉加料传动机构2至真空加料室4，将所述真空加料室4与所述真空感应炉处于阻隔状态，完成低沸点金属的加料；

[0072] 步骤4、对含低沸点金属元素钢种进行真空感应熔炼。

[0073] 调整输入电功率，钢液温度达到出钢温度，缓慢倾动炉内熔炼坩埚7将钢液浇铸成锭，真空下保持30min，打开炉体放气阀破空，取出锭模继续冷却并完成脱模操作，至此完成含低沸点金属元素钢种的真空感应熔炼。

[0074] 与现有技术相比，本发明采用与冶炼材料基体元素相同的金属加料盒1，利用加料传动机构2将金属加料盒1及其内的低沸点金属送入真空感应炉内，金属加料盒1利用其自身熔化吸热降低所加入低沸点金属料所在区域金属熔池温度，有利于低沸点金属料稳定加入到金属熔池中，减少了低沸点金属料的损耗。

[0075] 还需要强调的是，通过本发明的上述加料方法，不仅能够实现低沸点金属元素在真空感应熔炼钢液的过程中稳定加入，也能够通过开关插板阀6并控制真空加料室4的真空状态，在冶炼过程中实现其他合金料的二次补加。

[0076] 实施例1

[0077] 本实施例用于ZGL型50kg真空感应炉上冶炼含铋取向硅钢(钢中Bi含量范围为0.003～0.005wt.％)并完成真空浇铸操作实施例，采用上述的提高真空感应熔炼低沸点金属收得率的装置和方法，包括如下步骤：

[0078] 步骤1、将按照目标成分上限计算的20g高纯低沸点金属铋装入至纯铁质金属加料盒1的盒体11底部，盖上独立纯铁质独立盒盖12，其中，金属加料盒1的盒体11内径为50mm，壁厚3mm，底厚1.5mm，高100mm，独立盒盖12直径为50mm，厚2mm，金属丝13直径2mm，长100mm，金属加料盒总重量约400g；

[0079] 步骤2、转动加料传动机构2的手轮22使得其底端进入到真空加料室4的中上部位置，手动利用固定螺纹连接件3将金属加料盒1的悬挂圆环14安装固定于加料传动机构2的滚动丝杠的底端，关闭真空加料室4的舱门；

[0080] 步骤3、将计算好加入量的工业纯铁、碳粒、电解锰、高纯硅、金属锡、金属铜的原料装入真空感应炉熔炼坩埚内部，将计算好加入量的需在冶炼合金化阶段加入的铝粒原料装入真空感应炉顶部料盒内部，全部炉料总重40kg；

[0081] 步骤4、关闭真空感应炉的炉盖5，同时关闭炉盖顶部插板阀6，打开真空感应炉炉体粗抽阀门及真空加料室4独立的抽气阀门，打开机械泵抽空至低于600Pa后打开罗茨泵，进一步使得炉体内部和真空加料室4内部的真空度均小于1Pa；

[0082] 步骤5、打开电源开始通电，真空感应炉电功率由起初的20kW逐步提升至75kW，对真空感应炉熔炼坩埚7内的原料进行感应加热，熔化期冶炼开始，使得金属原料逐渐熔化，熔化期总用时为1.25h；

[0083] 步骤6、熔化期结束，精炼期冶炼开始，适当降低电功率，精炼期电功率保持在60±5kW，根据真空感应炉炉盖5窥视孔上方的双比色测温仪对钢液温度实时监测结果，动态调整电功率以维持精炼期钢液温度维持在1590±10℃，为保证钢液内部元素扩散以及脱气反应充分发生，精炼期总用时为0.5h；

[0084] 步骤7、精炼期结束，合金化期冶炼开始，降低电功率至50kW，降温是温度达到含铋取向硅钢液相线温度以上60±10℃并保温，打开插板阀6，充入0.02MPa的氩气作为保护气体，将真空感应炉顶部料盒内部的铝粒加入至熔炼坩埚7内部的钢液中，保温5min；

[0085] 步骤8、通过真空感应炉炉盖5上方窥视孔观察，手动转动加料传动机构2的手轮22使得滚动丝杠21带动金属加料盒1向下移动，穿过插板阀6开口并进一步使金属加料盒1完全进入熔炼坩埚7的钢液中，金属加料盒1上端金属丝13熔断，方向转动手轮22将加料传动机构2提升至真空加料室4，关闭插板阀6，低沸点金属铋加料结束；

[0086] 步骤9、调整输入电功率，钢液温度达到含铋取向硅钢液相线温度以上40±10℃，即1530～1550℃，缓慢倾动炉内熔炼坩埚7将钢液浇铸成锭，在真空充氩条件下保持0.5h，打开炉体放气阀破空，利用天车取出锭模继续室温冷却2h，后完成脱模操作，此时真空感应炉冶炼40kg含铋取向硅钢铸锭工作全部结束。

[0087] 对按照以上步骤冶炼的五炉含铋取向硅钢铸锭取屑检测Bi元素化学成分，得到钢中Bi含量为0.0042±0.0003wt.％，低沸点金属铋收得率为84％±6％。相比于未采用本发明中提高真空感应熔炼低沸点金属收得率的装置及使用方法冶炼的含铋取向硅钢，本发明的低沸点金属铋的收得率提高了8倍以上，且元素控制更为稳定。

[0088] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。