冶金原理及工艺6金属的现代冶金熔炼技术

p H 2 p、N 2 —氢和氮在炉气中的分压；
（6.1） （6.2）
k H k、N —氢和氮的反应平衡常数。
由式（6.1）和式（6.2）可知，降低炉气中的氢气和氮气分压时，铁
液中的气体含量随之减少。如果真空度为10μm汞柱（1μmHg=1.36×10-2P
a）时，钢液中氢的含量可降低至10-6以下。实践证明，金属和合金经过真
值已很小，当
P h 2
R
时，真空度的提高已不再影响Pco，也就不能使碳的脱氧能力提 高。
3.金属元素的蒸发 钢液中的每种元素都有一定的蒸气压，当蒸气压超过外界压力时， 元素即蒸发。在常压下进行的熔炼不发生显著的蒸发现象。但在真空 条件下冶炼时，某些蒸气压较高的元素就会出现显著的蒸发。真空下 炼钢易发生蒸发的元素有Mn、Cu、Pb、Bi等。在真空度为10μmHg 条件下炼钢时，锰的蒸发损耗曲线如图6.2所示。锰的蒸发损耗量与时 间呈线性关系。由图可见，温度对蒸发速率有重要影响。其原因是钢 液中锰的蒸气压随温度上升而增高。除锰以外，铜也比较容易蒸发， 但蒸发速率比锰小得多。 利用元素的蒸发，可以去除钢中的一些易挥发杂质，从而提高了 钢的质量。但当出现有用元素大量蒸发时，则要采取措施加以抑制， 如通入一定压力的惰性气体就能抑制金属元素的蒸发。
2.真空脱氧 由于金属液的融化过程是在真空条件下进行，金属液中的元素氧化很 轻，因此，金属液中的氧化夹杂物很少。另一方面，在真空条件下，碳 的脱氧能力提高。这是因为金属熔体中的碳氧反应为
[C]+[O]=CO (6.3)
当铁熔体中的含碳量和含氧量都不高时，可以认为其活度aC=[%C]，
aO=[%O]，则平衡常数为
图6.3 含0.2%C钢在Al2O3—SiO2坩埚中进行真空熔炼时含硅量的 增加和含碳量的减少
三、真空感应电炉的熔炼工艺
真空感应电炉熔炼的整个过程可以分为下列几个阶段：装料、炉料熔化、 真空精炼、合金化和浇注。
1.装料 首先应确定哪些料作为装炉料，哪些料作为合金添加料。确定的依据是各 种炉料的活泼程度、熔化温度及蒸气压等性质。一般将活泼程度低、熔化温 度高的大块料作为装炉料。而把活泼程度高、熔化温度低或蒸气压高的炉料 作为合金添加料。
k
pCO
[% C][% O]
即 [%C]•[%O] pCO
(6.4)
k
式中：pCO—气相中CO的分压。 由于k值只与温度有关，与压力无关。因此，在真空下pCO降低时， [%C][%O]也随之降低，也就是说，真空使碳的脱氧能力提高。理论上，
随着真空度的提高，碳的脱氧能力很快超过硅，甚至超过铝。但实际上碳
的脱氧能力达不到理论计算值，尤其是在高真空度下。这是由于碳氧反应
还受其他因素的影响。
实际上碳氧反应生成的一氧化碳气泡内的压力为
PCOPh2
R
(6.5)
式中：P—液相表面气相的压力；
γ—ห้องสมุดไป่ตู้体金属的比密度；
h—气泡距液体表面的距离；
σ一气-液界面张力;
R—气泡半径。
真空使气相压力P减小，从而使pCO减小。但当真空度很高时，P
图6.2 在真空条件下锰的蒸发损耗情况
4.液态金属与耐火材料的相互作用
在真空熔炼条件下，炉衬耐火材料会被金属液所侵蚀，这种侵蚀表现为耐 火材料中的SiO2为金属中的碳所还原。其结果是还原产物Si进入金属液，使金 属液的化学成分发生变化，这种现象称为金属液的沾污。其反应为:
2[C]+(SiO2)→ [Si]+2CO ↑ (6.6) 在大气冶炼条件下，由于炉气中 CO的分压较高，式(6.6)反应受到限制。 而在真空条件下，反应明显加剧，其结果使金属的含碳量降低，含硅量上升 。在真空条件下用SiO2—Al2O3材质坩埚熔炼含0.2%C钢时，含碳量与含硅量 的变化如图6.3所示。由于铝与氧之间的化学亲和力很强，故炉衬材料中的另 一种成分Al2O3基本上不被还原。也就不会发生明显的钢液增铝现象。 根据实验，欲使炉衬材料与液态金属间的相互作用降到最小，除了选用稳 定性更高的炉衬材料，如Al2O3、MgO、CaO、ZrO2等外，在熔炼过程中真空 度不能太高，并尽量缩短金属熔体在真空下的保持时间。
在向坩埚内装入炉料时，必须预先考虑到炉料在熔化过程中能自上而下自 由降落，防止“搭桥”现象。炉料最多装至坩埚口，不可超出。所有合金添 加料按照工艺要求依次装在补加料器内。
第六章
金属的现代冶金熔炼技术
§6.1 真空感应电炉熔炼 §6.2 电渣熔炼 §6.3 等离子炉熔炼 §6.4 电子束熔炼 §6.5 炉外精炼
1
随着现代科学技术的发展，对更高纯度、更高性能或特殊性能 的金属材料的需求日益增多，从而推动特殊熔炼设备和熔炼方法的 发展。新的熔炼技术往往首先在军工产品上获得应用，然后逐步向 民用工业转移，随着冷战的结束和各国对高技术发展的重视，加快 了先进熔炼方法向民用工业的转移步伐，在我国尤其如此。
空熔铸，都能保证良好的脱氢效果。而脱氮则比较困难。因为氮和很多元
素作用生成氮化物，靠真空处理很难使其气相中的氮分压低于氮化物的分
解压。
图6.1 真空感应电炉炉体部分构造
1-真空密封回转轴承；2-感应器接线装置；3-感应器；4-炉衬；5-加料器；6观察窗；7-加料翻斗；8-炉盖；9-炉壳；10-测温装置；11-真空计接头（真空 计未画出）；12-保护气体控制阀；13-放气阀；14-大阀门；15-高真空控制阀； 16-低真空控制阀；17-捕集器（捕集炉气中灰尘）；18、19-真空管道；20-真 空容器；21-增压泵；22-机械式真空泵
本章重点讨论真空感应电炉熔炼、电渣熔炼及等离子熔炼的原 理及工艺。
二、真空熔炼原理 1.真空脱气 双原子气体在金属液中的溶解度与气体分压的平方根成正比。例如氢
和氮在铁液中的溶解反应及溶解度为
1 H 2 [H ] [%H]kH pH2
2
1 N 2 [N ]
[%N]kH pN2
式中：[%H]、[%2N]—氢和氮在铁液中的溶解度；
脱气动力学研究表明，氢原子有很高的活动性，很容易扩散。在真空 熔炼金属时，有可能通过金属熔池表面去除一大部分氢。而真空脱氮在 很大程度上是间接的，当金属液中不存在稳定的氮化物时，主要通过真 空处理使碳氧反应产生的熔池沸腾促使金属脱氮。当金属中含有与氮亲 和力较大的元素时，使生成的稳定氮化物上浮，也可降低金属中的含氮 量。