第七章+特种冶炼

第七章特种冶炼7.1真空冶金过程特点7.2真空感应熔炼7.3电渣重熔法7.4等离子弧熔炼法7.5其它熔炼法(真空电弧、电子束)7.1真空冶金过程特点活泼元素控制防止活泼金属的氧化和氮化，精确控制合金成分；真空下碳氧反应[C]+[O]→{CO}提高了碳脱氧的能力；真空脱气[H，N]=KH，NPH2,N21/2；真空挥发蒸气压较高的有害元素Pb、Sb、Bi、Sn、Cu等的挥发去除；夹杂物的分解(MeO)+[C]=[Me]+{CO}(MexOy)=x[Me]+y/2{O2}；(MexNy)=x[Me]+y/2{N2}真空坩埚反应MgO固+[Me]=[Mg]+[MeO]；MgO固+[C]={Mg}+{CO}7.2真空感应熔炼1.感应熔炼(InductionMelting)原理利用电磁感应在导体内产生涡流加热炉料，从而进行熔炼的方法。感应电动势感应电流焦耳-楞次定律Q=I2Rt产生热量7.2真空感应熔炼2.真空感应熔炼真空感应炉设备1）电源系统；2）真空系统；3）炉体；如下图：真空系统翻炉机构加料机构坩埚感应器取样和捣料装置测温装置可动炉体真空感应熔炼

1）电源输入系统

由于真空感应炉设备庞大昂贵，提高生产率成为选择电源功率的依据，通常选择范围在300-500kW/t，电源频率选择主要考虑熔池的搅拌，电源选择见下表。表1.真空感应炉电源

炉容量电源参数80kg300kg1t3.5t5t30t熔炼电源功率/kw100300600120016002400电压/V250400-600400-600400-600400-600600频率/kHz2-41-2.50.5-10.5-10.15-0.50.06搅拌电源功率/kw70018002500电压/V20-6520-6520-65频率/kHz505050真空感应熔炼

2）真空系统要求主熔炼室在15分内抽至13.332Pa，同时考虑精炼期气体排放及精炼真空要求。

3）炉体炉体结构已多样化，主要包括：熔炼室、装料系统及辅助设备。对容量≤500kg的感应炉，选择侧倾坩埚浇铸的结构，在熔炼室内浇铸，结构紧凑；对≥1t的真空感应炉，铸锭室和熔炼室分开，坩埚与铸模间经水平导流槽连通，可连续熔炼，缩短冶炼周期，提高设备利用率。真空感应熔炼工艺包括：装料、熔化、精炼、浇铸四步工序。真空感应熔炼工艺装料装料在真空室内进行，一部分直接装入坩埚，另一部分装入合金料箱中，以便在熔炼过程按进程加入。蒸气压高的元素Mn，应在出钢前不久通入保护气体后加入；活泼元素Al、Ti、Mg、Ce、La、Zr、B等，在精炼期加入；基体材料Fe、Ni、C、W、Mo、Co、V直接一次加入坩埚，难熔、量多的料装在高温区。装料应上松下紧，大块料放在中上部，便于预热和塌料，严防化料中发生“架桥”。熔化使炉料熔化、去气、去除低熔点有害杂质和非金属夹杂物，使金属液有适当温度，熔池上方保持较高真空度。真空感应熔炼工艺精炼精炼期应控制精炼温度、真空度及真空保持时间。精炼期主要是高温沸腾与合金化：高温沸腾—利用碳脱氧，降低氧含量，生成的CO，促使熔池沸腾，去除气体和夹杂物，促使合金成分均匀。合金化—在脱氧、脱气良好的条件下，填加合金元素，调整成分，加入的同时应加大输入功率，进行搅拌，加速熔化并使成分均匀。浇铸真空浇铸，可适当降低浇铸温度，一般超过合金熔点60-80℃即可；带电浇铸，保证合金成分均匀；浇铸后保持真空，避免金属氧化。7.2真空感应熔炼3.真空感应熔炼冶金效果提纯精炼真空提纯的主要反应是碳和氧形成CO气泡的反应，应通过气泡沸腾过程去除氮和氢。通过加入活性元素铈、钙和镁，可在一定程度上去除硫、磷。真空和高温，可促使夹杂物分解，蒸气压大的杂质元素挥发去除。精确控制成分提高性能利用真空感应熔炼主要用于航空涡轮盘、叶片的精密铸造、马氏体时效钢及原子反应堆用的不锈钢等。7.3电渣重熔法电渣冶金的优越性

1）质量优良。纯净度高、组织致密、成分均匀、表面光洁。

2）生产灵活。可生产各种形状的钢锭。

3）工艺稳定。质量和性能再现性高。

4）经济合理。设备简单，操作方便，成本低，成材率高。

5）过程可控性好。电渣冶金品种及产品规格的发展钢及合金品种的扩大

1）转子用钢

2）轧辊材料

3）高速工具钢

4）模具钢

5）轴承钢7.3电渣重熔法

熔炼方法非金属夹杂物/%气体含量/%疲劳强度/MPa氧化物硫化物氮化物[O][N]电炉熔炼0.01570.01610.00840.00380.0131730真空电弧重熔0.0050.00380.00270.00260.0089780电渣重熔0.0050.00210.00350.00280.00988506）火炮身管及装甲板用钢7）飞机起落架用钢8）超级合金9）有色金属及其合金表1各种方法熔炼轴承钢疲劳比较最大变形达90%高温合金7.3电渣重熔法电渣冶金生产巨型铸件

工业设备大型化，如21000马力柴油机曲轴需150t钢锭，1200MW汽轮机和发电机转子均需300t巨型钢锭。1）电渣重熔法2）自耗模电渣重熔法3）电渣焊法4）电渣分批浇铸法5）电渣热封顶法。7.3电渣重熔法电渣重熔厚板坯电渣重熔复合钢锭

BS1503-622铁素体钢区过渡区316奥氏体钢区7.3电渣重熔法提高技术经济指标提高熔化率，降低电耗直接影响比电耗的是电渣重熔电效率及渣池散热率，即：填充比K对重熔熔化率v及比电耗W的影响

电极直径/mm152190230254填充比K0.2570.4010.5880.716熔化率v/kg/h94116181227比电耗W/kW·h/t2540207013231053钢锭直径300mm，渣量32kg，输入功率240kW7.3电渣重熔法结晶器直径300mm，电极直径150mm结晶器直径300mm，电极直径254mm

在渣池输入功率恒定条件下，增大填充比K，可以大大增加电极端头吸热量，减少渣池表面热辐射损失，改变渣池热分配。且结晶器冷却水带走热量减少，必然使熔速增加，热效率提高，比电耗W减少。7.3电渣重熔法提高金属利用率和产品合格率采用铸造电极电渣重熔或电渣熔铸金属材料利用率可进一步提高。降低电渣重熔成本

1）降低电耗，减少生产成本。

2）采用铸造电极代替锻造电极，电渣重熔成本降低约20%。

3）提高金属成材率，降低废品率。

4）改进操作。采用双工作位，减少辅助工时，提高自动化水平，减少劳动定员。

5）减少电渣钢加工工序。提高电渣钢质量电渣重熔二次冷却抽锭式电渣炉附加二次冷却，能强化制冷效果，消除各种偏析。7.3电渣重熔法电磁搅拌与超声振荡气—粉吹炼及变性处理

高速钢中加孕育剂降低莱氏体网距的效果。7.3电渣重熔法稀土元素在电渣重熔中的应用生产工艺冲击韧性/MPa+20℃-40℃平炉钢4.61.7电渣重熔（Al脱氧）12.44.6电渣重熔（Ce脱氧）12.67.5熔炼室内电渣重熔电渣重熔活性金属及含活性金属的合金，是在封闭熔炼室中充氩气进行保护下进行的。

稀土元素对16MnNiMo冲击韧性的影响电渣冶金未来展望电渣重熔在中型及大型锻件生产中，将处于垄断地位。在优质工具钢、模具钢、马氏体时效钢、双相钢管坯及冷轧辊方面，电渣钢占绝对优势。枪炮弹簧及仪表弹簧钢，将选用电渣重熔；航空轴承及仪表轴承用钢，仍采用电渣重熔生产。在超级合金生产方面，电渣重熔与真空电弧重熔处于竞争局面。在有色金属生产方面，电渣重熔处于方兴未艾大发展阶段。电渣熔铸管件、环件、异形铸件上有独到之处，占独特地位。7.4等离子(Plasma)弧熔炼法一、等离子熔炼及其特点

等离子体是一种强有力的高温热源，利用等离子体作为热源，可熔炼或重熔金属材料。1.等离子体的产生给气体原子和分子施以足够能量，电子可脱离原子核形成自由电子，而原子则成为正离子，电离达到一定程度，呈现明显的电磁特性，成为区别于物质固体、液体、气体的第四态-等离子体。等离子体-就是由自由电子、正离子以及未经电离的气体原子和分子组成的混合体。等离子体在电的性质方面呈“中性”，但在外电场的作用下却具有良好的导电性、导热性，同时又是一个高温热源。获得等离子体，需给气体一定的能量，一般用“电离电位”表达此能量。等离子体的产生

电离电位越大，所需能量也越高，供给气体能量的方式如下：

1）以一定波长的光照射气体原子（或分子）；

2）用加速到一定速度的粒子撞击原子（或分子）；

3）将气体加热到一定温度，进行热电离；多数气体在温度超过8000K时，会发生热电离。2.等离子体的分类按温度分高温等离子体低温等离子体按工作压力分高压等离子体低压等离子体目前工业上应用低温、低压等离子体，产生方法有电弧法和高频感应法。类型电离度dT×100²(K)导电性高温≈1>10很高低温<10.5-3较高电弧<<10.5-0.6一般等离子枪3.等离子枪电弧等离子枪高频等离子枪非转移型等离子枪转移型等离子枪中空阴极型等离子枪水冷喷嘴Th-W阴极+++---中空阴极被加热材料被加热材料阳极是水冷铜喷嘴，起弧后，电源正极由喷嘴转移到被熔化的材料上-转移型等离子枪。工业上多用转移型或中空阴极型电弧等离子枪。7.4等离子(Plasma)弧熔炼法4.等离子弧的特点等离子弧是一种导电截面强烈收缩，而能量高度集中的电弧。高温（5000-30000K）；能量高度集中；离子化状态；离子流速度快（100-500m/s）。5.等离子熔炼的优点温度高-高的热效率，炉料熔化快。由于高温和喷射作用，气体和夹杂物可得到充分去除。超高温+惰性保护,能熔炼难熔和活泼金属及其合金。工作时电气参数稳定。可按工艺要求，炉内选用不同的气体介质（还原性、惰性等），以及不同的工作压力。可造渣精炼。没有增碳的可能性。等离子熔炼可使金属进行等离子渗氮，[N]=0.6-1.0%。7.4等离子(Plasma)弧熔炼法二、等离子枪的电极材料和等离子工作气体1.电极材料喷嘴-紫铜电极-钍钨、铈钨、石墨电极2.等离子工作气体Ar、He、H2、N2以及Ar+N2、Ar+H2等；Ar最普遍，原因是Ar是单原子，易电离，又是惰性气体。三、等离子熔炼的类型等离子电弧炉PAF；等离子感应炉PIF；等离子电弧重熔PAR；等离子电子束重熔PEB；等离子钢包精炼。等离子电弧炉PAF

外形与普通电弧炉相似，以等离子弧作热源，等离子弧由枪的阴极向埋在炉底的阳极转移，用感应线圈搅拌金属熔池。隔离开关高压控制柜变压器饱和电抗器整流柜电阻直流接触器高频引弧装置电磁搅拌线圈电器联接图由于离子弧温度高，热量集中，会引起局部金属过热，所以在炉底耐火材料的外层，装有两个水冷铜管线圈，搅拌熔池。等离子电弧炉PAF等离子电弧炉的优越性：

1）合金收得率高。如Al50-79%，Ti60-80%；

2）铁的损耗低于普通电弧炉，小于2%；

3）比普通电弧炉噪音低，在80dB以下；

4）电极、耐火材料、氧气和氩气等消耗降低，成本降低；

5）可避免间隙性能量传递，闪烁现象减少；

6）等离子电弧炉熔炼钢的纯净度高于普通电弧炉。工业上有经济价值的应用：

1）镍基合金、不锈钢、超级合金等切屑的回收熔炼；

2）熔炼超低碳钢；

3）利用等离子体中的氮离子渗入钢液，熔炼含氮钢。等离子感应炉PIFPIF是利用稳定的等离子弧的超高温和惰性气氛与感应加热及电磁搅拌作用相结合的新型熔炼炉。炉体部分可采用工频炉、中频炉等，与普通感应炉不同之处，坩埚底部装有炉底阳极。PIF加有炉盖，可以造渣脱硫。合金收得率达95%以上。热源由等离子弧和感应加热组成，而以感应加热为主。等离子电弧重熔PAR一般PAR做成直筒形，炉盖、炉底和炉壳通水冷却。结晶器安在炉膛中间。重熔前，先将炉内抽成真空Ar气为工作气体时，一边进气，一边抽气，并使炉内保持一定压力。PAR采用水冷结晶器，使熔炼和结晶同时进行。重熔和浇注过程不受耐火材料污染，且等离子温度高，可使钢中夹杂物分解，有害元素S、P、Pb、Sb等挥发。1-重熔金属棒2-等离子枪3-水冷铜结晶器4-铸锭5-熔炼室6-拉锭装置等离子电子束PEB炉等离子电子束是用钽制的中空阴极，在低真空下，用Ar等离子弧加热钽极，由钽极发射电子束。从阴极发射出的热电子,电场的作用下高速飞向阳极(金属炉料),使其加热熔化。PEB炉适用于生产活性金属Ti、Zr、Nb、Ta、W等及其合金。等离子钢包精炼等离子钢包精炼，是炉外精炼和等离子冶金两项新工艺的有机结合。利用等离子高温、气体稀释、熔池渣洗及电磁搅拌综合精炼作用，能在真空条件下获得真空条件下精炼材料的水平。具有以下技术优势:1)可按需要控制钢包内气氛及等离子工作气体；

2)解决了钢包精炼辅助热源；

3)工艺灵活，具备SKF功能；

4)钢包寿命高，产品适应性广。等离子技术的新发展

1.等离子熔融还原等离子技术的新发展

2.活性金属等离子熔炼1)铬的熔炼铬是难以采用真空熔炼的金属，采用等离子熔炼铬，可以脱氧和脱硫。使用的炉子是等离子渣壳熔铸炉PSC，如图所示。2)钛的熔炼钛是活性金属，通常用真空熔炼法制取钛锭。熔炼工艺有：PAR、PAR+VAR、VAR+VAR。3)锆的熔炼-与钛大致相同4)新型特种合金的熔炼包括：Ti系、Zr系储氢合金，NiTi形状记忆合金，Nb-Ti系超导合金等。等离子技术的新发展3.等离子弧制取超细粉末4.连铸中间包加热钢水技术采用等离子加热后，中间包钢液可控制在5℃以内，使出钢温度降低10-20℃。中间包等离子加热的特点如下：

1)气氛可调，不污染钢液，可防止二次氧化；

2)加热过程简单，温度控制准确，升温速度快；

3)促进夹杂物上浮，有助于改善铸坯质量；

4)热效率较低，等离子枪寿命短，温度分布不均匀，噪音大。7.5其它熔炼法(真空电弧、电子束)

1.真空电弧重熔VAR（VacuumArcRemelting）将待重熔金属制成自耗电极，在真空下，利用直流电弧作热源，将自耗电极逐渐消熔，熔化金属滴入水冷结晶器内，凝固成锭，熔滴通过5000K的电弧区，在高真空下得到精炼。VAR是将提纯净化、改善铸锭结晶结构集中在一道工序解决。VAR用来熔炼钛、锆、钼、钨等活性金属和难熔金属，也用于熔炼优质耐热钢、不锈钢、工具钢和轴承钢。1-电流导线2-水冷电极杆3-真空室4-电极夹头5-过渡电极6-接真空系统7-金属自耗电极8-水冷铜结晶器9-稳弧线圈真空电弧重熔工艺真空电弧重熔的优缺点

优点：(1)熔炼过程不受耐火材料、大气和铸模的玷污；

(2)可生产大尺寸、大吨位的金属锭；

(3)在水冷结晶器中边熔炼，边凝固成锭，可消除缩孔、偏析和中心疏松等缺陷；

缺点：(1)必须制造自耗电极，多了一道工序；

(2)锭子为柱状晶，且上部晶粒较大，对压力加工不利。真空电弧重熔工艺

一、工艺参数的选择自耗电极合金钢及超级合金电极用铸造或锻造制作；对Ti、W、Mo及其合金采取压制成形。电极直径选择公式：d/D=0.65-0.85（d-自耗电极直径，D-结晶器直径）真空度、漏气率真空度不宜过低或过高，保持在1.3Pa左右即可。重熔合金钢及合金一般要求漏气率E≤6.7Pa·L/s；对难熔金属及合金要求E≤0.4-0.67Pa·L/s。熔炼电流熔炼电流决定熔化速度、熔池温度，对熔池的形状、体积、深度有着最直接的影响，最终反映到合金精炼效果及结晶组织。真空电弧重熔工艺计算熔炼电流经验公式序号公式单位适应范围备注i或Id或D1i=3800/d-5I，A/cm2d，mm合金钢，铁或镍基合金d=4-300mm电极稳定融熔化的最小I2I=160DI，AD，mm合金钢D=45-150mmd/D=0.7-0.8或优质锭的最小I3I=(16-20)dI，Ad，mm合金钢，铁基或镍基合金d=10-300mmd/D=0.65-0.85或优质锭的最小I熔炼电压目前一般采用大断面电极，短弧操作，电弧长度一般30mm，大直径锭是50mm，电弧电压U=22-65V。真空电弧重熔工艺熔化速率单位kg/min，用与自耗电极升降相联动的标尺在单位时间下降距离S（mm/min）来确定，计算公式为：冷却强度结晶器是薄水层，保持紊流态Re>2300，底结晶器进出水温差<3℃，上结晶器进出水温差20℃，出水口温度45-50℃。真空电弧重熔工艺二、真空电弧重熔操作自耗电极焊接自耗电极和过渡电极焊接在真空条件下，用金属屑引弧，与过渡电极保持20-30mm，过渡电极压下通电即开始焊接。正常情况下采用大电流-短弧-短时间-快速焊接。引弧空载电压45-50V，自耗电极与金属屑瞬时接触，燃起电弧。熔炼-对电弧长度进行精确控制电弧过长，熔池呆滞，电压28-30V，弧长40mm。电弧过短，熔池颜色明暗不定，电压电流摆动幅度大，弧长在15mm以下。弧长正常，熔池清晰活跃，熔液徐徐波动，电压24-26V，弧长25-30mm。封顶采用逐级减少熔炼电流以降低熔化速度，缓慢充填。

7.5其它熔炼法(真空电弧、电子束)2.电子束熔炼(ElectronBeanMelting)在真空环境下，加热阴极，通过电压降来加速从离子中放射出的电子。用电场和磁场聚集电子束，使其轰击所要熔化的金属。电子与金属碰撞时失去动能，变成熔化炉料的热能。

促进了电子束熔炼的发展的原因

1）温度。对难熔金属W、