2.1感应炉工作原理及设备
2.1.1感应炉工作原理
各类感应炉，无论是有芯感应炉还是无芯感应炉，也不论工频、中频、还是高频，其基本电路都是由变额电源、电容器、感应线圈和坩埚中的金属炉料所组成(图2-1)。
图2-1 感应炉的基本电路
（1）感应加热原理
感应加热的原理是依据下述两则电学的基本定律：一是法拉第电磁感应定律
E=B·L·v·sin∠（v·B） (2-1)
式中：L—在磁场中导线的长度；
（v·B）—磁感应强度的方向与速度方向之间的夹角。
另一条基本定律是焦耳—楞茨定律。该定律又称为电流热效应原理。焦耳——楞茨定律可写成式(2-3)的形式：
Q = I 2 R t (2-2)
式中：Q—焦耳楞茨热，J； I—电流强度，A；
R—导体的电阻，Ω； t—导体通电的时同，s；
当一座无芯感应炉的感应线圈中通有频率为f的 交变电流时，则在感应圈所包围的空间和四周产生一个交变磁场，该交变磁场的极性，磁感应强度和交变的频率，随着产生该交变磁场的交变电流而变化。若感应线 圈内砌有坩埚并装满金属炉料，则交变磁场的一部分磁力线将穿过金属炉料，磁力线的交变就相当于金属炉料与磁力线之间产生的切割磁力线的相对运动。因此，在 金属炉料中将产生感应电动势(E)，其大小可用下式确定：
E = 4.44 Ф· f · n (2-3)
式中：Ф—感应线圈中交变磁场的磁通量，Wb；
f —交变电流的频率，Hz；
n— 炉料所形成回路的匝数，通常n=1；
由上式可知，若要使炉料中产生较大的感应电势，从理论上可以采用增加磁通量、频率以及匝数的方法，但是，由于感应线圈通电后所产生的磁力线被迫通过空气(指无芯感应炉)，而空气有很大的磁阻，所以就使磁通量较小，增加磁通量有困难, 而炉料的匝数一般来说总等于l，故为了提高感应电势, 多用增加频率的方法。
由于金属炉料本身形成一闭合回路t所以在金属炉料中产生的感应电流(I)为：
I =  A (2-4)
式中：R一金属炉料的有效电阻，Ω；
炉料的加热速率，取决于感应电流、炉料的有效电阻以及通电时间。而感应电流又取决于感应电动势的大小，即穿过炉料的磁通量的大小和交变电流的频率。而感应电流的大小取决于金属炉料料块的大小、炉料的导电性质以及装料的密实程度，不同炉料要求频率不同。
（2）电磁搅拌作用
当炉料中流过感应电流时，必然会受到电磁力的作用。使金属炉料产生定向运动；即“电磁搅拌”作用，它的有益作用如下：1）均匀金属液的温度。2）使金属液均质。3）改善了物化反应的动力学条件。
2.1.2感应炉工作设备
感应炉可以分为有芯和无芯两种，有芯感应炉在炼钢中极少应用，这里不作介绍。 对于无芯感应炉，通常按照电源频率可以将感应炉分为三种类型:工频炉（频率50或60Hz），直接通过变压器与电网相连，主要用于熔炼铸铁；高频炉（频率10KHz～300KHz），所用电源为高频电子管振荡器，主要用于小型试验室研究；中频炉（频率150Hz～10000Hz），所用电源为中频发电机组、三倍频器或可控硅静止变频器。
中频感应炉的成套设备包括：电源及电器控制部分、炉体部分、传动装置及水冷系统
2.2感应炉熔炼的特点
（1）电磁感应加热。由于加热方式不同，感应炉没有电弧加热所必须的石墨电极，也没有电弧下的局部过热区，从而杜绝了电极增碳的可能。感应炉可以熔炼电弧炉很难熔炼的含碳量极低的钢和合金，为获得气体含量低的产品创造了有利条件。
（2）熔池中存在着一定强度的电磁搅拌。电磁感应所导致的金属搅拌促进成分与温度均匀，钢中夹杂合并、长大和上浮。感应炉熔炼过程中合金元素的烧损少，所以预测成分较为准确，有利于成分控制和缩短熔炼时间。
（3）熔池的比表面积小。 这对减少金属熔池中易氧化元素的损失和减少吸气是有利的，所以感应炉为熔炼高合金钢和合金，特别是含钛、铝或硼等元素的品种，创造了较为良好的条件。但是容易形成流动性差，反应力低，不利于渣钢界面冶金反应的进行“冷渣”。为此，感应炉熔炼对原材料的要求较为严格。
（4）输入功率调节方便。 感应炉熔炼过程中，可方便地调节输入功率。 因此可以较精确地控制熔池温度，在炉内保温，还可以分几次出钢，为一炉熔炼几种不同成分的产品创造条件。
（5）同一电源可向几个不同容量的炉座供电(但是不能同时)，所以在冶炼的容量方面，感应炉的灵活性较电弧炉大。
（6）热效率高。 感应炉的加热方式以及比表面积小，散热少，故感应炉的热效率较电弧炉高。但是，感应炉的电效率较电弧炉低，所以两种电炉的总效率相差不多。
（7）烟尘少，对环境的污染小。 感应炉熔炼时，基本上无火焰，也无燃烧产物。
（8）耐火材料消耗较电弧炉高，坩埚寿命短。 对坩埚耐火材料的要求高，所以每吨钢的耐火材料费用也较电弧炉高。
2.3感应炉熔炼原理
2.3.1 元素的氧化与脱氧
氧在钢液中以两种状态存在。一种是溶解态的氧，以[O]表示，氧的溶解度随温度升高而增大。另一种是氧在钢液中以夹杂物形态存在，当钢液中存在脱氧元素时，溶解在钢液中的氧就会与之结合而生成氧化物夹杂。钢液中氧的来源主要有3个方面，熔炼和浇注过程大气中氧的侵入、原材料带入、耐火材料中的氧进入。
（1） 元素的脱氧能力
各种元素被氧化的难易程度称为元素的氧化度，也叫脱氧能力。是指在一定温度、压力下，与一定浓度的脱氧元素呈平衡状态的溶解在钢中的残余氧含量。这部分氧含量越低，则这种元素的脱氧能力越强。元素的脱氧反应通式为：
x[M]+y[O]=MxOy （2-5）
如果把金属氧化物看成不防于钢液的纯物质，且金属元素和氧硅钢液中含量较低时，有：
K =  （2-6）
式中 aMxOy—为脱氧元素脱氧得到得氧化物的活度；a[M] —为脱氧元素在钢中的活度；
a[O] —为氧在钢中的活度；
当脱氧产物为纯氧化物或呈饱和状态时，aMxOy =1，当fM=1，f0=1或fMx .f0y=常数时，则
K =  ； （2-7）
令KM=1/K，则KM=[%M]x.[%O]y； （2-8）
KM的大小可以用来判断元素的脱氧能力，KM越小，则元素的脱氧能力越强。图2-7和表2-8给出1600℃条件下铁液和镍液中元素的脱氧能力比较，一般1600℃条件下铁液中由强到弱的顺序为：Ba → Ca → Ce → La → Mg → Zr → Al → Ti → B → Si → Mn → W → Fe。
（2）元素的脱氧效果及其影响因素
1）元素对氧的亲和力。元素对氧的亲和力越强，脱氧能力就越大，对提高脱氧效果越有利。
2）脱氧元素的物理性能。脱氧元素的物理性能包括元素的熔点、比重、沸点（蒸气压）和元素在钢液中的溶解度等等
3）脱氧产物的物理特性。脱氧产物的熔点、比重和钢液的界面张力，与高熔点氧化物形成低熔点液态复合氧化物的能力，以及在钢液中的溶解度等物理特性，对脱氧的效果都有显著影响。
（3）脱氧元素和复合脱氧剂的特点
1）铝脱氧和铝、锰或铝、硅、锰同时脱氧，铝是与氧亲和力很强的脱氧剂其脱氧能力低于钙、镁、钡、稀土而高于硅、锰、钛等元素。
2）钙及钙合金脱氧的特点。钙是很强的脱氧剂，也是极强的脱硫元素。钙是很强的脱氧剂，也是极强的脱硫元素。但是，由于钙的沸点低（1484℃），在铁液中呈蒸气状态，使它的效果降低。另外，钙在铁液中的溶解度很低，影响了钙的脱氧脱硫效果，使钙的利用率也降低。
2.3.2 扩散脱氧和沉淀脱氧
（1） 扩散脱氧
1）扩散脱氧原理：能斯托分配定律，进行扩散脱氧时，能同时溶解于炉渣和钢液中氧，在温度一定时，存在以下平衡关系
(FeO)=Fe(l)+[O] （2-9）
此时，氧在炉渣与钢液间的浓度比值应等于常数，即
 （2-10）
2）影响扩散脱氧的因素
a 温度对扩散脱氧效果的影响。铁液中的最大饱和含氧量对温度的影响具有双重性，关系式如下：Log [%O]饱和 = -6320/T + 2.734 （2-11）
b 钢渣接触条件的影响。
c 炉渣成分的影响。
(2) 沉淀脱氧
1）沉淀脱氧的原理。沉淀脱氧是指向钢液中加入对氧亲合力大于铁的元素，以期与钢液中的溶解氧发生化合，形成不溶于钢液的氧化物，该氧化物借助于浮力自钢液中排出，从而使钢液的含氧量降低的方法。
2）沉淀脱氧剂的种类及使用范围：常用的沉淀脱氧剂，主要包括纯金属脱氧剂、镍基脱氧剂、铝基脱氧剂、硅锰基和硅钙基脱氧剂。从降低总氧量出发，使用含钙、钡、镁等强脱氧元素的复合脱氧剂，可以得到总氧量≤0.003%的钢液。不同脱氧剂的配合使用，才能得到纯净度很高的钢。
2.3.3 合金脱硫
实质：使溶解在铁液中的硫结合成某种高熔点化合物（如CaS、MgS、CeS等）或硫氧化物，这些硫化物在铁液中的溶解度比硫化铁在铁液中的溶解度小得多，从而保证硫自钢中排除或弥散分布于金属中。脱硫的主要方法有精炼剂脱硫和钢渣反应脱硫。
（1）精炼剂脱硫
精炼剂脱硫的基本原理是利用与硫亲和力大的物质与硫结合成硫化物。该硫化物不溶于铁液或在铁液中溶解度很小，密度小于合金液。各种元素与硫亲和力的大小可用各元素与1mol硫反应的标准自由能变化的大小来衡量。在同样温度下，若标准自由能数值越小，该元素与硫亲和力越大。各种元素与硫亲和力的大小按La、Ca、Ba、Mg、Mn、Fe的次序而递减。
(2) 钢渣反应脱硫
只有在碱性感应炉中才能进行钢渣之间的脱硫反应。脱硫过程可分为如下3个步骤：
1) 金属液中的硫离子扩散到钢渣界面，渣中的氧离子扩散到渣钢界面；
2) 在钢渣界面发生下列反应：[S]+(O2-)=(S2-)+[O] (2-12)
3) 生成的硫原子向渣中扩散，生成的氧原子向钢中扩散。由实践可知，决定脱硫反应速度的是硫离子在渣中的扩散。式2-12所示的平衡常数K是随温度变化的常数。通常用分配系数Ls表示炉渣的脱硫能力，即
 （2-13）
NO2- 代表了熔渣的碱度，碱度越高越有利于脱硫。但当碱度过高时，熔渣熔点、黏度都增高的情况下，脱硫速度受到限制，反而不利于脱硫。当金属熔池中氧含量较低时，渣中氧化铁含量也较低，这时有利于脱硫。实验发现在1600℃纯铁液中硫与氧平衡含量之间有以下关系：[S]/[O]= 4。增加温度有利于脱硫，提高温度不但使Ls增大，再且可以改善钢渣流动性。
2.3.4 非金属夹杂物的去除
钢中存在大量的非金属夹杂物能够破坏钢基体的连续性，使原子间的作用力减弱，起应力集中，促使裂纹形成。它们严重降 低钢的力学性能，尤其是降低钢的塑性和冲击韧性及疲劳性能，使合金的冷、热加工乃至某些物理性能变坏。这种影响不仅与它们的含量多少有关，还与形状和大小 有关。
合金中残留的氢和氮，除了形成氢化物、氮化物以外，还容易引起白点、氢脆、时效等现象。以气体形式析出的[H]、[N]，在钢坯中形成气孔，带材轧制时容易引起皮下气泡等缺陷。常压感应炉有渣熔炼，一般采用浮升法去除夹杂物。非金属夹杂物的密度小于金属液时，在浮力作用下，夹杂物浮至金属熔体与熔渣界面而被熔渣吸收。夹杂物的上浮速度，可用斯托克斯公式计算：
 (2-14)
2.4 感应炉冶炼用原材料
对原料的要求：入炉料的化学成分应当准确；金属料清洁、干燥、无油污和铁锈；
料块尺寸合适；炉料都必须存放在干燥的环境中；
原料的种类：钢铁料：生铁、工业纯铁、废钢、返回料合金料：W、Mo、Nb及其铁合金；Ni Cr、Co及其合金；Si、Mn及其合金；V、B及其合金；Al、Ti及其合金；稀土金属及其合金；特种添加剂造渣料：石灰、萤石、粘土砖碎块。
配料计算：
根据炉料成分和熔炼产品的控制成分，计算 出入炉每种原料的重量；
感应炉由于主要是熔化和升温过程，所以 配料计算要求比较精确计算方法；
合金元素的回收率是精确计算的关键；
2.5 感应炉冶炼用坩埚（第4次课）
2.5.1 感应炉坩埚的分类及质量要求
(1) 坩埚的分类；
按材质分感应炉坩埚有3种，碱性坩埚、酸性坩埚和中性坩埚。应用最广泛的粘结剂是硼酸。
硼酸在酸性(石英砂)或碱性(镁砂)坩埚的制作中的作用有：
a 降低烧结温度。
b 促进尖晶石的形成。
c 降低了坩埚的体积变化率。
按制作方法分类坩埚的制作方法有3种：炉外预制成形坩埚、炉内成形坩埚和砌筑式坩埚。
(2)坩埚的质量要求
对坩埚耐火材料的主要要求有：
1) 耐火度和高温结构强度高。
2) 耐急冷急热性好。
3) 良好的抗渣性。
4) 导热性尽可能低。
5) 绝缘性能。
6) 无污染、无害、挥发性低、抗水化性强、成本低廉。
2.5.2 坩埚的制备
（1）粒度的配比
合理的粒度配比，可以得到最佳的体积密度保证坩埚具有最小的气孔率，坩埚的气孔率通常在20%左右；砂料颗粒的粗、中、细范围取决于炉子的容量。
同容量的镁砂坩埚的粒度配比情况
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坩埚容量/Kg
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粒度配比/%
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4-6mm
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2-4mm
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1-2mm
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0.5-1mm
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<0.5mm
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1300
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15
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30
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25
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20
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10
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430
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50
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10
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|
40
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|
200
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|
25
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30
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10
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35
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|
10
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|
15
|
15
|
55
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15
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（2）成型的方法
感应炉用坩埚的成型方法可分为炉外成型和炉内成型两大类，根据粘结剂的不同炉内成型法又可分为湿法成和干法成型两种
（3）坩埚的制作
对于炉外成型法坩埚的制作是指坩埚如何安装在感应圈内和修筑炉口，这里介绍的是炉内成型法坩埚的制作过程。制作前的准备工作有砂料的配置与混匀、感应圈的清理和检查、制作坩埚用模具的准备、成型工具和装备的准备。
每次在打结坩埚前，感应圈检查的内容有：漏水、渗水、绝缘的破裂以及感应圈和匝间的紧固件是否可靠牢固可靠。
模具主要指的是坩埚型芯，型芯主要是控制坩埚内形和容积的胎具感应炉坩埚型芯用钢板焊成或用石墨制成。
 
石墨型芯 震动成型机
（4）坩埚的烧结
目的：提高坩埚的致密性、强度、和体积稳定性
过程：在高温下使砂料的接触面上出现液相结合，形成连续的烧结网络，通过网络使整个砂料连成一个整体
烧结方法：高温烧结和低温烧结；
A镁砂坩埚的高温烧结（分为四个阶段）
第一阶段：烧结温度在850℃，主要发生砂料的脱水反应和碳酸盐的分解。
第二阶段：烧结温度在850-1500℃低熔点化合物开始熔化，烧结网络开始形成，坩埚体积收缩明显，该阶段课适当增大升温速度
第三阶段：烧结温度在1500-1700℃，镁橄榄石、镁铝尖晶石开始熔化，新生化合物开始形成，烧结网络形成，坩埚体积急剧的收缩，密度强度显著增加，该阶段应降低升温速度。
第四阶段：烧结温度在1700-1850℃，目的是促进方镁石体继续长大，得到比较理想的烧结层厚度和坩埚断面的烧结结构。
B 镁砂坩埚的低温烧结（分为三个阶段）
第一阶段：温度在850℃，主要发生脱水反应和碳酸盐的分反应，升温速度缓慢。
第二阶段：温度在850℃-1400℃，含B2O3的低熔点化合物的烧 结网络迅速形成，坩埚强度增加
第三阶段：温度在850℃-1400℃，使经过初步烧结后的坩埚继续扩大烧结层的厚度，并烧结得到理想的烧结结构
2.6 中频感应炉熔炼工艺
2.6.1 熔炼工艺过程
熔炼所用的废钢中通常会含有一定量的水分和油污。这种炉料直接加入炉内，特别是已形成熔池的炉内，是不安全的，常常会导致喷溅。同时，它还是产品中氧的主要来源之一。所以有些厂设置了废钢的预热或干燥系统，用加热的办法去除废钢上附有的水分和油污，以保证使用的安全和阻止氢的一项来源。此外，加入已预热的废钢还可以缩短熔炼的熔化时间和降低电能的消耗。碱性冶炼法中的熔化法的生产工艺流程如下图所示
非真空感应炉冶炼工艺流程图
(1) 装料
原料要求：
a 入炉料的化学成分要准确； b 金属料清洁干燥、无油、少锈； c 合适的料块尺寸； d 干燥存放；
装料要求：
炉料下层紧密，上层较松，防止熔化过程上层炉料搭桥；
在装大料前先在炉底铺垫一层细小的轻料；
先在炉底装一些熔点不是最高的合金或钢料；
高熔点又不易氧化的炉料应装在层料的上部，即高温区；
坩埚上部的低温区，主要装钢料；
料应装松一些防止搭桥。
（2）熔化
炉料的熔化直接关系到金属液中气体含量的变化和合金元素的回收，同时影响熔炼时间 坩埚寿命、电能的消耗等技术指标；熔化期是感应炉冶炼的重要阶段，它的主要任务：
使炉料迅速熔化、脱硫、 减少合金元素的损失、即时加入炉渣，防止金属熔池吸气。
（3）精炼
精炼期是感应炉冶炼的重要环节，通过精炼完成脱氧、合金化和调整钢液成分、温度等任务。
1） 调整炉渣成分，降低渣中合金元素含量。
2） 钢液脱氧与合金化。
（4）出钢和浇注
当熔炼的钢或合金满足出钢要求时，即可出钢。对于小容量炉座，可以直接浇注。对于较大容量的炉座，可以先倒入浇注包中，再浇注。根据产品的要求，可浇注成锭、铸件或自耗电极。出钢过程还需要依据产品的质量和工艺流程来选择浇注方式，如采用真空浇注还是非真空浇注，是采用上注还是下注。一般电热合金和高温合金需要进一步精炼，所以一般浇注成自耗电极，而精密合金一般采用真空浇注。真空浇注由于浇注过程进行真空处理可以避免钢液的二次氧化和再吸气，并且可有效去除氢气及部分氮气，因此可获得杂质极少，纯净度更高的钢。
2.7感应炉冶炼的成分控制（第5次课）
化学成分对钢的质量和性能均有很大的影响。一些钢种的化学成分除了应满足技术条件的规格外，还要控制在某一个更加严 格的范围内，才能满足该钢种对质量和性能的更高要求。化学成分的控制贯穿于每炉钢冶炼过程的始终，它与合金元素的烧损情况、物化性质、熔渣物化状态、钢液 温度、冶炼方法等密切相关。
(1) 影响合金元素收得率的主要因素
1) 合金元素本身的物化性质。
2) 冶炼时间。熔化期越长，C、Si的烧损越大，活泼元素加入后，距离出钢时间越长，合金元素的烧损越高。
3) 冶炼温度。温度增加，钢中合金元素的自由能降低，有利于合金元素的溶解。但温度过高，则会加剧合金元素的烧损。
4) 炉渣制度。炉渣物化状态对合金元素的收得率的影响较大。尤其是炉渣的黏度和碱度的影响更大。炉渣中FeO、SiO2越高，元素的烧损越大。
5) 元素的挥发损失。对于W、Mo、Mn均应注意其通过氧化物造成的挥发损失。
6) 钢液中的[O]、[N]、[S]含量。钢中[O]、[N]、[S]含量越高，元素的烧损就越大。加入合金元素前钢液应当充分脱氧、脱硫和脱氮。
7) 合金元素的加入时机、块度及加入方法。较活泼的元素加入时间越早，则烧损越大；加入块状的合金元素比加入粉末状的收得率高；加入到炉中和加入到钢包中，收得率也略有不同。
(2) 提高合金元素收得率的方法
1) 低烧损元素的控制方法：正常冶炼条件下烧损率低于5%的合金元素称为低烧损元素，包括Ni、Co、Mo、W、Cu等。低烧损元素一般可以随炉料一起加入，电解铜由于其熔点较低，应在熔化末期加入。低烧损元素中Mo 、W冶炼过程中的烧损主要是其氧化物的挥发损失，另外，新坩埚冶炼时不能冶炼含钨的合金，会由于新坩埚“吸钨”而导致钨损失及化学成分不合格。含钨炉料还容易造成“结底现象”，即大量的含钨炉料沉积于坩埚底部长期不能熔化。为减少W、Mo的损失，冶炼中要充分熔化、加强搅拌。
2) 中等烧损元素的控制方法：中等烧损元素是指烧损率在5%～20%之间的元素，包括Cr、V、Si、Mn、Nb等等，加入时视炉中情况而定。一般Nb在精炼末期加入，并加强搅拌；冶炼含Cr的钢时，应防止铬氧化进入炉渣，如果铬含量不高，最好脱氧完全以后再加入；加入Mn来消除FeS的热脆效应时，应控制Mn/S>8。
3) 高烧损元素的控制方法：Ti、Al、Re、Zr等合金元素，正常冶炼条件下，烧损率大于20%，为高烧损元素。冶炼时一般应尽量在终脱氧后加入。作脱氧剂时，加入方法视脱氧制度而定。另外，还要综合考虑加入的方式、方法来控制合金元素的回收率。例如，冶炼高温合金时需要加入Ti，如果Ti以海绵钛的形式加入，即使是在终脱氧以后加入，回收率也只有70%左右，但是，如果把钛制成Ni-Ti中间合金加入，则收得率就可以达到95%以上。
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