[科普中国]-真空熔炼

简史

1920年左右，真空感应炉开始用于熔炼镍铬合金。直至第二次世界大战，由于真空技术的进步，使真空熔炼真正开始发展起来。50年代中期至60年代末，是真空熔炼发展最迅速的时期，无论是理论研究还是设备的容量、结构形式及产品种类都有很大发展，达到了高度工业化水平。真空感应炉最大容量已达60t;真空电弧重熔锭重达52t;电子束炉功率达12000kW。70年代至今，真空熔炼处于稳定发展时期，稳定并继续完善工艺，扩大应用并逐步向自动化和程序控制方面发展。中国自50年代开始对真空熔炼技术进行研究，到90年代已能设计制造1.5t半连续真空感应炉及5t真空电弧炉。主要特殊钢厂及有色金属加工厂建有真空感应炉、真空电弧重熔炉及电子束炉，形成了一定的生产规模。

真空熔炼分类根据加热热源的不同，真空熔炼主要可分为真空感应熔炼，真空电弧熔炼，电子束熔炼等3种。

真空感应熔炼将金属炉料放入置于线圈中的坩埚内，当线圈接通交流电源时，在线圈中间产生交变磁场，炉料中即产生感应电势。由于金属炉料本身形成一闭合回路，所以在炉料中同时产生了感应电流，即涡流，炉料靠涡流加热和熔化。利用这个原理进行熔炼的方法称为感应熔炼。而处于真空条件下的感应熔炼则为真空感应熔炼。真空感应熔炼能够严格控制合金中活泼元素如铝、钛等的含量，可以有效地去除合金中的气体和非金属夹杂物以及有色金属杂质，提高合金的纯净度。但真空感应熔炼存在着坩埚耐火材料对金属液的沾污问题，且通常采用钢锭模浇注，钢锭结晶组织与普通熔炼的铸锭组织比较并无改善。真空感应熔炼主要用来熔炼高温合金、精密合金及特殊钢材料，其主要产品是铸锭、精密铸件和双联熔炼用的电极母材。

真空电弧熔炼在真空条件下利用电弧来加热和熔炼金属的熔炼方法。这种熔炼方法所使用的电极有自耗电极和非自耗电极两种。自耗电极是由被熔炼材料(即炉料)制成，在熔炼过程中它逐渐消耗;而非自耗电极系利用钨等高熔点材料制成，在炉料熔炼过程中它基本上不消耗。采用自耗电极的真空电弧炉称自耗电极电弧炉，简称自耗炉;采用非自耗电极的真空电弧炉称非自耗电极电弧炉，简称非自耗炉。非自耗电极熔炼已较少使用，而自耗电极熔炼大量应用于生产实践中，成为二次重熔的主要手段之一。真空电弧熔炼的坩埚一般用铜制成，外面用水冷却，称为水冷铜结晶器。熔炼时，可以将自耗电极(被熔炼材料)接负极，水冷铜结晶器接正极，通电后两极间产生弧光放电，将电能转变成热能，产生高温使材料熔化。熔炼过程中液态金属熔滴通过高温弧区后落入金属熔池，并在水冷铜结晶器内凝固成锭。通过金属液与气相间以及熔池内发生的一系列物理化学反应，达到提高金属的纯净度，改善其结晶组织和性能的目的。真空电弧熔炼不受大气、耐火材料和铸模等的沾污;可以去除钢及合金中的气体和有害金属杂质;熔炼中夹杂物也可上浮去除一部分，并可改善夹杂物在合金中的分布及形态;水冷铜结晶器中的钢锭铸态组织比普通铸锭为好。但真空电弧熔炼需预制电极，且钢锭表面较差。真空电弧熔炼可用来熔炼钛、锆、钨、钼等活泼金属、难熔金属以及它们的合金，也可用来熔炼高温合金及有特殊用途的钢和合金。

电子束熔炼在高真空环境中，将阴极材料(通常选用难熔金属如钨等)加热至高温后，在高压直流电作用下发射电子，用磁透镜聚集成电子束，并在阳极的加速下，以高速射向阳极(做成电极的被熔物料相当于阳极)，当高速的电子束射到电极表面碰撞时，由动能转变成的热能将被熔物料熔化。它不仅能熔化电极，而且有一部分能量可以用来加热金属液面，使熔池保持必要的温度和时间，以利于金属的精炼。最后金属液在水冷结晶器中凝固成锭。电子束熔炼也称电子轰击炉熔炼。电子束熔炼具有突出的优点：工作真空度高(约10-～10-Pa)，非常有利于去除气体、非金属夹杂物及金属杂质;熔炼温度高，冶金反应充分，能熔炼任何难熔金属;金属熔滴汇聚在水冷结晶器内，可以有效地控制熔池温度和冷凝速度，有利于获得良好的金属锭组织。电子束熔炼的应用范围已从难熔金属扩展到高温合金、精密合金、半导体材料和一些具有特殊用途钢种的熔炼。只是由于其设备结构复杂，建设投资昂贵等原因限制了它的发展规模。

真空熔炼的冶金特点真空熔炼使在常压下进行的物理化学反应条件有了改变，这主要体现在气相压力的降低上。只要冶金反应中有气相参加，而且反应生成物中的气体摩尔数大于反应物中的气体摩尔数的数值时，若减小系统的压力，则可以使平衡反应向着增加气态物质的方向移动，这就是真空熔炼中物理化学反应的最根本的特点。

真空熔炼中对活泼元素的控制大气熔炼和浇注的主要缺点之一是合金成分(主要是一些比较活泼的元素)由于烧损不易准确控制，而真空熔炼不受周围气氛污染，金属液与大气中的氧和氮脱离接触，所以真空熔炼能严格控制合金中活泼元素，如铝、钛等的含量，将合金成分控制在很窄的范围内，因而能保证合金的性能、质量及其稳定性。

真空下的碳脱氧反应大气熔炼碳氧反应对金属液起着除气作用和机械搅拌作用，但由于碳的脱氧能力不强，不能单独用作脱氧剂，往往要用硅、铝等金属脱氧剂进行沉淀脱氧。在真空熔炼中，由于气相压力低，且碳氧反应生成的CO气泡能够不断的被抽走，而使平衡向生成CO的方向移动，即[C]+[O]={CO}反应不断向右方进行，从而提高了碳的脱氧能力。大量实践数据表明：真空熔炼与大气熔炼相比较，碳的脱氧能力约提高100倍。真空熔炼镍基合金时，将合金的氧含量降低到20×10以下是不难做到的。真空下用碳脱氧，不仅具有高的脱氧能力，而且其脱氧产物是气体，易于排除，而不沾污金属熔池，这比用硅、铝等生成固态脱氧产物的脱氧剂要优越得多，因此在真空熔炼中，碳是理想的脱氧剂。

真空下的脱气金属中的气体杂质主要是指存在于其中的氢和氮。气体对合金质量有很大影响，不但降低合金的力学性能，而且是产生发纹、白点、脆化及皮下气泡等缺陷的主要原因。氢和氮在金属中的溶解度服从于平方根定律，即氢和氮在金属中的溶解度与其在气相中分压力的平方根成正比。在一定温度下，当金属液上方气相分压力降低时，则金属液中气体的溶解度也随之降低，这充分说明真空熔炼对于去气有着极大的优越性。真空熔炼可以很容易地将钢和合金中的氢脱到很低程度，而氮与氢有所不同，除可溶于金属液外，且扩散系数小，还可与钛、钒、铝、锆等生成化合物，以稳定的氮化物夹杂形式存在于钢和合金中，因此去氮要比去氢困难得多。

真空熔炼过程中金属杂质及合金元素的挥发同一温度下，不同元素的蒸气压不同。在真空条件下，金属液中某些蒸气压较高的元素，当真空室内压力降低到低于其蒸气压力时，这些元素就有可能从金属液中挥发。真空熔炼的重要优点之一是可挥发去除一些有害金属杂质，如Pb、Cu、Sb等。这些元素能显著降低合金质量，而在一般大气熔炼中又不能去除，采用真空熔炼是减少这些元素在合金中含量的惟一有效方法。但伴随着有害杂质的去除，合金中一些有益元素也要挥发，造成合金元素的损失，并给准确控制合金成分带来困难。挥发过程是一个复杂的反应过程，挥发的量和速度取决于很多因素，主要有合金成分(元素本质及其在金属液中的活度)，熔炼温度，熔炼保持时间，炉内真空度，熔池搅拌情况及表面积大小等。应当了解真空熔炼条件下的元素挥发规律，采取正确熔炼制度，以保证有害杂质有效去除，而有益元素损失最少，将合金成分准确的控制在要求范围内。2

真空熔炼材料的性能钢和合金的熔炼质量可以用成分控制、纯洁度(即含有非金属杂质、气体、非金属夹杂物和金属杂质的多少)和铸锭组织作为评价指标。一个好的冶金产品，成分应控制在最佳范围，纯洁度要高，铸锭组织要好。真空熔炼可以实现严格的成分控制，可以有效地去除气体和减少非金属夹杂物，并可挥发去除部分有害金属杂质，使得钢和合金的纯洁度明显改善，提高了钢和合金的物理和机械性能，真空电弧熔炼和电子束熔炼，还都可以得到好的铸锭组织，也就更扩大了真空冶金的应用范围。真空感应熔炼与常压感应熔炼比较，坡莫合金的起始导磁率平均约提高50%;真空电弧重熔的A-286合金，同大气熔炼的同一合金比较，其横向塑性提高了近一倍。可以肯定，真空熔炼对提高钢和合金的质量和性能有着十分重要的意义。由图可以看出，真空熔炼的应用，使高温合金材料有了很大的进展，合金工作温度由800℃左右提高到了1000℃左右。迄今在熔炼高温合金、精密合金、难熔金属及其合金、高质量特殊钢以及其他特殊物理性能材料方面，最主要的真空熔炼方法还是真空感应熔炼、真空电弧重熔和电子束熔炼这3种。

真空熔炼的进展随着科学技术的进步，真空熔炼技术也取得很大进展，新的真空熔炼的炉型也不断涌现。例如，真空感应熔炼通常脱硫效果并不好，近期出现了真空感应有渣熔炼，即在真空感应熔炼过程中，造碱性熔渣。由于一般合金中都有或多或少的碳存在，这时就可发生下列脱硫反应：(CaO)+[MeS]+[C]======(CaS)+[Me]+{CO}。

在真空熔炼条件下，由于炉气不断被抽出，炉内pCO值可达到很低的水平，这对于合金的脱硫是极为有利的。工作表明，用200kg真空感应炉重熔高硫钴豆，造石灰萤石渣，脱硫效果达44%。真空感应有渣熔炼，还可以抑制元素的挥发过程，这对于减少贵重元素的损失和准确控制合金成分也是有利的。为克服真空电弧熔炼不能浇注成型的缺点，发明了真空凝壳炉。它是利用真空电弧熔炼原理，采用可以倾动的水冷坩埚控制冷却过程，使被熔炼金属液在坩埚内壁形成一薄层“凝壳”，将被熔炼金属液和坩埚隔离，并形成相当大的熔池，熔炼结束时快速倾转坩埚将金属液注入铸模或铸型凝固成型。凝壳炉在熔炼钛和钛合金方面取得了很好的冶金效果。此外，特别适用于难熔金属提纯和单晶制取的无坩埚区域熔炼，生产定向涡轮叶片的真空定向凝固炉，以及制备金属间化合物(例如Ni3Al、Ti3Al等)用的冷坩埚悬浮熔炼等均已达到生产规模，正在进一步的完善和发展之中。