金属材料制备实验

一、实验目的和要求

1.了解真空感应悬浮熔炼的基本原理；

2.掌握真空感应悬浮熔炼的操作方法；

二、实验内容和原理

（一）实验内容

用真空感应悬浮炉熔炼钢、硅

（二）实验原理

1.真空感应悬浮熔炼的坩埚用紫铜制成，坩埚本体切成若干瓣。熔炼金属时，

加高频磁场，使坩埚中的金属块料产生涡流，从而发热熔化。坩埚体上所开的缝隙有助于减少坩埚壁对高频电磁场的屏蔽，从而使较多的功率达到料块上。

2.料块产生涡流的同时，坩埚壁也产生涡流。任一瞬间，坩埚壁各瓣片的涡流

与料块涡流的旋向相同。但是料块外侧靠近坩埚壁的地方其涡流的指向与坩埚瓣片内壁上的涡流的指向相反（如下图）。于是，料块和坩埚壁之间产生一个斥力，当料块熔成液体后，这个斥力把熔体推到坩埚中部，而底部的推迟力则把熔体托离底部，从而使熔体悬浮在坩埚中。对于具体材料，选择合适的频率和功率的高频电磁场就能在坩埚中形成一个不与坩埚接触的下大上小的液滴。

三、主要仪器设备和试样

真空感应悬浮炉、抽气泵、储气罐、储压计；钢、纯硅

四、操作方法与实验步骤

1.坩埚中加入试样钢、硅，臵于真空感应悬浮炉中，开启真空感应悬浮炉、风

扇、抽气泵；

2.待硅熔化完后，关闭真空感应悬浮炉等待降温；

3.冷却后，关闭风扇、抽气泵，再次加入适量硅，并开启真空感应悬浮炉、风

扇、抽气泵；

4.待试样全部熔化后，冷却；

5.在真空感应悬浮炉上添加带有玻璃管的储压计，并做好密封；

6.开启真空感应悬浮炉、抽气泵，使储压计压力降到-1个大气压；

7.通入少量氩气使储压计压力略微上升；

8.待试样彻底熔化后，开启真空感应悬浮炉与储压计之间的阀门，使熔液进入

玻璃管；

9.关闭真空感应悬浮炉，等待试样冷却；

五、关于悬浮熔炼

（一）悬浮熔炼的优越性

1.坩埚对熔体无沾污，容易得到纯净的合金。可以熔炼诸如钛、稀土等化学活

性高容易咬蚀炉衬耐火材料的金属材料。

2.熔融金属与坩埚间的热传导减至最小，熔体具有比较均匀的温度，可以在比

较小的过热度下熔融。从而减小了组分的挥发，可以制得成分比较准确的合金。

3.熔体呈通体熔融状态，再加上强烈的电磁搅拌及热搅拌，熔体的成分十分均

匀。

4.坩埚寿命长，正确使用时，坩埚可反复使用1000次以上。

（二）悬浮熔炼工艺

1.装料原则：原料以片状为好,放臵时应使片横放,以便高频磁场尽可能大的涡

流。对粉状原料,应预先将其压制成块,以免粉料从缝隙漏出坩埚之外。对丝状原料,一定要横放,不可竖放,特别是熔点高的材料,竖放很难熔化。

2.送电工艺：开始加小功率,一般为6到7 千瓦,待炉料发红,加大功率至炉料

熔化,并保持功率2分钟左右,使金属液成分均匀。

（三）悬浮熔炼注意事项

1.严禁在坩埚没有通冷却水情况下对坩埚通电加热,这时坩埚极易烧毁。

2.每次熔炼后,应将缝隙中的金属碎屑清理干净,这样,下次熔炼时一则可避免

污染熔料,二则可避免碎屑发热烧伤瓣片。

六、实验结果分析与讨论

1.储压计内的压力要处于一个合适的值，既要能够与熔体处的压强形成一定的

压力差使熔体进入玻璃管冷却，又不能过高导致熔体升得过高损坏储压计，所以可通入氩气等惰性气体来调节到一个合适的压强。

2.制得的样品可通过直接在地板上施加力敲断，断裂为脆性断裂，断口平齐而

光亮，呈放射状。另外，样品表面有凹坑、划痕，可能与成分不均、玻璃管有较多缺陷有关。

3.实验时，先观察到钢熔化，发出明亮的黄光，硅处于钢熔体上部，一段时间

后，硅才熔化。钢的熔化是通过真空悬浮炉直接加热促成的，而硅的熔化依赖于钢。

4.实验试样分两次加入。第一次加入可去除钢中的碳以及铁锈，碳以一氧化碳

的形式收集至储气罐中。

5.第一次加入试样的实验过程中容器内产生了略带绿色的附在壁上的物质，且

取出试样时有臭味，根据试样原成分推断可能是一氧化硅。而在第二次试样加入的实验过程中，则没有此现场产生，可能是因为成分的浓度不够，无法形成一氧化硅。

七、思考题

1.为什么真空感应悬浮炉熔炼合金液态金属能悬浮在空中而不与坩埚接触？

用坩埚熔炼合金时，采用高频感应加热，在高频磁场下，合金和坩埚产生涡流。对于坩埚壁内侧各瓣片的涡流和合金的涡流，方向刚好相反，于是相互间产生一个推迟力，这种推斥力把熔体托离底部并推向中部，达到悬浮的效果。

2.感应炉熔炼合金为什么金属液会沾污？

金属液中的碳会与炉衬的耐火材料中的二氧化硅反应，生成硅和二氧化碳。在感应炉中熔炼合金时，由于真空的反应条件，压力小，促进反应正向进行。于是金属液中碳含量降低而硅含量升高，即造成金属液被沾污的结果。