真空熔煉

在真空條件下進行金屬與合金熔煉的特種熔煉技術。主要包括真空感應熔煉、真空電弧重熔和電子束熔煉。隨著現代科學技術的飛躍發展，特別是伴隨著宇航、海洋開發、能源開發及電子工業的迅速進展，對金屬材料(高級合金鋼及合金)的品種、產量、尤其是質量提出了越來越高的要求。

基本介紹

• 中文名：真空熔煉
• 外文名：vacuum melting
• 定義：金屬在真空狀態下的熔煉工藝
• 對象：易氧化合金，如鈦合金
• 設備：真空爐、抽真空設備
• 套用領域：鋼鐵冶煉

簡史

1920年左右，真空感應爐開始用於熔煉鎳鉻合金。直至第二次世界大戰，由於真空技術的進步，使真空熔煉真正開始發展起來。50年代中期至60年代末，是真空熔煉發展最迅速的時期，無論是理論研究還是設備的容量、結構形式及產品種類都有很大發展，達到了高度工業化水平。真空感應爐最大容量已達60t;真空電弧重熔錠重達52t;電子束爐功率達12000kW。70年代至今，真空熔煉處於穩定發展時期，穩定並繼續完善工藝，擴大套用並逐步向自動化和程式控制方面發展。中國自50年代開始對真空熔煉技術進行研究，到90年代已能設計製造1.5t半連續真空感應爐及5t真空電弧爐。主要特殊鋼廠及有色金屬加工廠建有真空感應爐、真空電弧重熔爐及電子束爐，形成了一定的生產規模。

真空熔煉分類

根據加熱熱源的不同，真空熔煉主要可分為真空感應熔煉，真空電弧熔煉，電子束熔煉等3種。

真空感應熔煉

將金屬爐料放入置於線圈中的坩堝內，當線圈接通交流電源時，線上圈中間產生交變磁場，爐料中即產生感應電勢。由於金屬爐料本身形成一閉合迴路，所以在爐料中同時產生了感應電流，即渦流，爐料靠渦流加熱和熔化。利用這個原理進行熔煉的方法稱為感應熔煉。而處於真空條件下的感應熔煉則為真空感應熔煉。真空感應熔煉能夠嚴格控制合金中活潑元素如鋁、鈦等的含量，可以有效地去除合金中的氣體和非金屬夾雜物以及有色金屬雜質，提高合金的純淨度。但真空感應熔煉存在著坩堝耐火材料對金屬液的沾污問題，且通常採用鋼錠模澆注，鋼錠結晶組織與普通熔煉的鑄錠組織比較並無改善。真空感應熔煉主要用來熔煉高溫合金、精密合金及特殊鋼材料，其主要產品是鑄錠、精密鑄件和雙聯熔煉用的電極母材。

真空電弧熔煉

在真空條件下利用電弧來加熱和熔鍊金屬的熔煉方法。這種熔煉方法所使用的電極有自耗電極和非自耗電極兩種。自耗電極是由被熔煉材料(即爐料)製成，在熔煉過程中它逐漸消耗;而非自耗電極系利用鎢等高熔點材料製成，在爐料熔煉過程中它基本上不消耗。採用自耗電極的真空電弧爐稱自耗電極電弧爐，簡稱自耗爐;採用非自耗電極的真空電弧爐稱非自耗電極電弧爐，簡稱非自耗爐。非自耗電極熔煉已較少使用，而自耗電極熔煉大量套用於生產實踐中，成為二次重熔的主要手段之一。真空電弧熔煉的坩堝一般用銅製成，外面用水冷卻，稱為水冷銅結晶器。熔煉時，可以將自耗電極(被熔煉材料)接負極，水冷銅結晶器接正極，通電後兩極間產生弧光放電，將電能轉變成熱能，產生高溫使材料熔化。熔煉過程中液態金屬熔滴通過高溫弧區後落入金屬熔池，並在水冷銅結晶器內凝固成錠。通過金屬液與氣相間以及熔池內發生的一系列物理化學反應，達到提高金屬的純淨度，改善其結晶組織和性能的目的。真空電弧熔煉不受大氣、耐火材料和鑄模等的沾污;可以去除鋼及合金中的氣體和有害金屬雜質;熔煉中夾雜物也可上浮去除一部分，並可改善夾雜物在合金中的分布及形態;水冷銅結晶器中的鋼錠鑄態組織比普通鑄錠為好。但真空電弧熔煉需預製電極，且鋼錠表面較差。真空電弧熔煉可用來熔煉鈦、鋯、鎢、鉬等活潑金屬、難熔金屬以及它們的合金，也可用來熔煉高溫合金及有特殊用途的鋼和合金。

電子束熔煉

在高真空環境中，將陰極材料(通常選用難熔金屬如鎢等)加熱至高溫後，在高壓直流電作用下發射電子，用磁透鏡聚集成電子束，並在陽極的加速下，以高速射向陽極(做成電極的被熔物料相當於陽極)，當高速的電子束射到電極表面碰撞時，由動能轉變成的熱能將被熔物料熔化。它不僅能熔化電極，而且有一部分能量可以用來加熱金屬液面，使熔池保持必要的溫度和時間，以利於金屬的精煉。最後金屬液在水冷結晶器中凝固成錠。電子束熔煉也稱電子轟擊爐熔煉。電子束熔煉具有突出的優點：工作真空度高(約10-～10-Pa)，非常有利於去除氣體、非金屬夾雜物及金屬雜質;熔煉溫度高，冶金反應充分，能熔煉任何難熔金屬;金屬熔滴匯聚在水冷結晶器內，可以有效地控制熔池溫度和冷凝速度，有利於獲得良好的金屬錠組織。電子束熔煉的套用範圍已從難熔金屬擴展到高溫合金、精密合金、半導體材料和一些具有特殊用途鋼種的熔煉。只是由於其設備結構複雜，建設投資昂貴等原因限制了它的發展規模。

冶金特點

真空熔煉使在常壓下進行的物理化學反應條件有了改變，這主要體現在氣相壓力的降低上。只要冶金反應中有氣相參加，而且反應生成物中的氣體摩爾數大於反應物中的氣體摩爾數的數值時，若減小系統的壓力，則可以使平衡反應向著增加氣態物質的方向移動，這就是真空熔煉中物理化學反應的最根本的特點。

控制

大氣熔煉和澆注的主要缺點之一是合金成分(主要是一些比較活潑的元素)由於燒損不易準確控制，而真空熔煉不受周圍氣氛污染，金屬液與大氣中的氧和氮脫離接觸，所以真空熔煉能嚴格控制合金中活潑元素，如鋁、鈦等的含量，將合金成分控制在很窄的範圍內，因而能保證合金的性能、質量及其穩定性。

碳脫氧反應

大氣熔煉碳氧反應對金屬液起著除氣作用和機械攪拌作用，但由於碳的脫氧能力不強，不能單獨用作脫氧劑，往往要用矽、鋁等金屬脫氧劑進行沉澱脫氧。在真空熔煉中，由於氣相壓力低，且碳氧反應生成的CO氣泡能夠不斷的被抽走，而使平衡向生成CO的方向移動，即[C]+[O]={CO}反應不斷向右方進行，從而提高了碳的脫氧能力。大量實踐數據表明：真空熔煉與大氣熔煉相比較，碳的脫氧能力約提高100倍。真空熔煉鎳基合金時，將合金的氧含量降低到20×10以下是不難做到的。真空下用碳脫氧，不僅具有高的脫氧能力，而且其脫氧產物是氣體，易於排除，而不沾污金屬熔池，這比用矽、鋁等生成固態脫氧產物的脫氧劑要優越得多，因此在真空熔煉中，碳是理想的脫氧劑。

脫氣

金屬中的氣體雜質主要是指存在於其中的氫和氮。氣體對合金質量有很大影響，不但降低合金的力學性能，而且是產生髮紋、白點、脆化及皮下氣泡等缺陷的主要原因。氫和氮在金屬中的溶解度服從於平方根定律，即氫和氮在金屬中的溶解度與其在氣相中分壓力的平方根成正比。在一定溫度下，當金屬液上方氣相分壓力降低時，則金屬液中氣體的溶解度也隨之降低，這充分說明真空熔煉對於去氣有著極大的優越性。真空熔煉可以很容易地將鋼和合金中的氫脫到很低程度，而氮與氫有所不同，除可溶於金屬液外，且擴散係數小，還可與鈦、釩、鋁、鋯等生成化合物，以穩定的氮化物夾雜形式存在於鋼和合金中，因此去氮要比去氫困難得多。

揮發

同一溫度下，不同元素的蒸氣壓不同。在真空條件下，金屬液中某些蒸氣壓較高的元素，當真空室內壓力降低到低於其蒸氣壓力時，這些元素就有可能從金屬液中揮發。真空熔煉的重要優點之一是可揮發去除一些有害金屬雜質，如Pb、Cu、Sb等。這些元素能顯著降低合金質量，而在一般大氣熔煉中又不能去除，採用真空熔煉是減少這些元素在合金中含量的惟一有效方法。但伴隨著有害雜質的去除，合金中一些有益元素也要揮發，造成合金元素的損失，並給準確控制合金成分帶來困難。揮發過程是一個複雜的反應過程，揮發的量和速度取決於很多因素，主要有合金成分(元素本質及其在金屬液中的活度)，熔煉溫度，熔煉保持時間，爐內真空度，熔池攪拌情況及表面積大小等。應當了解真空熔煉條件下的元素揮發規律，採取正確熔煉製度，以保證有害雜質有效去除，而有益元素損失最少，將合金成分準確的控制在要求範圍內。

材料的性能

鋼和合金的熔煉質量可以用成分控制、純潔度(即含有非金屬雜質、氣體、非金屬夾雜物和金屬雜質的多少)和鑄錠組織作為評價指標。一個好的冶金產品，成分應控制在最佳範圍，純潔度要高，鑄錠組織要好。真空熔煉可以實現嚴格的成分控制，可以有效地去除氣體和減少非金屬夾雜物，並可揮發去除部分有害金屬雜質，使得鋼和合金的純潔度明顯改善，提高了鋼和合金的物理和機械性能，真空電弧熔煉和電子束熔煉，還都可以得到好的鑄錠組織，也就更擴大了真空冶金的套用範圍。真空感應熔煉與常壓感應熔煉比較，坡莫合金的起始導磁率平均約提高50%;真空電弧重熔的A-286合金，同大氣熔煉的同一合金比較，其橫向塑性提高了近一倍。可以肯定，真空熔煉對提高鋼和合金的質量和性能有著十分重要的意義。由圖可以看出，真空熔煉的套用，使高溫合金材料有了很大的進展，合金工作溫度由800℃左右提高到了1000℃左右。迄今在熔煉高溫合金、精密合金、難熔金屬及其合金、高質量特殊鋼以及其他特殊物理性能材料方面，最主要的真空熔煉方法還是真空感應熔煉、真空電弧重熔和電子束熔煉這3種。

熔煉的進展

隨著科學技術的進步，真空熔煉技術也取得很大進展，新的真空熔煉的爐型也不斷湧現。例如，真空感應熔煉通常脫硫效果並不好，近期出現了真空感應有渣熔煉，即在真空感應熔煉過程中，造鹼性熔渣。由於一般合金中都有或多或少的碳存在，這時就可發生下列脫硫反應：(CaO)+[MeS]+[C]======(CaS)+[Me]+{CO}。

在真空熔煉條件下，由於爐氣不斷被抽出，爐內pCO值可達到很低的水平，這對於合金的脫硫是極為有利的。工作表明，用200kg真空感應爐重熔高硫鈷豆，造石灰螢石渣，脫硫效果達44%。真空感應有渣熔煉，還可以抑制元素的揮發過程，這對於減少貴重元素的損失和準確控制合金成分也是有利的。為克服真空電弧熔煉不能澆注成型的缺點，發明了真空凝殼爐。它是利用真空電弧熔煉原理，採用可以傾動的水冷坩堝控制冷卻過程，使被熔鍊金屬液在坩堝內壁形成一薄層“凝殼”，將被熔鍊金屬液和坩堝隔離，並形成相當大的熔池，熔煉結束時快速傾轉坩堝將金屬液注入鑄模或鑄型凝固成型。凝殼爐在熔煉鈦和鈦合金方面取得了很好的冶金效果。此外，特別適用於難熔金屬提純和單晶製取的無坩堝區域熔煉，生產定向渦輪葉片的真空定向凝固爐，以及製備金屬間化合物(例如Ni₃Al、Ti₃Al等)用的冷坩堝懸浮熔煉等均已達到生產規模，正在進一步的完善和發展之中。