真空冶金现状（特种冶炼作业）

真空冶⾦现状、新技术及其发展⽅向

摘要：叙述了真空冶⾦的分类；重点介绍了真空感应熔炼（VIM）、真空（⾃耗）电弧重熔(VAR)、电⼦束重熔、冷坩埚熔炼(Cold Wall Crucible Melting)、真空电弧双电极重熔(VADER)、循环真空脱⽓法RH 及RH-OB法；分析了真空冶⾦的独特优势；讨论了⼏种常⽤的真空冶⾦技术、特点及其应⽤范围；讨论了新材料制备⼯艺⽅法的选择。关键词：真空冶⾦、特种冶炼、熔炼、重熔

随着科技的进步，⽣产⽣活中要求材料的性能也不断提⾼，功能材料的应⽤也⽇益⼴泛。应⽤最多的还要数⾦属材料，对⾦属材料的各种性能提出了越来越苛刻的要求，普通的冶⾦产品就很难达到要求，所以特种冶⾦越来越被很多⼈看好。特种冶⾦不仅在钢铁冶⾦，⽽且在有⾊⾦属加⼯、机械加⼯、航空航天和电⼦材料等⼯业领域发挥着⽇益重要的作⽤，尤其是在特种钢和合⾦材料的⽣产中，现在很多牌号的产品都由效率⾼、冶⾦质量好、竞争能⼒强的特种冶炼⽅法来承担。

特种冶炼⽅法中真空冶⾦占据着半壁江⼭。所谓真空冶⾦是指在隔绝空⽓条件下（⼩于⼤⽓压）精炼和浇注⾦属以提⾼产品纯洁度的⼀种冶⾦⽅法。真空冶⾦中，作为⾦属材料制备⼯艺主体仍是: 真空熔炼( 真空感应熔炼VIM、真空电弧重熔VAR、真空电⼦束熔炼VEBM、电⼦束重熔) ; 真空⼆次精炼( 钢包真空处理Gazad、循环真空脱⽓RH-OB、真空电弧精炼VAD、真空脱碳精炼VOD、真空氩氧精炼AOD-VCR)、冷坩埚熔炼（Cold Wall Crucible Melting）、真空电弧双电极重熔(VADER)。后⾯两种属于特种冶⾦中的新技术。

1、⾮真空下冶⾦的局限性和真空冶⾦的优点[2]1. 1⼤⽓冶⾦过程的局限性：

活泼⾦属易氧化，合⾦成分难精确控制；

⾦属熔池与空⽓作⽤，合⾦中含有害⽓体难去除；⼤⽓下熔炼抑制了挥发过程，不能去除有害元素。1. 2真空冶⾦的优点：没有使材料污染的炉⽓；防⽌⽓态⾦属再氧化；降低⾦属还原温度和蒸发温度；解决常压下难以解决的问题；

蒸汽压⽐基体⾦属⾼的杂质元素，可通过挥发去除，易氧化元素Al、Mg、Zr、B等成分容易控制。2、⼏种常⽤熔炼⽅法的特点及应⽤[3]2. 1 真空感应熔炼（VIM）

真空感应熔炼是⾼温合⾦⽣产的重要⼯艺,特别是对含有铝、铁等活泼元素较多的元素的合⾦,必须采⽤真空感应熔炼⼯艺。美国已有容量为60 吨的真空感应炉和精密铸造真空感应炉达100 座以上。近年来,在真空感应熔炼⾼温合⾦时,国外已⼴泛采⽤电⼦计算机进⾏控制和调整成分。我国⽐较先进的技术是对镁的含量的控制及建⽴了数学模型,并成功地⽤于⽣产。

为了提⾼真空感应熔炼⾦属的纯净度,国外的⽅法是:严格控制原材料的纯净度、提⾼坩埚材料的稳定性、延长精炼时间、吹氩搅拌脱氮、过滤技术等。2. 1. 1 VIM法的特点及应⽤

(1) ⾦属熔炼、熔化、合⾦化及浇注均在真空条件下进⾏,避免了因与⼤⽓的相互作⽤⽽污染。

(2) 在真空条件下,碳具有很强的脱氧能⼒,其产物CO 被抽⾄系统之外,克服了采⽤脱氧剂的脱氧产物的污染。(3) 可以精确控制成分,特别是Al 、Ti 、B、Zr等可控制在很窄范围之内。

(4) 低熔点有害杂质、微量元素及⽓体可被去除,还可以消除⼆次氧化。强烈的搅拌速度可加快反应速度,并使熔池温度均匀、成分均匀。

(5) 熔炼与铸造操作容易。

(6) 存在冶炼过程中坩埚耐⽕材料污染⾦属问题。

在国外,真空感应熔炼主要是⽤来⽣产真空电弧重熔的电极。在国内,真空感应熔炼是基本的熔炼⽅法,主要⽤于熔炼⾼温合⾦、⾼强度钢和超⾼强度钢。2. 1. 2 辅助⽅法(1) 采⽤CaO 耐⽕材料(2) 电磁搅拌(3) 过滤(4) 加稀⼟元素

2. 2 真空（⾃耗）电弧重熔(VAR)

真空⾃耗(电弧) 熔炼是⾼温合⾦的主要熔炼⽅法。2. 2. 1 特点

(1) 重熔过程能使部分不稳定的氧化物、氮化物分解或被碳还原,或使稳定的氧化物、氮化物通过熔池上浮净化合⾦液体。(2) ⽓体和有⾊⾦属杂质在真空下去除,但不能脱硫。(3) 易氧化元素不易烧损。

(4) 对活性元素(如A1、Ti) ⽽⾔的惰性性质和在铸绽中得到的控制凝固组织,铸绽的⼀致性和均匀性较好。(5) 夹杂物数量少、体积⼤。存在树状晶环和“⽩点”缺陷所⽣产的铸链总是园柱形,铸绽的表⾯质量较差2. 2. 2 应⽤

它主要⽤来⽣产活泼⾦属铁、锆和难熔⾦属钨和钼。50 年代初,在国外开始⽤来重熔⾼温合⾦。⽬前是⾼温合⾦的最佳冶炼⽅法之⼀。2.3 电⼦束重熔

电⼦束重熔法是在⾼真空和⾼温的条件下使钢或合⾦获得净化精炼的⼀种熔炼⽅法。它与钢和合⾦的其他特种熔炼⽅法相⽐，有以下特点：

（1）电⼦束重熔是在很⾼的真空度（可达10-5mmHg—0.00133Pa）下进⾏的。它⽐真空感应炉、真空电弧炉的真空度要⾼的多。因此对于⾦属中的⽓体、⾮⾦属夹杂以及某些有害元素的去除要完整和彻底的多。净化精炼反应的速率也⽐较其他真空炉来的⾼。

（2）在重熔过程中能对熔化炉料的功能和加热熔池的功率分别进⾏调节，因⽽当熔化速度改变时，仍可以使熔池保持所需要的温度。由于能对熔化炉料的功能进⾏调节，加之送料速率可以调节控制，因此可以在较⼤范围内调整⾦属炉料的熔化速率。（3）由于射到阳极上的电⼦束释放出很⾼的能量，使⾦属熔池能达到很⾼的温度（熔池表⾯温度可达1850o C）,这不仅有利于重熔过程中精炼反应的进⾏，并且可以熔炼钽、铌、钨、钼等⾼熔点⾦属。

（4）电⼦束的可控性好，所以可通过控制电⼦束来控制熔池的的加热部位，从⽽保证熔池温度分布均匀。这将有利于得到表⾯质量和结晶组织优良的⾦属锭。

（5）电⼦束炉不仅能熔化料棒，还可设计成能熔化料块、屑状或粉末状的⾦属料。

电⼦束重熔的精炼效果⽐真空感应炉熔炼和真空电弧炉重熔都优越。由于其材料纯度最⾼，故使⾦属性能得到明显的改善与提⾼。2.3.1应⽤

主要⽤于稀有⾦属、贵⾦属以及难熔⾦属材料的熔炼、提纯以及回收重熔，还可以⽤于制取半导体材料和难熔⾦属及其合⾦的单晶等。

2.4 冷坩埚熔炼(Cold Wall Crucible Melting) ⼜称为感应壳熔炼( Induction Skull Melting)（真空冶⾦的新技术）[4]它起源于悬浮熔炼和感应渣熔炼。研究这种熔炼⽅法的⽬的在于⽆污染的熔炼活泼⾦属和难熔⾦属。美国的坩埚容量为

200kg，俄罗斯冷坩埚最⼤直径达1 m。坩埚材料采⽤纯铜以减少阻抗, 冷坩埚熔炼⽤于活泼⾦属T i、Zr 、Cr 和难熔⾦属W、Mo、Co 合⾦的制备。由于熔炼活泼⾦属, 通常在真空或惰性⽓体保护下进⾏, 按学科分类列⼊真空冶⾦。⽤于浇注铸件和铸锭, 其⽰意图见图1、图2。

冷坩埚熔炼的特点是避免了耐⽕材料的污染:⼤功率的搅拌促进了成分的均匀化,密度差较⼤的成分也可以⽐较均匀。整个熔体的温度均匀可控,不产⽣局部过热。

现⾏的⽣产⼯艺中只有在⽔冷结晶器中的重熔精炼才兼具有提⾼⾦属纯净度和控制凝固组织的双重功能。⽬前,这⼀技术主要⽤于钛合⾦及⾦属间化合物的熔炼。

2.5 真空电弧双电极重熔(VADER) （真空冶⾦的新技术）[4]

真空电弧双电极重熔( VADER- VacuumArc Do uble Electr ode Remelt ing ) 是真空电弧重熔的新发展, 它是80 年代⽤于⼯业的新技术。

它⽤于制备细等轴晶铸锭。其过程是: 在真空条件下, 两⽀⾦属⾃耗电极⽔平对置, 作为直流电的阴极和阳极, 通过使两极间产⽣电弧放电, 两⾃耗电极端头在电弧作⽤下呈熔化薄膜汇聚成熔滴, 熔滴在重⼒作⽤下落⼊结晶器内凝固。熔滴在下落过程, 离开热源, 受到冷却, 温度降⾄合⾦液相线与固相线之间, 液相中呈现许多固态晶核, 加上旋转机械破碎作⽤重熔铸锭或铸件获得细等轴晶,过程见图3。VADER ⼯艺不⾜之处为:

(1) 锭⼦直径较⼤时, 靠旋转离⼼⼒使处于半熔融⾦属流到铸锭壁处困难。恶化了重熔锭表⾯质量, ⽤VADER 难于⽣产d> 500mm 的锭⼦。

(2) 由于离⼼⼒作⽤, 使⾦属液中元素因密度不同产⽣径向分布不均匀(如Inco nel 718 合⾦) 。以后的⼯作是研究VAD-ER过程中的凝固特性及元素的偏析⾏为。

2.6 循环真空脱⽓法RH 及RH-OB 法（真空⼆次精炼的新进展）[4]

RH 循环真空脱⽓法是德国蒂森公司所属鲁尔( Ruhrstahl ) 公司和海拉斯( Heraeus) 公司于1959 年研制成功的循环真空脱⽓装置。最初RH装置主要是对钢⽔脱氢, 后来增加了真空脱碳、真空脱氧、提⾼钢⽔纯净度及合⾦化等功能。世界现有RH 处理设备140 套。随转炉炼钢⼤型化, RH处理设备随之⼤型化, 当前世界最⼤的设备已达360 t。

RH 法设备的特征是在脱⽓室下部设有与其相通的两根循环流管, 脱⽓处理时将环流管插⼊钢液, 靠脱⽓室抽真空的压差使钢液由管⼦进⼊脱⽓室, 同时由两根管⼦中⼀根—上升管, 吹⼊驱动⽓体氩, 利⽤⽓泡泵原理引导钢⽔通过脱⽓室和下降管产⽣循环运动。并在脱⽓室内脱除⽓体。脱⽓室为旋转升降式, 它的优点是占地少, 操作起来灵活⽅便, 便于降下脱⽓室、预热或维修。RH 技术不断发展, 其⼀是与吹氧脱碳相结合, 衍⽣出RH-OB(Ox yg en Blow ing) 吹氧循环真空脱⽓法(图4) RH-KT B(Kaw

asaki To p Ox yg enBlow ing Deg assing Method) 川崎顶吹氧真空脱⽓法及附加喷粉功能的多功能的RH-PB、RHKPB法的多功能⼆次精炼设备。

图4RH-OB 法⽰意图

RH 法的另⼀发展是与喷射冶⾦相结合, 新⽇铁的循环脱⽓喷粉RH-PB 及⽇本川崎钢铁公司的RH-KPB。

1966 年国内⼤冶钢⼚引进了⼀台RH 设备, 设备运作良好, 技术的关键是蒸汽喷射泵要求稳定的蒸汽压⼒, 必须由专⽤锅炉供蒸汽; 环流管耐⽕材料质量⾄为关键。70～80 年代武钢和宝钢相继引进了RH 及RH-OB设备, ⽬前我国已有近20 套RH 设备投产,其中多数RH 设备是我国⾃⾏设计制造的。

在国外RH 技术已⽤于不同钢种⼯艺流程,如⼭阳特殊钢⼚轴承钢⼯艺流程即: 电炉→LF→RH→连铸。⼤同特殊钢⼚及爱知钢公司⽣产优质弹簧钢⼯艺流程是电炉→LF→RH→连铸。德国克虏伯⽣产弹簧钢采⽤ASEA-SKF 操作, 但钢⽔纯净化、去⽓效果不如LF+ RH。

3. 真空冶⾦及特种熔炼技术的发展⽅向

（1）传统冶⾦的某些具体过程适宜真空冶⾦技术的可以⽤真空冶⾦技术代替。（2）新型真空冶⾦设备的研制。

（3）对某些物料研究新的真空冶⾦⽅法、新设备及新流程。（4）真空冶⾦⽤新材料的研制。

（5）有熔渣存在条件下的真空熔炼(包括重熔) 技术的开发

（6）新型特种熔炼技术的发展或同⼀特种熔炼技术应⽤领域的拓宽（7）特种冶炼过程及冶⾦质量控制的数值模拟和计算机控制（8）零夹杂物超纯⾼温合⾦

A.Mitchell 提出了⽣产零夹杂物不锈钢及⾼温合⾦的概念,不但从理论上论证了获得零夹杂物不锈钢及⾼温合⾦的可能性,⽽且通过实验(三次电⼦束冷床熔炼EBCHM( EBCHR) ) ,获得了接近零夹杂物的不锈钢,并认为,如果能避免原始⾦属中带⼊CaO 或含CaO 的夹杂物,即能⽣产出零夹杂物的超纯不锈钢及⾼温合⾦。4、结语

随着科技⽔平的进步及对材料性能的要求越来越⾼, 对冶炼⽔平的要求也越来越⾼, 各种真空冶⾦的新⽅法也会不断出现。真空冶⾦⼯艺的选定，不外乎从提⾼液态⾦属的纯度和改善铸锭结晶两⽅⾯⼊⼿。要根据所⽣产的合⾦的化学成分、产品的种类和⽤途，选定最佳的冶炼⼯艺路线。要想获得⾼纯净度的⾦属材料，⾸先必须采⽤⼀些传统的真空冶⾦⽅法（如真空感应熔炼等），同时也要采⽤⼀些前⾯谈到的辅助⼯艺措施。只有这样，才能更好利⽤真空冶⾦这⼀技术为我们服务。

冶⾦中应⽤真空技术, 将冶⾦过程由常压下作业改变为真空中进⾏, 使冶⾦作业的环境和作业条件发⽣很⼤的变化, 以前不能进⾏的作业, 在真空中可以实现, 如⾦属蒸馏, 以前能作的有些事, 在真空中可以进⾏得更好, 如减少以⾄消除对环境的污染。但是, 毕竟真空冶⾦的应⽤时间还太短, 在深度和⼴度⽅⾯都还研究不⾜, 设备种类和完善程度都有待增强。真空冶⾦将会⽇益发展, 新的真空冶⾦过程和设备将会涌现。参考⽂献

[1] 杨乃恒真空冶⾦技术的现状与发展真空与低温 2001年3⽉第7卷第1 期[2] 崔雅茹王超特种冶炼与⾦属功能材料冶⾦⼯业出版社北京2010

[3] 李清华,赵志⼒真空冶⾦现状及发展前景沈阳⼤学学报 2003年6⽉第15卷第2期[4] 李正邦真空冶⾦新进展特殊钢 1999年8⽉第20卷4期

[5] 戴永年, 杨斌, 马⽂会, 陈为亮有⾊⾦属真空冶⾦进展真空（VACUUM）2004年5⽉第41卷第3期[6] 蒋炳⽟冷坩埚真空感应熔炼稀有⾦属材料与⼯程 1999年4⽉第28卷第2期

[7] ⽜建平杨克努管恒荣胡壮麒真空冶⾦现状及其应⽤前景真空（VACUUM） 2002年7⽉