特种冶金新技术_李正邦

特种冶金产品总量不到钢总 产量的 1% , 但 产值很高, 是生产高质量特殊钢及超级合金、难熔 合金( W、Mo、Nb、T a、Re) 、活泼金属( T i、V、Zr 等) 、 高纯金属( 如零夹杂钢) 及近终形铸件的手段。
近年各发达国家均致力发展特种冶金, 欧美 各国通称/ 特种熔炼0( Special Melt ing) , 独联体国 家 通 称 / 特 种 电 冶 金 0 ( ÁȺ±½Î¿±Ñ ½¶¼ÄÂÀ¾¶Ä±½½Å´ºÑ) , 在中国通用/ 特种冶金0。
关键词 特种冶金 真空冶金 等离子冶金 电渣冶金 冷坩埚感应悬浮熔炼
New Technology in Special Metallurgy
Li Zhengbang
( Central Iron and Steel Research Institute, Beijing 100081)
Abstract The new technology in special metallurgy including vacuum metallurgy technology - vacuum induction degassing pouring and cold crucible induction levitation melting, electroslag metallurgy technology- vacuum electroslag remelting, electroslag rapid remelting and electroslag cladding, and plasma metallurgy technology have been presented and its further development is reviewed in this paper.
氢电弧等离子法使用氢作工作气体, 由于氢 原子结合为氢分子时放出大量热, 从而产生强制 性的蒸发, 使产量大幅度增加。以纳米金属 Pd 为 例, 在上述装置生产率达 300 gPh。
使用氢等离子体法已制备了 30 多种纳米金 属、合金、金属间化合物及纳米氧化物。其中有: Mano- Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Ag、Bi、Sn、Mo、Mn、In、 Nd、Ce、La、Pd、T i、C 合金和金属间 化合物: CuZn、 PdNi、CeNi、CeFe、CeCu、ThFe 以 及 纳 米 氧 化 物: Al2O3 、Y2 O3 、TiO2 、ZrO2 等。
Material Index Special Metallurgy, Vacuum Metallurgy, Plasma Metallurgy, Electroslag Metallurgy, Cold Crucible Induction Levitation Melting
从冶炼热源及冶炼气氛上特种冶炼分为: 真 空冶金、电子束熔炼、等离子冶金及电渣冶金 4 大 类。
( 5) 有色金属生产方面, 电渣重熔处于方兴 未艾的发展阶段。
( 6) 电渣熔铸管件、环件及异形铸件上有独 特之处。
电渣冶金近年新进展, 当推真空电渣重熔、高 压电渣重熔、快速电渣重熔、电渣复合轧辊。 3. 1 真空电渣重熔( VAC-ESR)
在 90 年代, 德国 Hanau 城 Leybold 公司综合 了 VAR 与电渣重熔的优点, 开发出真空电渣重熔 VAC- ESR[12] 。
钢铁研究总院用冷坩埚感应悬浮熔炼成功地 生产了多种金属间化合物, 如 Ni3Al 基合金以及 TiAl 和 Ti3Al 合金等。
2 等离子冶金
等离子弧作为冶金热源的主要潜在优势是: ( 1) 能量集中, 温度高( 5 000~ 30 000 K) , 离 子流速度快( 100~ 500 mPs) , 可达到快速升温、快 速反应的效果; ( 2) 气体处于离子状态, 反应活性强, 可根据 需要选择工 作气 体。如 用还 原性 气体 ( H2、CO、 烃、烷) , 可进行矿石直接还原, 也可以脱氧使铸锭 不残存脱氧产物。用氮作工作气体使合金增氮; ( 3) 在高温等离子弧作用下, S、P、Pb、Be、Sn、 As 等杂质易挥发; ( 4) 等离子弧温度高, 适应于熔炼 W、Mo、Re、 Ta、Zr 及其合金; ( 5) 等离子弧调整范围广, 输入功率与金属 熔化率无直接关系, 重熔可以控制金属凝固, 制取 单晶体[ 4] 。 自 1962 年等离子电弧炉问世以来, 一度被视 为冶金的革命, 美国材料咨询局报告视为发展方 向, 一些第一流学者转向研究等离子冶金, 如美国 Szekely 教授、Bhat 博士、乌克兰 Paton 院士及日本 宇田雅广博士。但由于大功率水冷等离子枪寿命 及等离子热效率未解决, 发展受阻碍, 上述问题近 年正在逐步解决。然而在特定条件下, 等离子冶 金仍具有无限生命力。 2. 1 增压等离子体熔炼高氮奥氏体钢 熔炼含氮大于 0. 4% 的高氮奥氏体 钢, 是采 用高压电渣重熔法 PESR, 封闭熔炼室中充氮增压 至 4 MPa, 连续向熔池加 Si3N4 合金粉, 奥氏体钢 含氮可达 014% ~ 0169% [ 5] 。 近年 Siwka[ 6] 提出采用增压等离子体熔炼含 氮钢, 熔炼室 015 MPa, 熔炼时间大于 30 min, 奥氏 体钢中含氮量达 0149% 。根据等离子 体钢液吸 氮热力学计算, 压力为 1 MPa, 仅用氮气增氮, 使 奥氏体含氮可达 0187% 。 文献[ 6, 7] 计算出: 在弧温为 2 500 K 时 N、 N2+ 、N+ 溶 解 为 [ N ] 的 吉 布 斯 自 由 能 分 别 为 - 239149 JPmol、- 661155 JPmol、- 1 532144 JPmol, 说明 N2+ 及 N+ 存在增大钢液吸氮趋势。 同时由于等离子温度高, 其轴向射流速率大,
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特殊钢
第 23 卷
行下一炉装料, 大大缩短辅助时间, 生产周期缩短 到 2 h。它既可生产铸锭, 又可以浇铸自耗电极供 VAR、EBR、ESR 用, 近 10 年该公 司制造 了 18 台 VIDP 设备并投入生产。 1. 2 冷坩埚感应悬浮熔炼[ 2, 3]
近年出现冷坩埚悬浮熔炼技术( Cold Crucible Levitation Melt ing) , 通过采用不同频率分 段感应, 上部采用较高频率加热炉体, 下部采用较低频率 增加对物体悬浮力。目前最大的悬浮熔炼能力已 超过 10 kg, 见图 2。冷坩埚感应悬浮熔炼在真空 条件下进行, 所以纳入真空冶金。
第 23 卷 第 6 期 2002 年 12 月
#综述#
特殊钢
SPECIAL STEEL
Vol. 23. No. 6 December 2002 # 1 #
特种冶金新技术Байду номын сангаас
李正邦
( 钢铁研究总院, 北京 100081)
摘 要 论述了特种冶金技术, 包 括真空感 应脱气 浇铸、冷坩埚 感应悬 浮熔炼 等真空 冶金, 真空 电渣 重 熔、电渣快速重熔、电渣复合技术等电渣冶金和等离子冶金技术的新进展, 并评述了其发展方向。
图 2 带抽锭的冷坩埚熔炼 Fig . 2 Cold wall crucible melting with drawing ingot
冷坩埚熔炼技术参数涉及到坩埚形状、缝隙 大小、坩埚材料、内冷却方式、瓣间绝缘以及感应 圈匹配、感应频率选择等。通常大型冷坩埚采用 平底直筒式, 以节约制造费用, 但往往会残留较大 凝壳。小型坩埚可采用抛物面炉底, 便于物料搅 拌并增加熔体悬浮力, 适当增加分瓣数量可以减 少电磁场的屏蔽。但过多分瓣会使冷坩埚制造困 难, 给整体强度及刚度带来不利影 响, 通常采用 18~ 24 瓣。瓣间缝隙以便于绝缘和清理为准, 通 常在 1~ 2 mm 之 间。坩埚材料用纯 铜以减小阻 抗, 提高电效率。冷却系统是坩埚运行的安全保 障, 设计时应考虑冷却水流态, 保持紊流状态( Re \2 300) 。冷 坩埚熔 炼通常 采用中 频感应 电源 ( 1 000~ 8 000 Hz) , 冷坩埚处于冷态, 冷却水带走 较多热量, 采用大功率, 增加电磁斥力也消耗能 量, 通常 GH 小于 50% 。由于能量集中, 加热时间 短, 例如 10 kg 的钛合金物料需配置 200 kW, 5~ 10 min 物料即可全部熔化。
( 3) 受周期疲劳的弹簧钢其重要产品, 如枪 炮弹簧及仪表弹簧, 将选用电渣重熔; 航空轴承及 仪表轴承用钢仍然采用电渣重熔生产。
( 4) 在超级合金( 高温合金、精密合金、耐蚀 合金、电热合金) , 电渣重熔与真空电弧重熔处于 竞争局面。早在 80 年代末, 电渣重熔超级合金在 产量上超过真空电弧重熔。许多沿袭真空电弧重 熔的合金均属老牌号、受过去技术鉴定所限制, 新 开发的合金电渣重熔占绝对优势。
第 6期
李正邦: 特种冶金新技术
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为钢液吸氮提供极有利的动力学条件。在等离子 弧下, 钢液吸氮包括: 氮离解 y 电离 y吸附 y 解吸 y溶解 y 扩散 y 对流传质。鉴于过程系完全湍流 对流传质, 因此传质过程不再是吸氮限制性环节, 限制性环节是氮的电离度。 2. 2 等离子弧制取超细粉及纳米粉 2. 2. 1 等离子制取铂黑超细粉末[ 8, 9]
1 真空冶金
真空冶金通常在 0101~ 50 Pa。超级合金、难 熔合金、活性金属数量增长、质量提高以及金属间 化合物的应用扩大, 推动真空冶金的发展。 1. 1 分隔式真空感应熔炼 VIDP
1991 年德国 Eriesee 城 ALD 公司开发了真空 分隔式感应熔炼炉[ 1] , 具有熔化、精炼、合金化、脱 气、浇铸的功能。其原理见图 1, 即将真空感应熔
日本金属材料技术研究所宇田雅广等研究利 用等离子气体作为富有反应活性的气体来处理金 属使之超细化。金属超细粉末, 如铂黑是重要的 触媒, 到目前为止, 在各种物理及化学方法中, 尚 未找到一种效率高、成本低、能大量生产金属超细 粉末的 技术。宇田雅 广等制取超细 粉末的原理 是, 在含氢的惰性气体中用电弧将金属熔化, 熔化 金属和原子氢及分子氢同时接触。弧气相中原子 氢比分子氢更容易溶解, 大量溶入形成过饱和状 态, 过饱和溶解氢呈分子状态, 释放到非弧相气氛 中, 由于强烈的蒸发作用, 得到金属超细粉末。在 等离子熔炼炉上安装一个捕集器收集超细粉末。 因在密封熔炼室内进行, 氢起触媒作用, 不消耗。 2. 2. 2 氢等离子体法制备纳米粒子