第七章+特種冶煉

第七章特種冶煉7.1真空冶金過(guò)程特點(diǎn)7.2真空感應(yīng)熔煉7.3電渣重熔法7.4等離子弧熔煉法7.5其它熔煉法(真空電弧、電子束)7.1真空冶金過(guò)程特點(diǎn)活潑元素控制防止活潑金屬的氧化和氮化，精確控制合金成分；真空下碳氧反應(yīng)[C]+[O]→{CO}提高了碳脫氧的能力；真空脫氣[H，N]=KH，NPH2,N21/2；真空揮發(fā)蒸氣壓較高的有害元素Pb、Sb、Bi、Sn、Cu等的揮發(fā)去除；夾雜物的分解(MeO)+[C]=[Me]+{CO}(MexOy)=x[Me]+y/2{O2}；(MexNy)=x[Me]+y/2{N2}真空坩堝反應(yīng)MgO固+[Me]=[Mg]+[MeO]；MgO固+[C]={Mg}+{CO}7.2真空感應(yīng)熔煉1.感應(yīng)熔煉(InductionMelting)原理利用電磁感應(yīng)在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦流加熱爐料，從而進(jìn)行熔煉的方法。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)電流焦耳-楞次定律Q=I2Rt產(chǎn)生熱量7.2真空感應(yīng)熔煉2.真空感應(yīng)熔煉真空感應(yīng)爐設(shè)備1）電源系統(tǒng)；2）真空系統(tǒng)；3）爐體；如下圖：真空系統(tǒng)翻爐機(jī)構(gòu)加料機(jī)構(gòu)坩堝感應(yīng)器取樣和搗料裝置測(cè)溫裝置可動(dòng)爐體真空感應(yīng)熔煉

1）電源輸入系統(tǒng)

由于真空感應(yīng)爐設(shè)備龐大昂貴，提高生產(chǎn)率成為選擇電源功率的依據(jù)，通常選擇范圍在300-500kW/t，電源頻率選擇主要考慮熔池的攪拌，電源選擇見(jiàn)下表。表1.真空感應(yīng)爐電源

爐容量電源參數(shù)80kg300kg1t3.5t5t30t熔煉電源功率/kw100300600120016002400電壓/V250400-600400-600400-600400-600600頻率/kHz2-41-2.50.5-10.5-10.15-0.50.06攪拌電源功率/kw70018002500電壓/V20-6520-6520-65頻率/kHz505050真空感應(yīng)熔煉

2）真空系統(tǒng)要求主熔煉室在15分內(nèi)抽至13.332Pa，同時(shí)考慮精煉期氣體排放及精煉真空要求。

3）爐體爐體結(jié)構(gòu)已多樣化，主要包括：熔煉室、裝料系統(tǒng)及輔助設(shè)備。對(duì)容量≤500kg的感應(yīng)爐，選擇側(cè)傾坩堝澆鑄的結(jié)構(gòu)，在熔煉室內(nèi)澆鑄，結(jié)構(gòu)緊湊；對(duì)≥1t的真空感應(yīng)爐，鑄錠室和熔煉室分開，坩堝與鑄模間經(jīng)水平導(dǎo)流槽連通，可連續(xù)熔煉，縮短冶煉周期，提高設(shè)備利用率。真空感應(yīng)熔煉工藝包括：裝料、熔化、精煉、澆鑄四步工序。真空感應(yīng)熔煉工藝裝料裝料在真空室內(nèi)進(jìn)行，一部分直接裝入坩堝，另一部分裝入合金料箱中，以便在熔煉過(guò)程按進(jìn)程加入。蒸氣壓高的元素Mn，應(yīng)在出鋼前不久通入保護(hù)氣體后加入；活潑元素Al、Ti、Mg、Ce、La、Zr、B等，在精煉期加入；基體材料Fe、Ni、C、W、Mo、Co、V直接一次加入坩堝，難熔、量多的料裝在高溫區(qū)。裝料應(yīng)上松下緊，大塊料放在中上部，便于預(yù)熱和塌料，嚴(yán)防化料中發(fā)生“架橋”。熔化使?fàn)t料熔化、去氣、去除低熔點(diǎn)有害雜質(zhì)和非金屬夾雜物，使金屬液有適當(dāng)溫度，熔池上方保持較高真空度。真空感應(yīng)熔煉工藝精煉精煉期應(yīng)控制精煉溫度、真空度及真空保持時(shí)間。精煉期主要是高溫沸騰與合金化：高溫沸騰—利用碳脫氧，降低氧含量，生成的CO，促使熔池沸騰，去除氣體和夾雜物，促使合金成分均勻。合金化—在脫氧、脫氣良好的條件下，填加合金元素，調(diào)整成分，加入的同時(shí)應(yīng)加大輸入功率，進(jìn)行攪拌，加速熔化并使成分均勻。澆鑄真空澆鑄，可適當(dāng)降低澆鑄溫度，一般超過(guò)合金熔點(diǎn)60-80℃即可；帶電澆鑄，保證合金成分均勻；澆鑄后保持真空，避免金屬氧化。7.2真空感應(yīng)熔煉3.真空感應(yīng)熔煉冶金效果提純精煉真空提純的主要反應(yīng)是碳和氧形成CO氣泡的反應(yīng)，應(yīng)通過(guò)氣泡沸騰過(guò)程去除氮和氫。通過(guò)加入活性元素鈰、鈣和鎂，可在一定程度上去除硫、磷。真空和高溫，可促使夾雜物分解，蒸氣壓大的雜質(zhì)元素?fù)]發(fā)去除。精確控制成分提高性能利用真空感應(yīng)熔煉主要用于航空渦輪盤、葉片的精密鑄造、馬氏體時(shí)效鋼及原子反應(yīng)堆用的不銹鋼等。7.3電渣重熔法電渣冶金的優(yōu)越性

1）質(zhì)量?jī)?yōu)良。純凈度高、組織致密、成分均勻、表面光潔。

2）生產(chǎn)靈活。可生產(chǎn)各種形狀的鋼錠。

3）工藝穩(wěn)定。質(zhì)量和性能再現(xiàn)性高。

4）經(jīng)濟(jì)合理。設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，成本低，成材率高。

5）過(guò)程可控性好。電渣冶金品種及產(chǎn)品規(guī)格的發(fā)展鋼及合金品種的擴(kuò)大

1）轉(zhuǎn)子用鋼

2）軋輥材料

3）高速工具鋼

4）模具鋼

5）軸承鋼7.3電渣重熔法

熔煉方法非金屬夾雜物/%氣體含量/%疲勞強(qiáng)度/MPa氧化物硫化物氮化物[O][N]電爐熔煉0.01570.01610.00840.00380.0131730真空電弧重熔0.0050.00380.00270.00260.0089780電渣重熔0.0050.00210.00350.00280.00988506）火炮身管及裝甲板用鋼7）飛機(jī)起落架用鋼8）超級(jí)合金9）有色金屬及其合金表1各種方法熔煉軸承鋼疲勞比較最大變形達(dá)90%高溫合金7.3電渣重熔法電渣冶金生產(chǎn)巨型鑄件

工業(yè)設(shè)備大型化，如21000馬力柴油機(jī)曲軸需150t鋼錠，1200MW汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子均需300t巨型鋼錠。1）電渣重熔法2）自耗模電渣重熔法3）電渣焊法4）電渣分批澆鑄法5）電渣熱封頂法。7.3電渣重熔法電渣重熔厚板坯電渣重熔復(fù)合鋼錠

BS1503-622鐵素體鋼區(qū)過(guò)渡區(qū)316奧氏體鋼區(qū)7.3電渣重熔法提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)提高熔化率，降低電耗直接影響比電耗的是電渣重熔電效率及渣池散熱率，即：填充比K對(duì)重熔熔化率v及比電耗W的影響

電極直徑/mm152190230254填充比K0.2570.4010.5880.716熔化率v/kg/h94116181227比電耗W/kW·h/t2540207013231053鋼錠直徑300mm，渣量32kg，輸入功率240kW7.3電渣重熔法結(jié)晶器直徑300mm，電極直徑150mm結(jié)晶器直徑300mm，電極直徑254mm

在渣池輸入功率恒定條件下，增大填充比K，可以大大增加電極端頭吸熱量，減少渣池表面熱輻射損失，改變?cè)責(zé)岱峙?。且結(jié)晶器冷卻水帶走熱量減少，必然使熔速增加，熱效率提高，比電耗W減少。7.3電渣重熔法提高金屬利用率和產(chǎn)品合格率采用鑄造電極電渣重熔或電渣熔鑄金屬材料利用率可進(jìn)一步提高。降低電渣重熔成本

1）降低電耗，減少生產(chǎn)成本。

2）采用鑄造電極代替鍛造電極，電渣重熔成本降低約20%。

3）提高金屬成材率，降低廢品率。

4）改進(jìn)操作。采用雙工作位，減少輔助工時(shí)，提高自動(dòng)化水平，減少勞動(dòng)定員。

5）減少電渣鋼加工工序。提高電渣鋼質(zhì)量電渣重熔二次冷卻抽錠式電渣爐附加二次冷卻，能強(qiáng)化制冷效果，消除各種偏析。7.3電渣重熔法電磁攪拌與超聲振蕩氣—粉吹煉及變性處理

高速鋼中加孕育劑降低萊氏體網(wǎng)距的效果。7.3電渣重熔法稀土元素在電渣重熔中的應(yīng)用生產(chǎn)工藝沖擊韌性/MPa+20℃-40℃平爐鋼4.61.7電渣重熔（Al脫氧）12.44.6電渣重熔（Ce脫氧）12.67.5熔煉室內(nèi)電渣重熔電渣重熔活性金屬及含活性金屬的合金，是在封閉熔煉室中充氬氣進(jìn)行保護(hù)下進(jìn)行的。

稀土元素對(duì)16MnNiMo沖擊韌性的影響電渣冶金未來(lái)展望電渣重熔在中型及大型鍛件生產(chǎn)中，將處于壟斷地位。在優(yōu)質(zhì)工具鋼、模具鋼、馬氏體時(shí)效鋼、雙相鋼管坯及冷軋輥方面，電渣鋼占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。槍炮彈簧及儀表彈簧鋼，將選用電渣重熔；航空軸承及儀表軸承用鋼，仍采用電渣重熔生產(chǎn)。在超級(jí)合金生產(chǎn)方面，電渣重熔與真空電弧重熔處于競(jìng)爭(zhēng)局面。在有色金屬生產(chǎn)方面，電渣重熔處于方興未艾大發(fā)展階段。電渣熔鑄管件、環(huán)件、異形鑄件上有獨(dú)到之處，占獨(dú)特地位。7.4等離子(Plasma)弧熔煉法一、等離子熔煉及其特點(diǎn)

等離子體是一種強(qiáng)有力的高溫?zé)嵩?，利用等離子體作為熱源，可熔煉或重熔金屬材料。1.等離子體的產(chǎn)生給氣體原子和分子施以足夠能量，電子可脫離原子核形成自由電子，而原子則成為正離子，電離達(dá)到一定程度，呈現(xiàn)明顯的電磁特性，成為區(qū)別于物質(zhì)固體、液體、氣體的第四態(tài)-等離子體。等離子體-就是由自由電子、正離子以及未經(jīng)電離的氣體原子和分子組成的混合體。等離子體在電的性質(zhì)方面呈“中性”，但在外電場(chǎng)的作用下卻具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，同時(shí)又是一個(gè)高溫?zé)嵩?。獲得等離子體，需給氣體一定的能量，一般用“電離電位”表達(dá)此能量。等離子體的產(chǎn)生

電離電位越大，所需能量也越高，供給氣體能量的方式如下：

1）以一定波長(zhǎng)的光照射氣體原子（或分子）；

2）用加速到一定速度的粒子撞擊原子（或分子）；

3）將氣體加熱到一定溫度，進(jìn)行熱電離；多數(shù)氣體在溫度超過(guò)8000K時(shí)，會(huì)發(fā)生熱電離。2.等離子體的分類按溫度分高溫等離子體低溫等離子體按工作壓力分高壓等離子體低壓等離子體目前工業(yè)上應(yīng)用低溫、低壓等離子體，產(chǎn)生方法有電弧法和高頻感應(yīng)法。類型電離度dT×1002(K)導(dǎo)電性高溫≈1>10很高低溫<10.5-3較高電弧<<10.5-0.6一般等離子槍3.等離子槍電弧等離子槍高頻等離子槍非轉(zhuǎn)移型等離子槍轉(zhuǎn)移型等離子槍中空陰極型等離子槍水冷噴嘴Th-W陰極+++---中空陰極被加熱材料被加熱材料陽(yáng)極是水冷銅噴嘴，起弧后，電源正極由噴嘴轉(zhuǎn)移到被熔化的材料上-轉(zhuǎn)移型等離子槍。工業(yè)上多用轉(zhuǎn)移型或中空陰極型電弧等離子槍。7.4等離子(Plasma)弧熔煉法4.等離子弧的特點(diǎn)等離子弧是一種導(dǎo)電截面強(qiáng)烈收縮，而能量高度集中的電弧。高溫（5000-30000K）；能量高度集中；離子化狀態(tài)；離子流速度快（100-500m/s）。5.等離子熔煉的優(yōu)點(diǎn)溫度高-高的熱效率，爐料熔化快。由于高溫和噴射作用，氣體和夾雜物可得到充分去除。超高溫+惰性保護(hù),能熔煉難熔和活潑金屬及其合金。工作時(shí)電氣參數(shù)穩(wěn)定。可按工藝要求，爐內(nèi)選用不同的氣體介質(zhì)（還原性、惰性等），以及不同的工作壓力?？稍煸珶挕](méi)有增碳的可能性。等離子熔煉可使金屬進(jìn)行等離子滲氮，[N]=0.6-1.0%。7.4等離子(Plasma)弧熔煉法二、等離子槍的電極材料和等離子工作氣體1.電極材料噴嘴-紫銅電極-釷鎢、鈰鎢、石墨電極2.等離子工作氣體Ar、He、H2、N2以及Ar+N2、Ar+H2等；Ar最普遍，原因是Ar是單原子，易電離，又是惰性氣體。三、等離子熔煉的類型等離子電弧爐PAF；等離子感應(yīng)爐PIF；等離子電弧重熔PAR；等離子電子束重熔PEB；等離子鋼包精煉。等離子電弧爐PAF

外形與普通電弧爐相似，以等離子弧作熱源，等離子弧由槍的陰極向埋在爐底的陽(yáng)極轉(zhuǎn)移，用感應(yīng)線圈攪拌金屬熔池。隔離開關(guān)高壓控制柜變壓器飽和電抗器整流柜電阻直流接觸器高頻引弧裝置電磁攪拌線圈電器聯(lián)接圖由于離子弧溫度高，熱量集中，會(huì)引起局部金屬過(guò)熱，所以在爐底耐火材料的外層，裝有兩個(gè)水冷銅管線圈，攪拌熔池。等離子電弧爐PAF等離子電弧爐的優(yōu)越性：

1）合金收得率高。如Al50-79%，Ti60-80%；

2）鐵的損耗低于普通電弧爐，小于2%；

3）比普通電弧爐噪音低，在80dB以下；

4）電極、耐火材料、氧氣和氬氣等消耗降低，成本降低；

5）可避免間隙性能量傳遞，閃爍現(xiàn)象減少；

6）等離子電弧爐熔煉鋼的純凈度高于普通電弧爐。工業(yè)上有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的應(yīng)用：

1）鎳基合金、不銹鋼、超級(jí)合金等切屑的回收熔煉；

2）熔煉超低碳鋼；

3）利用等離子體中的氮離子滲入鋼液，熔煉含氮鋼。等離子感應(yīng)爐PIFPIF是利用穩(wěn)定的等離子弧的超高溫和惰性氣氛與感應(yīng)加熱及電磁攪拌作用相結(jié)合的新型熔煉爐。爐體部分可采用工頻爐、中頻爐等，與普通感應(yīng)爐不同之處，坩堝底部裝有爐底陽(yáng)極。PIF加有爐蓋，可以造渣脫硫。合金收得率達(dá)95%以上。熱源由等離子弧和感應(yīng)加熱組成，而以感應(yīng)加熱為主。等離子電弧重熔PAR一般PAR做成直筒形，爐蓋、爐底和爐殼通水冷卻。結(jié)晶器安在爐膛中間。重熔前，先將爐內(nèi)抽成真空Ar氣為工作氣體時(shí)，一邊進(jìn)氣，一邊抽氣，并使?fàn)t內(nèi)保持一定壓力。PAR采用水冷結(jié)晶器，使熔煉和結(jié)晶同時(shí)進(jìn)行。重熔和澆注過(guò)程不受耐火材料污染，且等離子溫度高，可使鋼中夾雜物分解，有害元素S、P、Pb、Sb等揮發(fā)。1-重熔金屬棒2-等離子槍3-水冷銅結(jié)晶器4-鑄錠5-熔煉室6-拉錠裝置等離子電子束PEB爐等離子電子束是用鉭制的中空陰極，在低真空下，用Ar等離子弧加熱鉭極，由鉭極發(fā)射電子束。從陰極發(fā)射出的熱電子,電場(chǎng)的作用下高速飛向陽(yáng)極(金屬爐料),使其加熱熔化。PEB爐適用于生產(chǎn)活性金屬Ti、Zr、Nb、Ta、W等及其合金。等離子鋼包精煉等離子鋼包精煉，是爐外精煉和等離子冶金兩項(xiàng)新工藝的有機(jī)結(jié)合。利用等離子高溫、氣體稀釋、熔池渣洗及電磁攪拌綜合精煉作用，能在真空條件下獲得真空條件下精煉材料的水平。具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì):1)可按需要控制鋼包內(nèi)氣氛及等離子工作氣體；

2)解決了鋼包精煉輔助熱源；

3)工藝靈活，具備SKF功能；

4)鋼包壽命高，產(chǎn)品適應(yīng)性廣。等離子技術(shù)的新發(fā)展

1.等離子熔融還原等離子技術(shù)的新發(fā)展

2.活性金屬等離子熔煉1)鉻的熔煉鉻是難以采用真空熔煉的金屬，采用等離子熔煉鉻，可以脫氧和脫硫。使用的爐子是等離子渣殼熔鑄爐PSC，如圖所示。2)鈦的熔煉鈦是活性金屬，通常用真空熔煉法制取鈦錠。熔煉工藝有：PAR、PAR+VAR、VAR+VAR。3)鋯的熔煉-與鈦大致相同4)新型特種合金的熔煉包括：Ti系、Zr系儲(chǔ)氫合金，NiTi形狀記憶合金，Nb-Ti系超導(dǎo)合金等。等離子技術(shù)的新發(fā)展3.等離子弧制取超細(xì)粉末4.連鑄中間包加熱鋼水技術(shù)采用等離子加熱后，中間包鋼液可控制在5℃以內(nèi)，使出鋼溫度降低10-20℃。中間包等離子加熱的特點(diǎn)如下：

1)氣氛可調(diào)，不污染鋼液，可防止二次氧化；

2)加熱過(guò)程簡(jiǎn)單，溫度控制準(zhǔn)確，升溫速度快；

3)促進(jìn)夾雜物上浮，有助于改善鑄坯質(zhì)量；

4)熱效率較低，等離子槍壽命短，溫度分布不均勻，噪音大。7.5其它熔煉法(真空電弧、電子束)

1.真空電弧重熔VAR（VacuumArcRemelting）將待重熔金屬制成自耗電極，在真空下，利用直流電弧作熱源，將自耗電極逐漸消熔，熔化金屬滴入水冷結(jié)晶器內(nèi)，凝固成錠，熔滴通過(guò)5000K的電弧區(qū)，在高真空下得到精煉。VAR是將提純凈化、改善鑄錠結(jié)晶結(jié)構(gòu)集中在一道工序解決。VAR用來(lái)熔煉鈦、鋯、鉬、鎢等活性金屬和難熔金屬，也用于熔煉優(yōu)質(zhì)耐熱鋼、不銹鋼、工具鋼和軸承鋼。1-電流導(dǎo)線2-水冷電極桿3-真空室4-電極夾頭5-過(guò)渡電極6-接真空系統(tǒng)7-金屬自耗電極8-水冷銅結(jié)晶器9-穩(wěn)弧線圈真空電弧重熔工藝真空電弧重熔的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：(1)熔煉過(guò)程不受耐火材料、大氣和鑄模的玷污；

(2)可生產(chǎn)大尺寸、大噸位的金屬錠；

(3)在水冷結(jié)晶器中邊熔煉，邊凝固成錠，可消除縮孔、偏析和中心疏松等缺陷；

缺點(diǎn)：(1)必須制造自耗電極，多了一道工序；

(2)錠子為柱狀晶，且上部晶粒較大，對(duì)壓力加工不利。真空電弧重熔工藝

一、工藝參數(shù)的選擇自耗電極合金鋼及超級(jí)合金電極用鑄造或鍛造制作；對(duì)Ti、W、Mo及其合金采取壓制成形。電極直徑選擇公式：d/D=0.65-0.85（d-自耗電極直徑，D-結(jié)晶器直徑）真空度、漏氣率真空度不宜過(guò)低或過(guò)高，保持在1.3Pa左右即可。重熔合金鋼及合金一般要求漏氣率E≤6.7Pa·L/s；對(duì)難熔金屬及合金要求E≤0.4-0.67Pa·L/s。熔煉電流熔煉電流決定熔化速度、熔池溫度，對(duì)熔池的形狀、體積、深度有著最直接的影響，最終反映到合金精煉效果及結(jié)晶組織。真空電弧重熔工藝計(jì)算熔煉電流經(jīng)驗(yàn)公式序號(hào)公式單位適應(yīng)范圍備注i或Id或D1i=3800/d-5I，A/cm2d，mm合金鋼，鐵或鎳基合金d=4-300mm電極穩(wěn)定融熔化的最小I2I=160DI，AD，mm合金鋼D=45-150mmd/D=0.7-0.8或優(yōu)質(zhì)錠的最小I3I=(16-20)dI，Ad，mm合金鋼，鐵基或鎳基合金d=10-300mmd/D=0.65-0.85或優(yōu)質(zhì)錠的最小I熔煉電壓目前一般采用大斷面電極，短弧操作，電弧長(zhǎng)度一般30mm，大直徑錠是50mm，電弧電壓U=22-65V。真空電弧重熔工藝熔化速率單位kg/min，用與自耗電極升降相聯(lián)動(dòng)的標(biāo)尺在單位時(shí)間下降距離S（mm/min）來(lái)確定，計(jì)算公式為：冷卻強(qiáng)度結(jié)晶器是薄水層，保持紊流態(tài)Re>2300，底結(jié)晶器進(jìn)出水溫差<3℃，上結(jié)晶器進(jìn)出水溫差20℃，出水口溫度45-50℃。真空電弧重熔工藝二、真空電弧重熔操作自耗電極焊接自耗電極和過(guò)渡電極焊接在真空條件下，用金屬屑引弧，與過(guò)渡電極保持20-30mm，過(guò)渡電極壓下通電即開始焊接。正常情況下采用大電流-短弧-短時(shí)間-快速焊接。引弧空載電壓45-50V，自耗電極與金屬屑瞬時(shí)接觸，燃起電弧。熔煉-對(duì)電弧長(zhǎng)度進(jìn)行精確控制電弧過(guò)長(zhǎng)，熔池呆滯，電壓28-30V，弧長(zhǎng)40mm。電弧過(guò)短，熔池顏色明暗不定，電壓電流擺動(dòng)幅度大，弧長(zhǎng)在15mm以下?；￠L(zhǎng)正常，熔池清晰活躍，熔液徐徐波動(dòng)，電壓24-26V，弧長(zhǎng)25-30mm。封頂采用逐級(jí)減少熔煉電流以降低熔化速度，緩慢充填。

7.5其它熔煉法(真空電弧、電子束)2.電子束熔煉(ElectronBeanMelting)在真空環(huán)境下，加熱陰極，通過(guò)電壓降來(lái)加速?gòu)碾x子中放射出的電子。用電場(chǎng)和磁場(chǎng)聚集電子束，使其轟擊所要熔化的金屬。電子與金屬碰撞時(shí)失去動(dòng)能，變成熔化爐料的熱能。

促進(jìn)了電子束熔煉的發(fā)展的原因

1）溫度。對(duì)難熔金屬W、