特种冶炼方法报告

特种冶炼方法报告

随着现代科学技术的飞速发展，特别是航天、导弹、火箭、原子能以及电子工业等对各种高级优质钢和合金的需要日益增多，对钢的质量要求也越来越高。为了使金属材料具有所需要的性能，必须保证其具有一定的合金组织结构和化学成分。采用传统的冶炼模式时，钢的质量满足不了日益提高的要求，这就促使一些旨在提高钢和合金质量的特种冶炼技术迅速发展起来。

钢的特种冶炼，通常是指除用于大量生产的转炉、平炉和电炉等常规炼钢法之外，为特别提高钢质量或熔炼含有大气条件下不宜熔炼的大量活泼金属的合金的冶炼方法。特种冶炼法大致可分为两种:适用于熔炼像高级轴承钢、冷轧辊钢、燃汽轮机用钢等优质钢的所谓一次熔炼法(PAM)，如真空感应熔炼法(VIM)和等离子感应熔炼法(PIF)等;而另外一种是将母材重新熔化，在水冷结晶器中逐层凝固成钢的方法，称为二次熔炼法，包括等离子弧重熔法((PAR)、真空电弧重熔法(V AR )、电渣重熔法((ESR)和电子束重熔法(EBR)等，有时也称此为“二次炼钢”。

(一)真空感应冶炼

真空感应冶炼法也称VIM法(Vacuum Induction Meting)。VIM法就是将感应炉置于真空系统中进行熔化、精炼和合金化等全部过程，它在特殊钢及优质合金的生产中占有重要地位。

1.基本原理及冶炼特点

真空感应冶炼的基本原理就是通过在真空状态下的电磁感应，涡流发热来熔炼金属并随之浇注成锭。由于整个冶炼过程是在低压或惰性气氛下进行，加上电磁搅拌作用，所以能有效地脱碳、去气、除杂质等。

2．真空感应冶炼的优缺点

真空感应冶炼具有独特的优点，归纳起来此法的特点是:在真空下进行冶炼，不受大气污染，真空为冶金反应创造良好条件，提高了碳的脱氧能力;能精确控制和随意调整包括活泼金属元素在内的成分，从而提高钢的质量。但也存在不足之处:调整易挥发成分较困难;有一定成分偏析，金属收得率较低。鉴于以上原因，多与电渣重熔或真空电弧重熔组合使用。3.真空感应熔炼的适用产品及实际应用

（1）轴承钢真空熔炼的轴承钢其夹杂物总量降低、尺寸减少，并较均匀地分布在钢锭中，不成链条状。真空轴承钢点状夹杂物评级为1--1. 5级，而一般轴承钢为2. 5级。

真空熔炼对高温轴承钢的工作性能也有显著影响。一般用C 0.65%Gr 5% V 1%的高温轴承钢制成的轴承，在200℃的使用寿命为150h，而真空熔炼的相同钢种，在400℃下的寿命可达1080h

（2）结构钢结构钢从横断面上力学性能的均匀性十分重要，真空熔炼能提高横向塑性达到或接近纵向水平。

（3）不锈钢采用不锈钢返回料在真空感应炉中重熔，可使其碳的质量分数降至0.02%以下、由此获得良好的抗腐蚀性能。同时，由于氧含量低，对钢的冲击韧度有很大的影响。

真空感应熔炼对含铬量高的铁素体型不锈钢具有特殊的意义。在室温下，这些钢一般是较脆的。但真空熔炼的钢其塑性有所提高，脆性转变温度大大低于20℃。

（4）变压器钢和磁性合金金属中硫、碳、氧、氮和非金属夹杂物对硅钢的磁性和塑性有很大的影响。真空感应熔炼可以得到含杂质很少的变压器钢。此外，真空变压器钢的碳的质量分数不超过0.02%，硫的质量分数仅0.012%-0.015%。因此，变压器钢的性能得到改善，与空气熔炼的相比，铁损低15%一20%,矫顽力低50%。

在真空感应炉中熔炼的软磁金属铁钻钒合金具有很好的磁性。许多牌号的磁性合金均在真

空感应炉中熔炼。

（5）耐热合金铁基、镍基租钻基耐热合金均含有大量活性元素铝、铁、硼、铭等，在大气下冶炼的成品中有相当多的氧化物和氮化物，造成锻造困难，并会引起表面缺陷，故成材率低。真空感应熔炼可克服这些缺点，获得化学成分准确而均匀的、性能稳定的合金。

(二)真空电弧重熔

真空电弧重熔法(Vacuum Arc Remelting)简称V AR法。真空电弧炉分为自耗炉和非自耗炉两种，前者应用广泛，它是将需要熔炼的材料做成电极，电极本身熔化到水冷结晶器中凝结成锭，故常称真空电弧重熔。

1.基本原理及冶炼特点

V AR法是在高真空下，金属电极在直流电弧的高温作用下迅速地熔化并在水冷结晶器内进行再凝固，当液态金属以熔滴的形式通过近5000K的电弧区域并向结晶器中过渡以及在结晶器中保持和凝固的过程中，发生一系列的物理化学反应，使得金属得到精炼，从而达到了净化金属、改善结晶结构、提高性能的目的。真空电弧重熔法的实质就是借助于直流电弧的热能把已知化学成分的金属自耗电极在低压气氛中一层一层地进行重新熔炼并使去除非金属夹杂的钢水依次冷却，一层层地凝固，以提高其质量的熔炼过程。

2.真空电弧重熔的优缺点

此法发展很快，其原因是由于在真空下精炼去除气体和非金属夹杂物效果显著.又无耐火材料的污染，所以它具有产品纯净度高、凝固组织和化学成分均匀、成材率提高和容量大等特点。V AR法的缺点是与电渣重熔相比，其钢锭表面质量和致密度及热加工性能较差，金属收得率变低，生产成本较高。

3.真空电弧重熔的适用产品及实际应用

真空电弧炉主要用来熔炼钛、锆、钨、铌、钼等活泼金属和难熔金属以及它们的合金。也用来冶炼不锈钢、工具钢、轴承钢等优质合金钢以及铁、镍基高温合金等。

真空电弧重熔能显著地降低金属中的氧和非金属夹杂物(特别是氧化物)。同时也能去除大量的氢以及一些氮和硫。其应用效果如下:

（1）脱氢去杂质的效果显著

真空电弧重熔不仅杜绝了外界空气对合金的沾污，还可以降低钢和合金中的气含量和低熔点有害杂质，从而提高了钢的纯洁度。

（2）减少对活性元素的烧损及控制成分稳定

真空电弧重熔的钢或合金，对于活性元素铝、钛烧损少，回收率较高且较稳定。合金的化学成分控制较为稳定。

（3）改善夹杂物类型和分布

对于某些钢种如GCr15,线材中的夹杂物主要是氧化物和硫化物，而真空电弧重熔钢中则主要是硫化物和它所包裹的氧化物。

（4）提高钢与合金的性能

真空电弧重熔高温合金，能提高其塑性和加工性能。

(三)电子束(电子轰击)熔炼

电子束熔炼是用高真空下产生的高压电子束轰击固体金属，将其加热熔化，并连续凝固。本法可用于一次熔炼和重熔两方面，称为电子束轰击熔炼法(Electron Beam hotnhardmentMelting ) ,简称EBM法。如果是用于重熔就简称EBR法(Electron Beam Reriielting)，其电子束重熔精炼应用为多。

1.基本原理及熔炼特点

电子束炉的基本工作原理可以用普通的二极电子管来说明，如图7-4所示，发射电子的阴极和被加热材料作成的阳极同处于一个高真空容器中，工作时，被高压加速的电子撞击到阳