常见的5种镍基合金熔炼设备简介

发布时间：2026年06月01日

确定镍基合金的化学成分后，就需要将各种原材料通过熔炼工艺冶炼成所需成分的母合金锭。为了提高镍基合金的质量，必须严格控制化学成分，从源头上提高其纯净度，而这些主要取决于熔炼工艺。感应电炉、真空自耗炉、电渣重熔炉、等离子熔炼炉、电子束重熔炉是镍基合金最为常用的熔炼设备。

一、感应电炉

感应电炉熔炼是电炉熔炼领域的一种重要方法。近年来电弧炉熔炼技术不断进步，特别是炉外精炼技术的发展，扩大了电弧炉熔炼的品种范围，产品质量提高，但是它还难以完全替代其他电炉熔炼方法。基于感应电炉熔炼的特点，某些质量要求高、批量小的镍基合金，仍然是用感应电炉来熔炼的。特别是对于含有Al、Ti等活泼元素较多的合金，必须采用真空感应电炉熔炼。

感应电炉对原材料的要求较严格，要进行化学成分分析。金属和重金属有害杂质要尽量少;气体含量要低;原材料表面要干净无锈并保持干燥;块度要适中。另外，感应电炉坩埚的使用寿命较低，熔炼时耐火材料消耗大。与MgO和Al2O3坩埚相比，CaO坩埚具有更高的化学稳定性，可减少耐火材料与合金液中活性元素的反应而进入合金液中的,容易熔炼出超纯净的镍基合金。

二、电渣重熔炉渣重熔炉

电渣重熔是20世纪50年代在电渣焊基础上发展起来的，作为一种新的冶炼方法，在20世纪60年代得到了飞速发展。电渣熔炼实质上是一种无电弧自耗熔炼法，它的热量来自于熔渣的电阻热。电渣重熔是将化学精炼和控制凝固结合起来生产高质量铸锭，与真空自耗电弧炉相比，它不需真空抽气系统，多采用交流电源，故设备简单，容易操作，而且铸锭内部组织均匀致密，表面质量良好。

电渣重熔炉结构：

电渣重熔炉类型很多，结构也多种多样。按电源可分为直流电渣炉和交流电渣炉两种，在工业生产中大量采用的是交流电源供电。

与真空自耗电弧炉相比，电渣炉的设备较为简单，主要由以下几部分组成：电源变压器、短网、自耗电极、结晶器、底水箱、测量及控制系统、供水与除尘系统等，如图1所示。

图1电渣重熔炉结构

1-自耗电极；2-渣池；3-金属熔滴；4-金属熔池；

5-渣壳；6-金属锭；7-结晶器；8-底水箱；

9-电源变压器；10-短网

三、真空自耗炉

真空电弧炉可创造一种低氧势、高温的熔炼条件，可有效降低镍及其合金中易氧化元素的烧损。真空电弧炉分自耗和非自耗两大类。自耗电弧炉是将被熔炼的金属做成电极，在燃弧过程中，电极以一定速率熔化并得到精炼，所以这种类型的电弧炉称为自耗电弧炉。

真空自耗电弧炉结构：

传统的真空自耗电弧炉结构包括炉体、主电源、真空系统、水冷系统、自动控制系统等，如图2所示。将待熔金属制成自耗电极，在真空条件下(10⁻²~10⁻¹Pa),利用直流电弧作热源，将自耗电极逐渐消熔，熔化的金属液滴入水冷铜结晶区内再凝固成锭，熔滴在高真空下通过5000K的电弧区得到精炼。熔滴金属在结晶器内汇聚成熔池，继续获得真空精炼，同时受水冷铜结晶器强制冷却作用，铸锭顺序凝固，改善铸锭的结晶结构，所以真空电弧重熔是将提纯净化和改善铸锭组织集中在一道工序解决的熔炼方法。

图2真空自耗电弧炉示意图

1-电动机驱动机构；2-X-Y调整装置3-直流电源；4-电缆

5-电极杆；6-重量传感器；7-炉室；8-观察系统；9-自耗电极

10-水冷铜坩埚；11-炉架；12-真空管道；13-铸锭

四、等离子熔炼炉

等离子体熔炼就是利用等离子弧作为热源来熔化、精炼和重熔金属的一种新型熔炼方法。等离子体是一种强有力的高温热源，于20世纪60年代初应用到冶金工业方面，它是继电渣重熔法之后的一种冶金处理方法，主要用于金属材料的精炼以及高纯度和某些特殊性能钢与合金的熔炼，尤其是高温合金和精密合金，它具有如下优点：

1)熔化速度快，热效率高。例如一座炉容量为2t的等离子电弧炉与同容量的三相电弧炉相比，其生产率高30%～40%,而电能消耗仅为同容量电弧炉的75%左右。

2)能充分去除气体和非金属夹杂物。在等离子电弧的高温和等离子流的喷射作用下，金属材料中的气体和非金属夹杂物能充分去除。

3)合金元素烧损小。由于等离子弧的温度高、熔化速度快，加之熔炼时有惰性气体保护，几乎可以较完全地吸收合金添加物。如易挥发元素Mn的收得率可达到96%以上。

4)工作电流、电压稳定。与普通电弧炉和真空电弧炉相比，等离子电弧炉的工作电流与电压更为稳定。

5)可在不同的气氛、压力下工作。等离子熔炼时，根据不同工艺要求，炉内可选用不同压力以及不同的气氛(如还原性、惰性等)。

6)可造渣精炼。等离子炉不仅可熔炼精料还可熔炼粗料，甚至S含量较高的炉料。以石灰和萤石作为渣料来熔炼合金，可取得较好的脱硫效果。

7)合金元素蒸发量小。等离子熔炼与其他几种熔炼方法(如真空电弧熔炼、真空感应熔炼以及电子束熔炼等)不同之处是在熔池上方有气氛压力，因而金属元素蒸发量较小。

等离子熔炼炉的结构：

按加热方式的不同，等离子熔炼炉可分为等离子电弧炉、等离子感应电炉和等离子电子束熔炼炉三种类型。下面主要介绍应用较多的等离子电弧炉和等离子感应电炉。

图3等离子电弧炉

1-等离子枪；2-炉盖；3-辅助阳极；4-出钢槽；

5-电磁搅拌器；6-耐火材料；7-炉底阳极；8-熔渣；

9-金属液；10-炉门；11-等离子弧；12-铈钨阴极

图3为等离子电弧炉，它的外形与普通电弧炉相似，由炉盖、炉门、出钢槽、电磁搅拌设备、等离子喷枪和炉底阳极等主要部分组成。为避免炉气污染，等离子电弧炉也可做成密封式。以上两种炉型的喷枪均由水冷钨喷嘴以及水冷钨钨极(或钛钨极)组成。喷嘴与钨钨阴极之间绝缘并且通氯气。氩气从喷枪上部经喷枪套管注入炉内，然后电离成等离子体。炉体由耐火材料砌成，在炉底中心部位埋有一根石墨棒(或钢-铜质水冷棒)作为炉底阳极，通电时炉底阳极与直流电源的正极连接。等离子弧的弧温高，热量比较集中，但这种电弧引起的熔池搅拌微弱，很容易引起熔池内的金属局部过热，在炉底有时会出现未熔化的块料。为了充分搅拌金属液、使熔池的温度和化学成分均匀，通常在炉底的耐火材料外层安装两个水冷铜管线圈，工作电流通过线圈时产生磁场，此磁场与熔池的电流相互作用引发熔池中的金属液对流。

等离子感应熔炼法是近年发展的一种十分有竞争力的特种熔炼方法，等离子感应电炉是由感应电炉和等离子弧喷枪联合组成的一种新型熔炼设备。由于在感应电炉中增加了一个等离子热源，提高了炉子的热效率和熔化速度，同时还可进行有渣熔炼，渣池温度可达到1850℃左右。此高温热源的存在克服了非真空感应电炉内熔渣温度低、反应能力差的缺点。

五、电子束重熔炉

电子束重熔法是一种在高真空度条件下(0.133～0.00133Pa),利用阴极电子枪发射出的高速电子束来轰击阳极(被精炼的料棒和金属熔池),将电子束的动能在阳极转换成热能，从而熔化金属的熔炼方法。由于电子束重熔法是在高真空和高温的条件下净化精炼合金，与其他特种熔炼方法相比，有以下特点：

1)它比真空感应电炉、真空电弧炉的真空度要高。因此金属中的气体、非金属夹杂以及某些有害元素的去除要完全和彻底得多，净化精炼反应的速率也较其他真空炉要高。

2)重熔过程中能对熔化炉料的功率和加热熔池的功率分别调节，当熔化速率改变时，仍可保持熔池所需的温度，因而可在较大范围内调整金属炉料的熔化速率。

3)射到阳极上的电子束释放出的能量很高，金属熔池的温度可达到1850℃,这不仅有利于重熔过程中精炼反应的进行，并且可用于熔炼高熔点金属。

4)可通过控制电子束来控制熔池的加热部位，从而保证熔池温度分布均匀。可得到表面质量高、组织优良的金属锭。

5)电子束重熔对炉料的形状要求低，不仅能熔化棒状炉料，还可熔化块料、料屑和粉末炉料。

电子束重熔炉结构：

电子束重熔炉由炉体、真空系统和电气系统等三部分组成。炉体的核心部位是电子枪，除此之外，还有真空室外壳、水冷结晶器、送料装置和拖锭机构，如图4所示。