真空冶金现状(特种冶炼作业)

真空冶金现状、新技术及其发展方向

摘要：叙述了真空冶金的分类；重点介绍了真空感应熔炼（VIM）、真空（自耗）电弧重熔(VAR)、电子束重熔、冷坩埚熔炼(Cold Wall Crucible Melting)、真空电弧双电极重熔(VADER)、循环真空脱气法RH 及RH-OB法；分析了真空冶金的独特优势；讨论了几种常用的真空冶金技术、特点及其应用范围；讨论了新材料制备工艺方法的选择。

关键词：真空冶金、特种冶炼、熔炼、重熔

随着科技的进步，生产生活中要求材料的性能也不断提高，功能材料的应用也日益广泛。应用最多的还要数金属材料，对金属材料的各种性能提出了越来越苛刻的要求，普通的冶金产品就很难达到要求，所以特种冶金越来越被很多人看好。特种冶金不仅在钢铁冶金，而且在有色金属加工、机械加工、航空航天和电子材料等工业领域发挥着日益重要的作用，尤其是在特种钢和合金材料的生产中，现在很多牌号的产品都由效率高、冶金质量好、竞争能力强的特种冶炼方法来承担。

特种冶炼方法中真空冶金占据着半壁江山。所谓真空冶金是指在隔绝空气条件下（小于大气压）精炼和浇注金属以提高产品纯洁度的一种冶金方法。真空冶金中，作为金属材料制备工艺主体仍是: 真空熔炼( 真空感应熔炼VIM、真空电弧重熔VAR、真空电子束熔炼VEBM、电子束重熔) ; 真空二次精炼( 钢包真空处理Gazad、循环真空脱气RH-OB、真空电弧精炼VAD、真空脱碳精炼VOD、真空氩氧精炼AOD-VCR)、冷坩埚熔炼（Cold Wall Crucible Melting）、真空电弧双电极重熔(VADER)。后面两种属于特种冶金中的新技术。

1、非真空下冶金的局限性和真空冶金的优点[2]

1. 1大气冶金过程的局限性：

活泼金属易氧化，合金成分难精确控制；

金属熔池与空气作用，合金中含有害气体难去除；

大气下熔炼抑制了挥发过程，不能去除有害元素。

1. 2真空冶金的优点：

没有使材料污染的炉气；

防止气态金属再氧化；

降低金属还原温度和蒸发温度；

解决常压下难以解决的问题；

蒸汽压比基体金属高的杂质元素，可通过挥发去除，易氧化元素Al、Mg、Zr、B等成分容易控制。

2、几种常用熔炼方法的特点及应用[3]

2. 1 真空感应熔炼（VIM）

真空感应熔炼是高温合金生产的重要工艺,特别是对含有铝、铁等活泼元素较多的元素的合金,必须采用真空感应熔炼工艺。美国已有容量为60 吨的真空感应炉和精密铸造真空感应炉达100 座以上。近年来,在真空感应熔炼高温合金时,国外已广泛采用电子计算机进行控制和调整成分。我国比较先进的技术是对镁的含量的控制及建立了数学模型,并成功地用于生产。

为了提高真空感应熔炼金属的纯净度,国外的方法是:严格控制原材料的纯净度、提高坩埚材料的稳定性、延长精炼时间、吹氩搅拌脱氮、过滤技术等。

2. 1. 1 VIM法的特点及应用

(1) 金属熔炼、熔化、合金化及浇注均在真空条件下进行,避免了因与大气的相互作用而污染。

(2) 在真空条件下,碳具有很强的脱氧能力,其产物CO 被抽至系统之外,克服了采用脱氧剂的脱氧产物的污染。

(3) 可以精确控制成分,特别是Al 、Ti 、B、Zr等可控制在很窄范围之内。

(4) 低熔点有害杂质、微量元素及气体可被去除,还可以消除二次氧化。强烈的搅拌速度可加快反应速度,并使熔池温度均匀、成分均匀。

(5) 熔炼与铸造操作容易。

(6) 存在冶炼过程中坩埚耐火材料污染金属问题。

在国外,真空感应熔炼主要是用来生产真空电弧重熔的电极。在国内,真空感应熔炼是基本的熔炼方法,主要用于熔炼高温合金、高强度钢和超高强度钢。

2. 1. 2 辅助方法

(1) 采用CaO 耐火材料

(2) 电磁搅拌

(3) 过滤

(4) 加稀土元素

2. 2 真空（自耗）电弧重熔(VAR)

真空自耗(电弧) 熔炼是高温合金的主要熔炼方法。

2. 2. 1 特点

(1) 重熔过程能使部分不稳定的氧化物、氮化物分解或被碳还原,或使稳定的氧化物、氮化物通过熔池上浮净化合金液体。

(2) 气体和有色金属杂质在真空下去除,但不能脱硫。

(3) 易氧化元素不易烧损。

(4) 对活性元素(如A1、Ti) 而言的惰性性质和在铸绽中得到的控制凝固组织,铸绽的一致性和均匀性较好。

(5) 夹杂物数量少、体积大。存在树状晶环和“白点”缺陷所生产的铸链总是园柱形,铸绽的表面质量较差

2. 2. 2 应用

它主要用来生产活泼金属铁、锆和难熔金属钨和钼。50 年代初,在国外开始用来重熔高温合金。目前是高温合金的最佳冶炼方法之一。

2.3 电子束重熔

电子束重熔法是在高真空和高温的条件下使钢或合金获得净化精炼的一种熔炼方法。它与钢和合金的其他特种熔炼方法相比，有以下特点：

（1）电子束重熔是在很高的真空度（可达10-5mmHg—0.00133Pa）下进行的。它比真空感应炉、真空电弧炉的真空度要高的多。因此对于金属中的气体、非金属夹杂以及某些有害元素的去除要完整和彻底的多。净化精炼反应的速率也比较其他真空炉来的高。

（2）在重熔过程中能对熔化炉料的功能和加热熔池的功率分别进行调节，因而当熔化速度改变时，仍可以使熔池保持所需要的温度。由于能对熔化炉料的功能进行调节，加之送料速率可以调节控制，因此可以在较大范围内调整金属炉料的熔化速率。

（3）由于射到阳极上的电子束释放出很高的能量，使金属熔池能达到很高的温度（熔池表面温度可达1850o C）,这不仅有利于重熔过程中精炼反应的进行，并且可以熔炼钽、铌、钨、钼等高熔点金属。

（4）电子束的可控性好，所以可通过控制电子束来控制熔池的的加热部位，从而保证熔池温度分布均匀。这将有利于得到表面质量和结晶组织优良的金属锭。

（5）电子束炉不仅能熔化料棒，还可设计成能熔化料块、屑状或粉末状的金属料。

电子束重熔的精炼效果比真空感应炉熔炼和真空电弧炉重熔都优越。由于其材料纯度最高，故使金属性能得到明显的改善与提高。

2.3.1应用

主要用于稀有金属、贵金属以及难熔金属材料的熔炼、提纯以及回收重熔，还可以用于制取半导体材料和难熔金属及其合金的单晶等。

2.4 冷坩埚熔炼(Cold Wall Crucible Melting) 又称为感应壳熔炼( Induction Skull Melting)（真空冶金的新技术）[4]

它起源于悬浮熔炼和感应渣熔炼。研究这种熔炼方法的目的在于无污染的熔炼活泼金属和难熔金属。美国的坩埚容量为200kg，俄罗斯冷坩埚最大直径达1 m。坩埚材料采用纯铜以减少阻抗, 冷坩埚熔炼用于活泼金属T i、Zr 、Cr 和难熔金属W、Mo、Co 合金的制备。由于熔炼活泼金属, 通常在真空或惰性气体保护下进行, 按学科分类列入真空冶金。用于浇注铸件和铸锭, 其示意图见图1、图2。

冷坩埚熔炼的特点是避免了耐火材料的污染:大功率的搅拌促进了成分的均匀化,密度差较大的成分也可以比较均匀。整个熔体的温度均匀可控,不产生局部过热。

现行的生产工艺中只有在水冷结晶器中的重熔精炼才兼具有提高金属纯净度和控制凝固组织的双重功能。目前,这一技术主要用于钛合金及金属间化合物的熔炼。

2.5 真空电弧双电极重熔(VADER) （真空冶金的新技术）[4]

真空电弧双电极重熔( VADER- VacuumArc Do uble Electr ode Remelt ing ) 是真空电弧重熔的新发展, 它是80 年代用于工业的新技术。

它用于制备细等轴晶铸锭。其过程是: 在真空条件下, 两支金属自耗电极水平对置, 作为直流电的阴极和阳极, 通过使两极间产生电弧放电, 两自耗电极端头在电弧作用下呈熔化薄膜汇聚成熔滴, 熔滴在重力作用下落入结晶器内凝固。熔滴在下落过程, 离开热源, 受到冷却, 温度降至合金液相线与固相线之间, 液相中呈现许多固态晶核, 加上旋转机械破碎作用重熔铸锭或铸件获得细等轴晶,过程见图3。

VADER 工艺不足之处为:

(1) 锭子直径较大时, 靠旋转离心力使处于半熔融金属流到铸锭壁处困难。恶化了重熔锭表面质量, 用VADER 难于生产d> 500 mm 的锭子。

(2) 由于离心力作用, 使金属液中元素因密度不同产生径向分布不均匀(如Inco nel 718 合金) 。

以后的工作是研究VAD-ER过程中的凝固特性及元素的偏析行为。