特种熔炼

特种熔炼

特种熔炼(special melting)

泛指转炉、电弧炉、平炉、感应炉等普通熔炼方法以外的熔炼方法，主要有真空熔炼、等离子熔炼和电渣冶金等，用于制备那些以普通熔炼方法不能或难以熔炼的特殊金属材料。

在特殊钢及合金生产中的作用与地位现代化工业技术的迅速发展，特别是随着海洋开发、航空航天、信息工程、生物工程及能源开发而出现的现代尖端技术的迅速发展，对特殊金属材料(高级合金钢及合金)的品种、质量提出了越来越高的要求。例如，主要使用于航空发动机、舰艇燃气轮机及某些火箭发动机关键部件(叶片及涡轮盘)的高温合金，除要求承受一定的高温作用外，还要能够在氧化性气氛或燃气条件下长期工作。为此，它们必须具有特定的组织结构和化学成分，从而获得较高的强度、塑性、韧性、持久性能、疲劳性能、蠕变性能、抗氧化性能、长期组织稳定性及其他力学、物理性能和良好的加工性能，等等。由于炉外精炼技术的发展，用电炉流程或转炉流程已经能够生产一些以前必须用特种熔炼方法才能生产的品种(例如航空滚珠钢等)，但特种熔炼在特殊钢及合金生产中仍然具有十分重要的作用与地位。特种熔炼主要用于难熔金属、活泼金属、高纯金属及近终形铸件或熔铸件的制备。

(1)难熔金属熔炼。难熔金属钨、钼、铌、钽、铼的熔点分别为3380℃、2675℃、2468℃、2980℃及3180℃，显然，用转炉、平炉及感应炉熔炼，熔炼温度达不到金属熔点。电弧炉电弧的温度虽可达4500℃以上，但在大气下熔炼，金属将被严重氧化，也不能用于难熔金属的制备。难熔金属必须用具有高温热源且在真空或惰性气氛下操作的特种熔炼方法来熔炼。

(2)活泼金属熔炼。钛、锆等活泼金属及其化合物或合金不能在大气下熔炼，钛还会与坩埚耐火材料作用，故只能用那些在真空条件下及水冷铜结晶器中进行的特种熔炼方法(例如真空电弧重熔或电子束熔炼)来制备，对于像Ti

Al那样的

3

金属间化合物，为了保证成分的均匀性，需采用具有感应搅拌的冷坩埚熔炼。

(3)高纯金属熔炼。在特种熔炼过程中的真空条件有利于碳一氧反应充分地进行，从而达到良好的脱氧效果；同时对一些杂质元素及低价金属氧化物的挥发去除效果亦十分明显。加上没有耐火材料污染，可以获得高纯金属材料，甚至可以通过多次重熔得到超纯的零夹杂物含量的钢及合金。

(4)近终形铸件或熔铸件的制备。通过真空精密铸造、真空凝壳炉离心浇铸、电渣离心浇铸、感应电渣离心浇铸、电渣熔铸等特种熔炼，可以获得各种各样高性能的特殊钢及合金的近终形铸件或熔铸件。

分类特种熔炼通常按热源类型或工艺流程类型进行分类。

按热源类型可以分为7类：(1)真空感应熔炼，包括悬浮熔炼及冷坩埚熔炼，属于感应加热；(2)真空电弧重熔，包括真空电弧双电极重熔及凝壳炉熔炼，属

于电弧加热；(3)电子束熔炼，属于电子束加热；(4)等离子熔炼，包括等离子重熔，属于等离子体加热；(5)电渣冶金，包括电渣重熔、电渣熔铸、电渣浇铸、有衬电渣熔炼、电渣离心浇铸、电渣热封顶及中间包电渣加热等，属于电渣加热；

(6)等离子感应炉熔炼，同时具有等离子体加热与感应加热两种热源；(7)感应电渣离心浇铸，同时具有感应加热与电渣加热两种热源。

按工艺流程可以分为3类：

(1)单炼。包括电弧炉熔炼(AAM)，感应炉熔炼(AIM)，真空感应炉熔炼(VIM)，等离子熔炼(PAF——等离子电弧炉熔炼或PIF——等离子感应炉熔炼)。

(2)双联。两种熔炼方法的联合使用：熔炼变形合金时，由先一种熔炼方法为后一种熔炼方法生产自耗电极，后者生产成品锭子。制备自耗电极的熔炼方法可以是普通熔炼方法，也可以是特种熔炼方法；熔炼铸造合金时，先一种熔炼方法用来制备母合金，后一种熔炼方法生产成品铸件。

用于变形金属熔炼的双联法包括：真空电弧重熔(VAR——用非真空熔炼的电极进行真空电弧重熔，包括电弧炉熔炼加真空电弧重熔及感应炉熔炼加真空电弧重熔)；真空电弧双电极重熔(VADER——用非真空或真空熔炼电极进行真空电弧双电极重熔)；双真空熔炼或真空感应熔炼加真空电弧重熔；非自耗电极真空电弧熔炼电极的真空电弧重熔或凝壳炉熔炼电极的真空电弧重熔(NAV)；等离子熔炼电极的真空电弧重熔(PMV)；电渣重熔(ESR——用非真空熔炼的电极进行电渣重熔，包括电弧炉熔炼加电渣重熔及感应炉熔炼加电渣重熔)；真空感应炉熔炼加电渣重熔(EVR)；非自耗电极真空电弧熔炼(凝壳炉熔炼)电极的电渣重熔(NER)；等离子重熔(PAR)；电子束熔炼(EBM，通常为电子束重熔)；真空感应炉熔炼电极的电子束连续流熔炼(VEB或VIM+EBCFM)；非自耗电极真空电弧熔炼(凝壳炉熔炼)电极的电子束熔炼(NEB)．

用于铸造合金熔铸的双联法有：感应炉加感应炉；感应炉加真空感应炉；电弧炉加感应炉；电弧炉加真空感应炉；真空感应炉加真空感应炉。

(3)三次熔炼。三种熔炼方法联合使用，制备质量要求特别高的金属材料。通常第一次熔炼是制备自耗电极，第二次为重熔，重熔金属再经第三次熔炼也是重熔。属于三次熔炼的方法有：真空感应炉熔炼加真空电弧重熔加电渣重熔；真空感应炉熔炼加电渣重熔加真空电弧重熔；非自耗电极真空电弧熔炼(凝壳炉熔炼)加电子束熔炼加真空电弧重熔。

实践表明，真空感应炉在高温合金生产中具有重要的作用和地位，一方面它是生产为真空电弧重熔及电渣重熔所需白耗电极的重要熔炼设备；另一方面它是用来生产铸造高温合金(制备母合金及熔铸精密铸件)的主要设备。在双联工艺中，双真空熔炼及真空感应炉熔炼加电渣重熔所占的比例最大。同样值得指出的是，电渣重熔在合金钢及高温合金的生产中具有显著的优越性，特别是真空感应炉熔炼加电渣重熔双联工艺方法具有强大的生命力。美国在用于航空燃气涡轮发动机的高温合金的生产方面，VIR所占比例逐年减少，而EVR所占比例逐年增加，很多品种的高温合金，特别是用于制造大型盘材的高温合金品种，已由原来用

VIR生产改用EVR生产了。三次熔炼则是用于对质量要求特别高的合金的生产。第三次熔炼采用电渣重熔主要是为了进一步改善铸造组织；而采用电渣重熔金属作为第三次真空电弧重熔的自耗电极，主要是为了保证合金具有很低的气体含量与微观偏析。

不同熔炼方法的对比各种熔炼方法(包括双联及三次熔炼)，其技术经济指标有很大差异，它们的冶炼质量也有所不同。

能源设备及技术经济指标不同熔炼方法工作原理不同、能源不同，因而所使用的设备也不同，各自的投资费用及产品能耗、金属收得率、成本等差别很大，如表l所示，用作单炼，真空感应炉熔炼金属质量较好，但设备费用及成本较高；作为二次重熔，电渣重熔较经济。

冶炼质量合金钢及合金的冶炼质量可以用成分控制、纯洁度及铸态组织作为评价指标。不同熔炼方法冶炼质量的对比列于表2。表3～表6则分别列出了采用ESR、VAR以及EBR等3种最常用的重熔方法所生产的重熔锭的纯洁度、铸态组织、二次枝晶间距、碳化物及枝晶偏析的对比数据。