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1、真空感应熔炼的新技术摘要：为使从事真空冶金技术人员对国内外真空冶金技术的现状和发展有较全面的了解，综述性详细回顾了真空冶金技术的历史及发展过程，对真空冶金进行了详细分类，对各类常用真空冶炼方法进行了系统论述，介绍了国内外发展情况，指出了发展前景及方向。 关键词：真空冶炼；工艺分类；工业应用 Abstract：The history and the developing process of the vacuum metallurgical technology ale described in detail，the classification on the vacuum metallurgy
2、 is made，the common used vacuum metallurgical methods are systematically discussed，the development of the vacuum metallurgy at home and abroad is introduced，theprospect and the direction are indicated Key words：vacuum metallurgy；technological chassification；industry application真空冶金是指在小于大气压下进行的冶金作业。真
3、空冶金的应用, 是建立在真空技术的进步和广泛应用基础上的。获取真空的想法, 出现在公元前 384322 年。1654 年第一台可供实用的真空泵由德国马德堡市市长、工程师 O. V . Guerike 制成, 并用来做了有名的“马德堡半球实验”,开始了实际应用真空的时代。1643 年 E . Tor ricelli 用一端封闭的玻璃管, 测出大气压为 760 mm 汞柱高。1865 年 Bessemer 设想将炼好的钢在真空中浇铸以消除气泡和裂纹, 但技术和设备都不足以达到要求。1874 年 H.Mcleode 发明了压缩真空计。1905 年 M. V. Pirani 提出电子束熔炼的概念。二十
4、世纪五十年代真空冶金应用于高温合金的熔炼, 目前世界上的最大的 EBCFM 炉是建立在日本矿业日立工厂的 ESP100/1200CF 炉。1917 年真空电阻炉熔化镍基合金。1923 年德国开始研究真空感应熔炼。1926 年德国用真空感应炉( 容量 4t , 功率 350 kW) 熔化 Co 、Ni 合金。1935 年 Hopkins 研究应用水冷铜坩埚自耗电极真空电弧熔炼。1938 年应用真空脱气设备对钢进行脱气处理。1940 年前苏联开始研究电渣冶金。美国于 1950 年应用真空自耗电极电弧炉熔炼 T i, 1957 年应用电子束炉熔炼 T a、Nb 等合金, 1962 年应用等离子熔炼不
5、锈钢及高温合金。 二十世纪五十年代国际上普遍采用电弧炉或非真空感应炉熔炼高温合金及特种钢。但电弧炉只能熔炼低合金化的合金及铝、钛等易烧损元素少的合金。现代的高温合金含有大量的易烧损元素及微量元素,必须采用真空下的熔炼工艺。要进一步提高合金的质量、改善合金的铸态组织和热加工塑性、力学性能等, 须采用双联及三联工艺。通常情况下, 对合金化程度较低的合金来说是采用电弧炉熔炼、非真空感应炉熔炼铸成电极后再进行真空自耗或电渣重熔。对合金化程度较高的合金, 则采用真空感应炉熔炼成电极棒, 然后再经真空自耗重熔或电渣重熔。采用不同的冶炼工艺方法冶炼不同类型的合金, 其冶炼工艺因素对冶金质量的影响各不相同。采
6、用电渣重熔金属作为第三次真空电弧重熔的自耗电极, 主要是保证合金具有很低的气体含量 1 。一.真空冶金的特点 1.1 对一切增容反应都有有利影响 （1）物质的气化 M 凝聚态M 气态，金属的气化、蒸发，在真空中物质的沸点降低。（2）氧化物 MO 被还原剂还原 R+MO 凝聚态M 凝聚态+RO 气态，金属氧化物还原成固态或液态金属。 （3）R+MO 凝聚态M 气态+RO 气态，金属氧化物还原成气态金属。 （4）溶解了气体 G的金属放出气体 G 金属G （5）金属与气体生成的化合物分解出气体 MGM+G，金属化合物热分解。真空对这些过程都有利，即加快了反应进行的速度或是降低反应进行的温度。 1.2
7、 很少有气体参加反应 真空中气体稀薄，很少有气体参加反应。金属在真空中融化时不会溶解气体；金属在真空中加热到较高温度时，无论金属呈固体或液体都极少氧化；气体遵循理想气体方程。 1.3 可控制系统内外物质流动 真空系统是一个较为密闭的体系，与大气基本隔开，只经过管道和泵将真空系统中的残余气体送入大气，大气不能经泵进入真空系统，系统内外的物质流动完全在控制下。 1.4 无污染 若过程需要较高的温度( 大于真空室壁材料的软化温度), 则加热系统要用电在炉内加热, 因而真空系统没有燃料燃烧所带来的问题。如含 SO2 气体的排放，收尘，对环境的污染等问题。 1.5 气体分子小 金属或氧化物在真空中形成气
8、体之后，气体分子很小或很分散。在真空中多原子分子倾向于分解成较少原子组成的分子，形成的气体分子很小，粒径一般在 10-10 米。 二.几种主要的真空冶金方法 2.1. 真空还原 在真空下用碳、铝、硅等还原剂还原金属氧化物或化合物制取金属。真空还原可以大大降低还原温度，完成一些常压下无法完成的作业。以碳还原五氧化二铌为例。常压下碳不能全部还原铌，而是生成各种碳化铌，最高还原温度达到 2834 卡, 但当真空度达到 10-2 帕时,其开始还原温度降至 1956 卡, 当在 10-4 帕时降至 1694 卡。其它钒、钽、钛、锆、钨、钼的情况也类似。真空条件下还可用碳或碳化物还原碱金属和碱土金属。2.
9、2. 真空熔炼 真空熔炼是在真空条件下高温熔炼提纯金属。常用的真空熔炼方法有： （1）真空感应熔炼2，即用处于真空室内的高频感应炉或中频感应炉熔炼金属。主要用于熔炼高温合金、高强度钢和超高强度钢。 （2）真空电弧熔炼，即在真空条件下通过低电压、强电流来加热熔化金属。电极可以是自损耗的，也可以是不损耗的。主要用于钨、钼、钽、铌、钛等的熔炼。 （3）电渣熔炼3，即用于金属重熔提纯和熔铸异形铸件的方法。 （4）电子束熔炼, 又称为电子轰击熔炼，即在较高真空下（1.3310-2 1.3310-6 帕）用一个或数个阴极电子枪发射出高能电子束，轰击被熔物料（作为阳极） ，使电子动能转化为热能而把炉料熔化，
10、并滴入水冷铜结晶而凝固成锭。2.3. 真空蒸馏和精炼 真空蒸馏和精炼是利用真空蒸发技术除去杂质以提纯材料的一种方法。主要有两种工作方法：一种是真空蒸馏分离，即在真空下依靠不同金属间蒸汽压的差别，通过挥发和冷凝过程来提纯或分离金属。工业上多在电阻炉或感应炉中进行蒸馏。另一种是化学迁移反应法，即利用金属与气体物质反应生成化合物，迁移到另外的部位后再发生逆反应，生成气体产物与纯金属。 2.4. 真空烧结 真空烧结是指在真空下（10 10-3 帕）将金属、合金或金属化合物粉末在低于熔点的温度下烧结成金属制品和金属坯。真空条件下烧结，不存在金属与气体间的反应，也没有吸附气体影响，不仅致密化效果好，而且可
11、以起到净化和还原作用，降低烧结温度，和常温烧结比可降低 100 150，节省能耗，提高烧结炉寿命和获得高质量产品。2.5. 真空脱气 真空脱气是指在真空下从液态金属或合金中脱去有害气体（氧、氢、氮等）的方法。经过脱气处理过的金属，在熔铸时不会因放出气体影响金属的结构，并因减少晶粒边界的杂质而明显提高金属强度和物理性能。因而它是改善钢材质量、提高钢材的机械性能和物理性能的重要手段。它是真空冶金中应用最广、规模最大的一种工艺方法。 2.6. 真空热处理 真空热处理是在真空下（1 10-8 帕）加热处理金属，使其发生组织结构转变，改善金属的物理、化学性能。真空热处理主要分真空淬火、真空退火和真空化学
12、处理三大类。真空淬火是在真空下加热，然后在不同的冷却介质中冷却。真空退火主要用于高温合金、难熔金属和合金。真空化学热处理常用的有真空渗碳、真空碳氮共渗、真空离子渗碳、真空渗铬、等离子渗铍等。2.7. 真空镀膜 真空镀膜是在真空下（1 10-8 帕）利用金属蒸气或溅射使金属的原子或离子凝结在其它金属或材料上，形成所需要的金属膜或覆盖层。冶金工业常用的有真空镀铝或锡，真空镀镉、镍、锆或不锈钢。三.真空感应熔炼 3.1. 真空感应炉国内外的发展现状 真空感应炉大约始于 1920 年，用于熔炼镍铬合金。直到第 2 次世界大战，由于真空技术的进步使真空感应炉熔炼才开始真正发展起来。1926 年德国用真空
13、感应炉（容量 4t，功率350kw）熔化 Co.Ni 合金。二战期间欧美等国家已达到了实用化程度并取得了飞速发展，日本也相继采用。这种方法多用于熔炼耐热钢、轴承钢、纯铁、铁镍合金、不锈钢等多种金属材料。这一方法使材料的断裂强度、高温韧性、耐氧化性等都得到了改善。由于大型真空抽气设备（如增压泵）的出现，真空感应炉也逐步向大型化发展。以美国为例，1969 年真空感应炉的容量已达到 27.60t 的规模。满足了各种金属材料工业化生产的要求。西欧各国也在 20 世纪 60 年代，将炉子向大型化发展并不断改进，可在冶炼过程中不破坏真空，在装料、铸模准备及浇铸操作等过程实现连续的或半连续的真空感应熔炼。美
14、国 consarc 公司和德国ALD 是目前国际上最主要的大型真空感应熔炼炉制造企业，生产的大型真空感应熔炼炉可以达到 30t，甚至更大。 中国自行生产的真空感应熔炼炉的容量一般比较小，主要为 5-1500kg。2t 以上的大型感应炉主要从德国、美国、日本进口。20 世纪 80 年代初，抚钢在国内率先从德国引进 3t/6t 大型真空感应炉。从 90 年代以后国内宝钢特钢、东北特钢和攀长钢等企业先后从国外引进了大型真空感应炉，最大容量为 12t。目前正在引进的最大容量为 24t。 3.2. 新技术在真空感应炉的应用3.2.1. 电磁搅拌和惰性气体搅拌 感应炉冶炼本身已存在较强烈的搅拌作用，加上电
15、磁搅拌后，气体上升到熔液界面大量析出，对于材料的去气有很好的效果。必须注意的是，要选择合适的搅拌功率，避免对炉衬的过度冲击。 在气体搅拌时，惰性气体通过注入坩埚底部的锥型多孔塞进入熔池。当惰性气体穿过熔融金属时，气泡体积和表面积增大，靠近金属液面时，体积明显膨胀，使气体和金属间有更高的比表面进行交换反应，缩短了熔液表面的更换周期，并改善整个熔池的均匀性。同时，还使细小的氧化物聚集，夹杂物漂浮到熔融金属表面，达到净化材料的效果。 从脱气角度看，感应炉设计也要考虑感应圈的直径与高度之比，使熔液上表面增大，有利于脱气，并使耐火材料与熔融金属的接触面显著减少，降低对炉衬的侵蚀。有资料认为，坩埚直径与高
16、之比D/H=1 时比较适合（尽管理论上的最佳值为 D/H=2）4。 3.2.2.冶炼电源 早期的感应炉电源都是电动机发电机变频机组。到了 1967 年，西德 leybold 公司为美国howmet 公司生产的 5.477t 的炉子中，使用了可控硅变频电源，功率 1000kw，频率 180Hz。此后的 3a 间，变频发电机组和静止变频器共存，交替过渡。到 1970 年后，所有真空感应炉都配置可控硅静止变频电源。经过 30 多年的发展，可控硅静止变频电源技术已经非常成熟。在整个冶炼周期中，功率从 1%-10%的平滑调节，使操作极其灵活、准确、无波动；变频电源的频率在一定的范围内是变化的，能自动跟踪适应炉料的变化，无需大电流接触器来开关电容器，调节炉子的功率因数；效率高，三相对称电网负荷，工作状态非常优越。变频电源的功率已达 10MW。3.2.3. PLC 控制 可编程序控制技术，使得真空熔炼设备的自动化和半自动化运行成为可能。设备严格按用户设置的程序运行，工艺技术条件得以严格控制，可重复性强。
