真空熔煉

真空熔煉使在常壓下進行的物理化學反應條件有了改變，這主要體現(xiàn)在氣相壓力的降低上。只要冶金反應中有氣相參加，而且反應生成物中的氣體摩爾數(shù)大于反應物中的氣體摩爾數(shù)的數(shù)值時，若減小系統(tǒng)的壓力，則可以使平衡反應向著增加氣態(tài)物質(zhì)的方向移動，這就是真空熔煉中物理化學反應的最根本的特點。

真空熔煉控制

大氣熔煉和澆注的主要缺點之一是合金成分(主要是一些比較活潑的元素)由于燒損不易準確控制，而真空熔煉不受周圍氣氛污染，金屬液與大氣中的氧和氮脫離接觸，所以真空熔煉能嚴格控制合金中活潑元素，如鋁、鈦等的含量，將合金成分控制在很窄的范圍內(nèi)，因而能保證合金的性能、質(zhì)量及其穩(wěn)定性。

真空熔煉碳脫氧反應

大氣熔煉碳氧反應對金屬液起著除氣作用和機械攪拌作用，但由于碳的脫氧能力不強，不能單獨用作脫氧劑，往往要用硅、鋁等金屬脫氧劑進行沉淀脫氧。在真空熔煉中，由于氣相壓力低，且碳氧反應生成的CO氣泡能夠不斷的被抽走，而使平衡向生成CO的方向移動，即[C] [O]={CO}反應不斷向右方進行，從而提高了碳的脫氧能力。大量實踐數(shù)據(jù)表明：真空熔煉與大氣熔煉相比較，碳的脫氧能力約提高100倍。真空熔煉鎳基合金時，將合金的氧含量降低到20×10以下是不難做到的。真空下用碳脫氧，不僅具有高的脫氧能力，而且其脫氧產(chǎn)物是氣體，易于排除，而不沾污金屬熔池，這比用硅、鋁等生成固態(tài)脫氧產(chǎn)物的脫氧劑要優(yōu)越得多，因此在真空熔煉中，碳是理想的脫氧劑。

真空熔煉脫氣

金屬中的氣體雜質(zhì)主要是指存在于其中的氫和氮。氣體對合金質(zhì)量有很大影響，不但降低合金的力學性能，而且是產(chǎn)生發(fā)紋、白點、脆化及皮下氣泡等缺陷的主要原因。氫和氮在金屬中的溶解度服從于平方根定律，即氫和氮在金屬中的溶解度與其在氣相中分壓力的平方根成正比。在一定溫度下，當金屬液上方氣相分壓力降低時，則金屬液中氣體的溶解度也隨之降低，這充分說明真空熔煉對于去氣有著極大的優(yōu)越性。真空熔煉可以很容易地將鋼和合金中的氫脫到很低程度，而氮與氫有所不同，除可溶于金屬液外，且擴散系數(shù)小，還可與鈦、釩、鋁、鋯等生成化合物，以穩(wěn)定的氮化物夾雜形式存在于鋼和合金中，因此去氮要比去氫困難得多。

真空熔煉揮發(fā)

同一溫度下，不同元素的蒸氣壓不同。在真空條件下，金屬液中某些蒸氣壓較高的元素，當真空室內(nèi)壓力降低到低于其蒸氣壓力時，這些元素就有可能從金屬液中揮發(fā)。真空熔煉的重要優(yōu)點之一是可揮發(fā)去除一些有害金屬雜質(zhì)，如Pb、Cu、Sb等。這些元素能顯著降低合金質(zhì)量，而在一般大氣熔煉中又不能去除，采用真空熔煉是減少這些元素在合金中含量的惟一有效方法。但伴隨著有害雜質(zhì)的去除，合金中一些有益元素也要揮發(fā)，造成合金元素的損失，并給準確控制合金成分帶來困難。揮發(fā)過程是一個復雜的反應過程，揮發(fā)的量和速度取決于很多因素，主要有合金成分(元素本質(zhì)及其在金屬液中的活度)，熔煉溫度，熔煉保持時間，爐內(nèi)真空度，熔池攪拌情況及表面積大小等。應當了解真空熔煉條件下的元素揮發(fā)規(guī)律，采取正確熔煉制度，以保證有害雜質(zhì)有效去除，而有益元素損失最少，將合金成分準確的控制在要求范圍內(nèi)。

鋼和合金的熔煉質(zhì)量可以用成分控制、純潔度(即含有非金屬雜質(zhì)、氣體、非金屬夾雜物和金屬雜質(zhì)的多少)和鑄錠組織作為評價指標。一個好的冶金產(chǎn)品，成分應控制在最佳范圍，純潔度要高，鑄錠組織要好。真空熔煉可以實現(xiàn)嚴格的成分控制，可以有效地去除氣體和減少非金屬夾雜物，并可揮發(fā)去除部分有害金屬雜質(zhì)，使得鋼和合金的純潔度明顯改善，提高了鋼和合金的物理和機械性能，真空電弧熔煉和電子束熔煉，還都可以得到好的鑄錠組織，也就更擴大了真空冶金的應用范圍。真空感應熔煉與常壓感應熔煉比較，坡莫合金的起始導磁率平均約提高50%;真空電弧重熔的A-286合金，同大氣熔煉的同一合金比較，其橫向塑性提高了近一倍?？梢钥隙ǎ婵杖蹮拰μ岣咪摵秃辖鸬馁|(zhì)量和性能有著十分重要的意義。由圖可以看出，真空熔煉的應用，使高溫合金材料有了很大的進展，合金工作溫度由800℃左右提高到了1000℃左右。迄今在熔煉高溫合金、精密合金、難熔金屬及其合金、高質(zhì)量特殊鋼以及其他特殊物理性能材料方面，最主要的真空熔煉方法還是真空感應熔煉、真空電弧重熔和電子束熔煉這3種。

1920年左右，真空感應爐開始用于熔煉鎳鉻合金。直至第二次世界大戰(zhàn)，由于真空技術的進步，使真空熔煉真正開始發(fā)展起來。50年代中期至60年代末，是真空熔煉發(fā)展最迅速的時期，無論是理論研究還是設備的容量、結(jié)構形式及產(chǎn)品種類都有很大發(fā)展，達到了高度工業(yè)化水平。真空感應爐最大容量已達60t;真空電弧重熔錠重達52t;電子束爐功率達12000kW。70年代至今，真空熔煉處于穩(wěn)定發(fā)展時期，穩(wěn)定并繼續(xù)完善工藝，擴大應用并逐步向自動化和程序控制方面發(fā)展。中國自50年代開始對真空熔煉技術進行研究，到90年代已能設計制造1.5t半連續(xù)真空感應爐及5t真空電弧爐。主要特殊鋼廠及有色金屬加工廠建有真空感應爐、真空電弧重熔爐及電子束爐，形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模。

根據(jù)加熱熱源的不同，真空熔煉主要可分為真空感應熔煉，真空電弧熔煉，電子束熔煉等3種。

真空熔煉真空感應熔煉

將金屬爐料放入置于線圈中的坩堝內(nèi)，當線圈接通交流電源時，在線圈中間產(chǎn)生交變磁場，爐料中即產(chǎn)生感應電勢。由于金屬爐料本身形成一閉合回路，所以在爐料中同時產(chǎn)生了感應電流，即渦流，爐料靠渦流加熱和熔化。利用這個原理進行熔煉的方法稱為感應熔煉。而處于真空條件下的感應熔煉則為真空感應熔煉。真空感應熔煉能夠嚴格控制合金中活潑元素如鋁、鈦等的含量，可以有效地去除合金中的氣體和非金屬夾雜物以及有色金屬雜質(zhì)，提高合金的純凈度。但真空感應熔煉存在著坩堝耐火材料對金屬液的沾污問題，且通常采用鋼錠模澆注，鋼錠結(jié)晶組織與普通熔煉的鑄錠組織比較并無改善。真空感應熔煉主要用來熔煉高溫合金、精密合金及特殊鋼材料，其主要產(chǎn)品是鑄錠、精密鑄件和雙聯(lián)熔煉用的電極母材。

真空熔煉真空電弧熔煉

在真空條件下利用電弧來加熱和熔煉金屬的熔煉方法。這種熔煉方法所使用的電極有自耗電極和非自耗電極兩種。自耗電極是由被熔煉材料(即爐料)制成，在熔煉過程中它逐漸消耗;而非自耗電極系利用鎢等高熔點材料制成，在爐料熔煉過程中它基本上不消耗。采用自耗電極的真空電弧爐稱自耗電極電弧爐，簡稱自耗爐;采用非自耗電極的真空電弧爐稱非自耗電極電弧爐，簡稱非自耗爐。非自耗電極熔煉已較少使用，而自耗電極熔煉大量應用于生產(chǎn)實踐中，成為二次重熔的主要手段之一。真空電弧熔煉的坩堝一般用銅制成，外面用水冷卻，稱為水冷銅結(jié)晶器。熔煉時，可以將自耗電極(被熔煉材料)接負極，水冷銅結(jié)晶器接正極，通電后兩極間產(chǎn)生弧光放電，將電能轉(zhuǎn)變成熱能，產(chǎn)生高溫使材料熔化。熔煉過程中液態(tài)金屬熔滴通過高溫弧區(qū)后落入金屬熔池，并在水冷銅結(jié)晶器內(nèi)凝固成錠。通過金屬液與氣相間以及熔池內(nèi)發(fā)生的一系列物理化學反應，達到提高金屬的純凈度，改善其結(jié)晶組織和性能的目的。真空電弧熔煉不受大氣、耐火材料和鑄模等的沾污;可以去除鋼及合金中的氣體和有害金屬雜質(zhì);熔煉中夾雜物也可上浮去除一部分，并可改善夾雜物在合金中的分布及形態(tài);水冷銅結(jié)晶器中的鋼錠鑄態(tài)組織比普通鑄錠為好。但真空電弧熔煉需預制電極，且鋼錠表面較差。真空電弧熔煉可用來熔煉鈦、鋯、鎢、鉬等活潑金屬、難熔金屬以及它們的合金，也可用來熔煉高溫合金及有特殊用途的鋼和合金。

真空熔煉電子束熔煉

在高真空環(huán)境中，將陰極材料(通常選用難熔金屬如鎢等)加熱至高溫后，在高壓直流電作用下發(fā)射電子，用磁透鏡聚集成電子束，并在陽極的加速下，以高速射向陽極(做成電極的被熔物料相當于陽極)，當高速的電子束射到電極表面碰撞時，由動能轉(zhuǎn)變成的熱能將被熔物料熔化。它不僅能熔化電極，而且有一部分能量可以用來加熱金屬液面，使熔池保持必要的溫度和時間，以利于金屬的精煉。最后金屬液在水冷結(jié)晶器中凝固成錠。電子束熔煉也稱電子轟擊爐熔煉。電子束熔煉具有突出的優(yōu)點：工作真空度高(約10-～10-Pa)，非常有利于去除氣體、非金屬夾雜物及金屬雜質(zhì);熔煉溫度高，冶金反應充分，能熔煉任何難熔金屬;金屬熔滴匯聚在水冷結(jié)晶器內(nèi)，可以有效地控制熔池溫度和冷凝速度，有利于獲得良好的金屬錠組織。電子束熔煉的應用范圍已從難熔金屬擴展到高溫合金、精密合金、半導體材料和一些具有特殊用途鋼種的熔煉。只是由于其設備結(jié)構復雜，建設投資昂貴等原因限制了它的發(fā)展規(guī)模。

隨著科學技術的進步，真空熔煉技術也取得很大進展，新的真空熔煉的爐型也不斷涌現(xiàn)。例如，真空感應熔煉通常脫硫效果并不好，近期出現(xiàn)了真空感應有渣熔煉，即在真空感應熔煉過程中，造堿性熔渣。由于一般合金中都有或多或少的碳存在，這時就可發(fā)生下列脫硫反應：(CaO) [MeS] [C]======(CaS) [Me] {CO}。

在真空熔煉條件下，由于爐氣不斷被抽出，爐內(nèi)pCO值可達到很低的水平，這對于合金的脫硫是極為有利的。工作表明，用200kg真空感應爐重熔高硫鈷豆，造石灰螢石渣，脫硫效果達44%。真空感應有渣熔煉，還可以抑制元素的揮發(fā)過程，這對于減少貴重元素的損失和準確控制合金成分也是有利的。為克服真空電弧熔煉不能澆注成型的缺點，發(fā)明了真空凝殼爐。它是利用真空電弧熔煉原理，采用可以傾動的水冷坩堝控制冷卻過程，使被熔煉金屬液在坩堝內(nèi)壁形成一薄層“凝殼”，將被熔煉金屬液和坩堝隔離，并形成相當大的熔池，熔煉結(jié)束時快速傾轉(zhuǎn)坩堝將金屬液注入鑄?；蜩T型凝固成型。凝殼爐在熔煉鈦和鈦合金方面取得了很好的冶金效果。此外，特別適用于難熔金屬提純和單晶制取的無坩堝區(qū)域熔煉，生產(chǎn)定向渦輪葉片的真空定向凝固爐，以及制備金屬間化合物(例如Ni₃Al、Ti₃Al等)用的冷坩堝懸浮熔煉等均已達到生產(chǎn)規(guī)模，正在進一步的完善和發(fā)展之中。2100433B

真空感應爐包括電源輸入系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和爐體三大部分。

電源輸入系統(tǒng)

由于真空感應爐設備投資較大，縮短熔煉周期以提高設備利用率就成為選擇電源功率的重要因素，通常選擇300～500kW熔煉每噸金屬;電源頻率的選擇主要考慮熔池能得到充分的攪拌以利于合金料熔化和精煉反應的進行。為了得到充分的攪拌，有的感應爐備有攪拌輔助電源;選擇較低輸入電壓，有利于解決真空下放電的絕緣問題。

真空系統(tǒng)

選擇真空系統(tǒng)首先應考慮熔室初抽的時間及各閘閥隔離室抽空所需的時間，例如通常主熔煉室要求15min抽空至13.3N/m(即1×10Torr);然后考慮精煉期氣體排出量和對精煉期真空度的要求，這與選用的原材料種類、成分和對熔煉后合金成分的要求有很大關系;還要考慮外來氣體源，這對大型爐子更為重要，例如由各真空密封處密封不嚴引起的漏氣，坩堝、絕緣物、導流槽等耐火材料放氣，還有爐壁沉積的揮發(fā)物吸氣后的放氣等。通常允許熔煉前熔煉室漏氣加放氣達到每kg坩堝容量6.65×10^-2～1.33×10^-1N.L/(m·s)。對爐體漏氣要求愈小愈好，因為同一真空度下漏氣大的爐子熔煉冶金效果差。通過在熔煉室安放便于清除揮發(fā)物的冷凝捕集器以及采用溫水冷卻爐壁可顯著減少熔煉時爐體受熱產(chǎn)生的大量放氣。

爐體結(jié)構

往往根據(jù)用戶需要設計，因而是多種多樣。通常包括熔煉室和裝料及輔助設備兩大部分。(1)熔煉室。對小型真空感應爐(<500kg/爐)通常選擇側(cè)傾坩堝澆注的結(jié)構，在熔煉室內(nèi)澆注，優(yōu)點是結(jié)構緊湊。對工業(yè)規(guī)模用真空感應爐(>1t/爐)也為側(cè)傾澆注;但鑄錠室與熔煉室經(jīng)真空閘閥隔開;坩堝與錠模之間經(jīng)過一個水平導流槽相連接;這種結(jié)構的優(yōu)點是可以實現(xiàn)半連續(xù)冶煉、縮短冶煉周期，大大提高設備利用率。但設備投資會有一定增加。(2)裝料與輔助設備。有塊料、合金料與液態(tài)金屬等加料裝置設備，常用為前兩種。小爐的塊料打開爐蓋直接用手裝料;大型爐子為了使熔煉室連續(xù)保持真空，專用閘閥在坩堝上方建有加料室，用底開式吊籃通過加料機構將塊料直接送入坩堝。(3)合金加料器。位于熔煉室之上，總?cè)萘考s為熔煉料的2%～10%，為多格分別貯料，通過真空閘閥與振動送料器將各種合金料于合適的熔煉期間分別加入坩堝內(nèi)的液態(tài)金屬中。(4)合金液取樣器。為了控制冶煉過程，必須在不同熔煉期間取樣分析合金成分與雜質(zhì)含量。取樣器可通過一小真空閥直接自熔池內(nèi)取樣，或者通過加料裝置閘閥自熔池中取樣。(5)測溫裝置。溫度是冶煉工藝的重要參數(shù)，使用輻射光學高溫計測溫，必須及時清除玻窗上的揮發(fā)物并對其進行校正;因此，標準的方法是用浸入式熱電偶測溫，它可通過專門真空閥門送入，或經(jīng)過加料室閘閥送入。除此之外，還有搗料桿、可移動坩堝蓋，錠模及導流槽等附屬設備。真空感應熔煉設備以德國萊波特海拉斯(Leybold Her-aeus)公司和美國康薩克(Consarc)公司的產(chǎn)品較為先進。中國主要生產(chǎn)廠家為上海電爐廠、錦州電爐廠等。

真空感應熔煉的熔煉工藝包 括坩堝的選擇與制備，爐料準備，熔化和精煉以及澆注等。

坩堝的選擇與制備

坩堝的壽命和坩堝與液態(tài)金屬相互作用直接影響設備的生產(chǎn)率和金屬成品的質(zhì)量。通常小爐選用預制坩堝;較大熔煉爐(>250kg)采用打結(jié)法制備坩堝較為經(jīng)濟。用得最廣泛地是不同純度的氧化鋁和氧化鎂為基的耐火材料，選用何種耐火材料取決于被熔合金的化學性質(zhì)。對熔點較低而又不與碳反應的金屬，如鈾與銅，可選用石墨坩堝;對含化學活性多的合金則可選用氧化鈣或氧化釔穩(wěn)定化的氧化鋯耐火材料。20世紀80年代真空感應爐的坩堝材料有了重要發(fā)展，用水冷銅片鑲制坩堝可徹底免除坩堝與金屬液間反應，從而可用真空感應爐熔煉鈦、鋯等活性金屬;用預制氧化鈣坩堝可大大提高熔煉金屬的質(zhì)量。

爐料準備

真空感應熔煉用的原材料需經(jīng)仔細化驗和選擇，如對在真空中不易去除的磷與硫的含量加以限制;經(jīng)過熔煉雖然可以脫除原料中含有的氧與氮等氣體，但寧肯花稍高的價格買低雜質(zhì)含量的原料，從而節(jié)省真空感應凈化所需時間;同理，在使用返回料時必須清除氧化皮、油、脂及其他易揮發(fā)污物。

熔化與精煉

在第一批裝料中含有全部非活性合金元素，同時希望有一定量的碳，這樣在料熔化時碳可以充分脫氧，又起攪拌作用;相反在煉制超低碳合金時則配有過量氧以便在熔化期充分脫碳。熔化期要避免激烈沸騰造成金屬液強烈噴濺損失，必要時在熔化期通入一定壓力的氬氣以抑止金屬液沸騰。在精煉期應注意熔池得到充分攪拌以利于金屬液成分均勻和各種冶金反應的進行;精煉期溫度應選擇適當，溫度高有利于提高反應速度，但溫度過高會由于金屬液與坩堝材料反應加速，從而導致金屬液含氧量增高等不利影響;精煉期真空度應達到抽氣設備實際的最高值，通常在1.33～0.13 N/m(之間，以發(fā)揮真空冶煉的優(yōu)勢，只有在煉制需要加入易揮發(fā)合金元素時才通入氬氣阻止揮發(fā)損失;一般活性合金組元在金屬液充分脫氧后加入，然后調(diào)整熔池溫度準備澆注。

澆注

澆注工藝直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。首先是精確控制澆注溫度，選擇澆注溫度應使金屬液具有良好流動性，但不要使金屬液過熱導致燒傷模壁及冷凝產(chǎn)生的二次夾雜增多等缺點。其次采取措施防止浮渣等進入鑄模，使用帶擋渣板的導流槽能得到良好效果;80年代研制出的各種泡沫陶瓷過濾器，對高溫合金起到明顯減小夾雜的凈化效果。為了填充鑄錠縮孔，可使用發(fā)熱保溫帽、絕熱保溫帽、電弧加熱和感應加熱等辦法。