[科普中国]-真空冶金

介绍

自冶金工业建立和发展以来，人 们就不断探索各种工艺方法，以图减少大气环境和杂质对金属材料冶炼的影响，但一直无法从根本上解决这一难题，直到真空冶炼技术的出现，才使冶金技术有了根本性的突破。早在 1867年世界上就颁布了第一篇真空冶金的专利文献。1917年建立了第一台真空感应炉，进行小型的试验研究。

20世纪20～40年代，随着对材料的要求日益提高，真空冶金逐步得到发展，1923年德国开始用真空感应炉熔炼镍基合金，1938年德国博丘姆·维尔恩(Bochum Veren) 钢厂开始在工业生产中进行液钢的真空脱气。到20世纪50～60年代，真空冶金开始用于有色金属的还原、有色金属及其合金的精炼、熔铸，以及某些冶金中间产品的分离，成为现代冶金的重要领域，涉及到冶金的各个方面。

真空冶金是在低于或远低于常压下进行金属及合金的冶炼和加工的冶金方法。真空对冶金过程的重要作用主要是：(1)为有气态生成物的冶金反应创造有利的化学热力学和动力学条件，从而使某些在常压下难以进行的冶金过程在真空条件下得以实现；(2)降低气体杂质及易挥发性杂质在金属中的溶解度，相应地降低其在金属中的含量；(3)降低金属或杂质挥发所需温度，并提高金属与杂质间的分离系数(见真空精炼)；(4)减轻或避免金属或其他反应剂与空气的作用，避免气相杂质对金属或合金的污染。真空冶金主要用于真空分离、真空还原、真空精炼、真空熔铸、热处理、真空镀膜等。2

真空分离主要用于冶金原料及中间产品的分离。在真空条件下加热冶金原料或中间产品，利用其中各组分在一定温度下的蒸气压不同选择性挥发和冷凝某种(某些)组分，达到彼此分离的目的。例如含汞约1%的硫化锑汞精矿，由于HgS的蒸气压比Sb2S3大4个数量级，因此，可将精矿加热到一合适温度，选择性挥发HgS，而与Sb2S3分离。当用常规回转窑 (见焙烧)挥发时，汞的回收率仅94%～95%，而且劳动条件恶劣;而在半工业规模于593～613K、6.67kPa真空下挥发15min，汞的挥发率达99%，锑仅3%～5%被带出。

真空还原在真空条件下还原金属的化合物或矿石以制取金属或合金的方法。真空在还原过程中所起的作用，除能避免还原剂和还原出的金属被空气氧化及氮的污染外，更重要的是对生成气态产物(如金属蒸气、CO等)的冶金反应特别有利。例如金属氧化物的碳还原时，其反应式为： (设Me为二价)

2MeO(s)+C(s)=2Me+CO2(g)(或CO)

反应产生气态CO2或CO，有时还产出气态金属Me。根据吕查德里原理(Principle of Lechatelier)，降低生成物的分压有利于还原反应的进行，这样势必在设备结构、材质、能耗等方面带来效益。

真空还原已在有色金属冶金中广为应用，真空碳还原已成为生产金属铌的主要方法，它也是金属矾、钽的生产的重要方法。在真空中用硅作还原剂的真空硅热还原法，以及在真空中用铝作还原剂的真空铝热还原法生产某些低沸点金属如钙、镁、钡等，由于其工艺简单、成本较低，而成为这些金属的工业生产方法之 一。真空还原通常在真空电阻炉或真空感应炉中进行。

真空熔铸在真空条件下将金属或合金熔铸成化学成分及物理结构符合用户要求的致密锭的方法。由于真空熔铸产品含有害杂质少，结晶构造好，有良好的机械性能，因此在20世纪20年代就开始用以熔铸某些镍基合金；自20世纪50年代以来，随着高温真空炉如电子束炉、等离子炉等的发展，使人们能在更高的温度和真空度的条件下工作，因而真空熔铸便广泛用于高温合金、特种钢以及高熔点稀有金属的熔铸。真空熔铸可在真空自耗电弧炉、电子束炉、等离子炉(和真空感应电炉内进行。

真空烧结金属、合金或化合物粉末经压制成型后，在真空和高温条件下烧结成致密金属或制品的方法。在真空烧结过程中，还往往能起到脱气提高材料纯度的作用。真空烧结已不但用于从高熔点稀有金属粉末制取高纯致密金属，也用于制取硬质合金和某些中间产品，如钽电容器所需的坯块等。真空烧结通常在真空电阻炉或真空感应炉内进行。3