第七章+特种冶炼
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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
1. 感应熔炼(Induction Melting)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。
E2 4.44 f n2
感应电动势
焦耳-楞次定律 Q=I2Rt
产生热量
4.44 f
I2
R2
感应电流
7.2 真空感应熔炼
2.真空感应熔炼 真空感应炉设备
疲劳强度 /MPa
730 780 850
6）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
高温合金
最大变形达90%
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。
5t
1600 400-600 0.15-0.5
2500 20-65 50
30t 2400 600 0.06
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。
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
BS1503-622 铁素体钢区
过渡区
316奥氏体钢区
电渣重熔 复合钢锭
7.3 电渣重熔法
提高技术经济指标
W q
W -比电耗，kW h / t
提高熔化率，降低电耗
EH
直接影响比电耗的是电渣重 E 电渣重熔热效率;
熔电效率及渣池散热率， H 渣池散热效率;
即：
q 1t钢熔化和过热消耗电能, kW h / t。
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
1）电源系统；2）真空系统；3）炉体；如下图：
翻炉机构 真空系统
加料机构 取样和捣 料装置
坩埚 感应器
测 温 装 可动炉体 置
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。
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：
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
表1. 真空感应炉电源
炉容量 电源参数
熔 功率/kw
拌 电
电压/V
源 频率/kHz
80kg 100 250 2-4
300kg 300
400-600 1-2.5
1t
600 400-600
0.5-1 700 20-65 50
3.5t
1200 400-600
0.5-1 1800 20-65 50
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
熔炼方法
电炉熔炼 真空电弧重熔 电渣重熔
表1 各种方法熔炼轴承钢疲劳比较
非金属夹杂物/% 氧化物 硫化物 氮化物
气体含量/%
[O]
[N]
0.0157 0.0161 0.0084 0.0038 0.0131
0.005 0.0038 0.0027 0.0026 0.0089
0.005 0.0021 0.0035 0.0028 0.0098
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}
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
1. 感应熔炼(Induction Melting)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。
E2 4.44 f n2
感应电动势
焦耳-楞次定律 Q=I2Rt
产生热量
4.44 f
I2
R2
感应电流
7.2 真空感应熔炼
2.真空感应熔炼 真空感应炉设备
疲劳强度 /MPa
730 780 850
6）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
高温合金
最大变形达90%
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。
5t
1600 400-600 0.15-0.5
2500 20-65 50
30t 2400 600 0.06
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。
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
BS1503-622 铁素体钢区
过渡区
316奥氏体钢区
电渣重熔 复合钢锭
7.3 电渣重熔法
提高技术经济指标
W q
W -比电耗，kW h / t
提高熔化率，降低电耗
EH
直接影响比电耗的是电渣重 E 电渣重熔热效率;
熔电效率及渣池散热率， H 渣池散热效率;
即：
q 1t钢熔化和过热消耗电能, kW h / t。
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
1）电源系统；2）真空系统；3）炉体；如下图：
翻炉机构 真空系统
加料机构 取样和捣 料装置
坩埚 感应器
测 温 装 可动炉体 置
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。
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：
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
表1. 真空感应炉电源
炉容量 电源参数
熔 功率/kw
拌 电
电压/V
源 频率/kHz
80kg 100 250 2-4
300kg 300
400-600 1-2.5
1t
600 400-600
0.5-1 700 20-65 50
3.5t
1200 400-600
0.5-1 1800 20-65 50
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
熔炼方法
电炉熔炼 真空电弧重熔 电渣重熔
表1 各种方法熔炼轴承钢疲劳比较
非金属夹杂物/% 氧化物 硫化物 氮化物
气体含量/%
[O]
[N]
0.0157 0.0161 0.0084 0.0038 0.0131
0.005 0.0038 0.0027 0.0026 0.0089
0.005 0.0021 0.0035 0.0028 0.0098
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}