第六章 金属的现代冶金熔炼技术-2015修订
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图6.4 电渣重熔示意图 1-自耗电极；2-水冷结晶器；3-水冷底板
；4-熔渣层；5-金属熔池；6-铸锭
图6.5 电渣熔炼示意图 1-自耗电极；2-炉体耐火衬；3-炉底电极；
4-熔渣层；5-金属熔池；6-炉壳
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自耗电极的化学成分按规定要求配制，在重熔过程中只需 要根据实际分析的结果进行微量调整。
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。
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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。
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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）；12-4
二、真空感应熔炼的特点 1.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。 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 。
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3.精炼 从炉料全熔以后直至添加合金料的这段过程称为精炼期。 它的主要任务是进一步脱氧和除气；去除有害的易蒸发杂质 元素。在精炼期，非金属夹杂也得以上浮。 为进一步使金属熔体脱氧和除气，在炉料全熔以后加入 一部分碳。加碳以后熔池再度沸腾，给除气创造有利的动力 学条件。 在精炼阶段，利用高温高真空条件，可以除去易蒸发的 杂质元素。但必须控制温度和时间。 过高的温度和过长的时间使金属损耗增加，坩埚侵蚀严 重。合金成分控制不准。
5ห้องสมุดไป่ตู้
图6.2 在真空条件下锰的蒸发损耗情况 6
2.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，称为金属液的沾污。其反应为:
2[C]+(SiO2)→ [Si]+2CO ↑ (6.6) 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。 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。
5、浇注
合金液的成分和温度调整适当后就可进行浇注。在真空下 浇铸，由于散热条件比在大气下差，所以金属熔体过热温度不 宜太高。
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§6.2 电渣熔炼
一、电渣熔炼原理 电渣熔炼包括电渣重熔和电渣炉熔炼。这两种方法都是使 电流通过熔融的炉渣，借助熔渣电阻产生热量，从而使自耗电 极熔化成液体金属的熔炼方法。 电渣重熔的基本过程如图6.4所示。电流通过液态熔渣产生 的电阻热将插入熔渣中的自耗电极末端熔化，金属以熔滴的形 式落下，并通过渣层进入金属熔池、然后在水冷结晶器内凝固 成锭。 图6.5为有衬电渣炉熔炼示意图，自耗电极的熔化在有耐火 炉衬的炉体内进行，熔化了的金属用来浇注各种铸件。
电渣熔炼的优点是：设备简单；操作方便，易于掌握；工 序少，生产周期短；毛坯精化，减少金属材料的切削消耗，提 高材料利用率；成本低；熔炼的材料纯净度高，成分均匀，性 能不亚于同种金属的变形材料。
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，炉外精炼技术。
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§ 6.1 真空感应电炉熔炼
真空熔铸是应用于熔炼优质特殊合金、高合金钢以及高温合 金的现代熔炼方法。
由于金属液的熔炼和浇注过程都是在真空下进行，因而能获 得在大气条件下熔炼所不能获得的高质量材料或铸件。
一、真空感应电炉的构造 真空感应电炉由下列各部分组成：带有坩埚的感应线圈、真 空室、电源系统、真空抽气系统、浇注机构及其它辅助设备， 包括加料装置、测温装置、观察装置等。 其典型构造如图6.1所示。 真空感应电炉与普通感应电炉区别在于它有真空室及真空抽 气系统。
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4、合金化
合金化阶段的主要任务是保证合金元素的正确加入，正确 控制合金的化学成分。
由于合金料大多是化学活性高、易蒸发的元素，在加入前 金属熔体必须充分精炼脱氧、除气、并且要求比较高的真空度 及适宜的熔体温度。在熔炼含有易蒸发元素的合金时，应在熔 炼的最后阶段加入，有必要时，炉内充入惰性气体。适当控制 熔体温度，也可减少蒸发损失，同时还能减少熔体与坩埚耐火 材料之间的反应。
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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
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三、真空感应电炉的熔炼工艺
真空感应电炉熔炼分为下列几个阶段：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。
在向坩埚内装入炉料时，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 9
2.熔化 在送电加热过程中，送电功率应由小到大，逐级升高，使 炉料逐步地加热。 当固态金属炉料转变成液态金属时，金属熔池开始沸腾， 此时要控制输入功率或降低真空度防止或避免产生过于剧烈 的沸腾从而引起液态金属喷溅。 熔化期的长短对熔炼质量有一定影响。炉料中的大部分气 体(吸附性气体和溶解性气体)都是在熔化期排除。在此期间， 炉料脱气的热力学和动力学条件都比较有利。炉料缓慢熔化， 有利于脱除更多的气体，提高材料的质量。 但熔化期过长导致炉子的生产率下降。
图6.4 电渣重熔示意图 1-自耗电极；2-水冷结晶器；3-水冷底板
；4-熔渣层；5-金属熔池；6-铸锭
图6.5 电渣熔炼示意图 1-自耗电极；2-炉体耐火衬；3-炉底电极；
4-熔渣层；5-金属熔池；6-炉壳
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自耗电极的化学成分按规定要求配制，在重熔过程中只需 要根据实际分析的结果进行微量调整。
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。
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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。
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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）；12-4
二、真空感应熔炼的特点 1.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。 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 。
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3.精炼 从炉料全熔以后直至添加合金料的这段过程称为精炼期。 它的主要任务是进一步脱氧和除气；去除有害的易蒸发杂质 元素。在精炼期，非金属夹杂也得以上浮。 为进一步使金属熔体脱氧和除气，在炉料全熔以后加入 一部分碳。加碳以后熔池再度沸腾，给除气创造有利的动力 学条件。 在精炼阶段，利用高温高真空条件，可以除去易蒸发的 杂质元素。但必须控制温度和时间。 过高的温度和过长的时间使金属损耗增加，坩埚侵蚀严 重。合金成分控制不准。
5ห้องสมุดไป่ตู้
图6.2 在真空条件下锰的蒸发损耗情况 6
2.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，称为金属液的沾污。其反应为:
2[C]+(SiO2)→ [Si]+2CO ↑ (6.6) 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。 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。
5、浇注
合金液的成分和温度调整适当后就可进行浇注。在真空下 浇铸，由于散热条件比在大气下差，所以金属熔体过热温度不 宜太高。
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§6.2 电渣熔炼
一、电渣熔炼原理 电渣熔炼包括电渣重熔和电渣炉熔炼。这两种方法都是使 电流通过熔融的炉渣，借助熔渣电阻产生热量，从而使自耗电 极熔化成液体金属的熔炼方法。 电渣重熔的基本过程如图6.4所示。电流通过液态熔渣产生 的电阻热将插入熔渣中的自耗电极末端熔化，金属以熔滴的形 式落下，并通过渣层进入金属熔池、然后在水冷结晶器内凝固 成锭。 图6.5为有衬电渣炉熔炼示意图，自耗电极的熔化在有耐火 炉衬的炉体内进行，熔化了的金属用来浇注各种铸件。
电渣熔炼的优点是：设备简单；操作方便，易于掌握；工 序少，生产周期短；毛坯精化，减少金属材料的切削消耗，提 高材料利用率；成本低；熔炼的材料纯净度高，成分均匀，性 能不亚于同种金属的变形材料。
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，炉外精炼技术。
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§ 6.1 真空感应电炉熔炼
真空熔铸是应用于熔炼优质特殊合金、高合金钢以及高温合 金的现代熔炼方法。
由于金属液的熔炼和浇注过程都是在真空下进行，因而能获 得在大气条件下熔炼所不能获得的高质量材料或铸件。
一、真空感应电炉的构造 真空感应电炉由下列各部分组成：带有坩埚的感应线圈、真 空室、电源系统、真空抽气系统、浇注机构及其它辅助设备， 包括加料装置、测温装置、观察装置等。 其典型构造如图6.1所示。 真空感应电炉与普通感应电炉区别在于它有真空室及真空抽 气系统。
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4、合金化
合金化阶段的主要任务是保证合金元素的正确加入，正确 控制合金的化学成分。
由于合金料大多是化学活性高、易蒸发的元素，在加入前 金属熔体必须充分精炼脱氧、除气、并且要求比较高的真空度 及适宜的熔体温度。在熔炼含有易蒸发元素的合金时，应在熔 炼的最后阶段加入，有必要时，炉内充入惰性气体。适当控制 熔体温度，也可减少蒸发损失，同时还能减少熔体与坩埚耐火 材料之间的反应。
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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
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三、真空感应电炉的熔炼工艺
真空感应电炉熔炼分为下列几个阶段：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。
在向坩埚内装入炉料时，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 9
2.熔化 在送电加热过程中，送电功率应由小到大，逐级升高，使 炉料逐步地加热。 当固态金属炉料转变成液态金属时，金属熔池开始沸腾， 此时要控制输入功率或降低真空度防止或避免产生过于剧烈 的沸腾从而引起液态金属喷溅。 熔化期的长短对熔炼质量有一定影响。炉料中的大部分气 体(吸附性气体和溶解性气体)都是在熔化期排除。在此期间， 炉料脱气的热力学和动力学条件都比较有利。炉料缓慢熔化， 有利于脱除更多的气体，提高材料的质量。 但熔化期过长导致炉子的生产率下降。