1、16.1 6.1 真空感应真空感应电炉熔炼电炉熔炼6.2 6.2 电渣电渣熔炼熔炼6.3 6.3 等离子炉等离子炉熔炼熔炼6.4 6.4 电子束电子束熔炼熔炼6.5 6.5 炉外炉外精炼精炼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，加快了用工业转
2、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。先进熔炼方法向民用工业的转移步伐，在我国尤其如此。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。及工艺。6.1 真空感应电炉熔炼真空感应电炉熔炼 6.1 真空感应电炉熔炼真空感应电炉熔炼真空熔铸是一种广泛应用于熔炼优质特殊合金、高合金钢以及高温合金真空熔铸是一种广泛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
3、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。真空熔炼方法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。真空熔炼方法包括真空感应电炉熔炼和真空电弧炉熔炼，本节只叙述真空感应电炉熔炼包括真空感应电炉熔炼和真空电弧炉熔炼，本节只叙述真空感应电炉熔炼方法。方法。一、真空感应电炉的构造一、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
4、造如图置、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所示。真空感应电炉与普通感应电炉的区别在于它有真空室及真空抽气系统。保证熔炼质量的电源及带有坩埚的区别在于它有真空室及真空抽气系统。保证熔炼质量的电源及带有坩埚的感应线圈与普通感应电炉相同。真空感应电炉的感应线圈有良好的绝缘的感应线圈与普通感应电炉相同。真空感应电炉的感应线圈有良好的绝缘性，可防止真空匝间放电。真空感应电炉一般使用中频电源。性，可防止真空匝间放电。真空感应电炉一般使用中频电源。二、真空熔炼原理二、真空熔炼原理1.真空脱气真空脱气双原子气体在金属液中的溶解度与气体分压的平方根成正比。例如氢双原子气体在金属液
5、中的溶解度与气体分压的平方根成正比。例如氢和氮在铁液中的溶解反应及溶解度为和氮在铁液中的溶解反应及溶解度为 式中：式中：%H、%N氢和氮在铁液中的溶解度；氢和氮在铁液中的溶解度；、氢和氮在炉气中的分压；氢和氮在炉气中的分压；、氢和氮的反应平衡常数。氢和氮的反应平衡常数。由式（由式（6.1）和式（）和式（6.2）可知，降低炉气中的氢气和氮气分压时，铁液）可知，降低炉气中的氢气和氮气分压时，铁液中的气体含量随之减少。如果真空度为中的气体含量随之减少。如果真空度为10m汞柱（汞柱（1mHg=1.3610-2Pa）时，钢液中氢的含量可降低至时，钢液中氢的含量可降低至10-6以下。实践证明，金属和合金经
6、过真空以下。实践证明，金属和合金经过真空熔铸，都能保证良好的脱氢效果。而脱氮则比较困难。因为氮和很多元素熔铸，都能保证良好的脱氢效果。而脱氮则比较困难。因为氮和很多元素作用生成氮化物，靠真空处理很难使其气相中的氮分压低于氮化物的分解作用生成氮化物，靠真空处理很难使其气相中的氮分压低于氮化物的分解压。压。21H2H2H%HkHp21N2N2H%NkNp2Hp2NpNkHk（6.1）（6.2）图图6.1 真空感应电炉炉体部分构造真空感应电炉炉体部分构造1-真空密封回转轴承；真空密封回转轴承；2-感应器接线装置；感应器接线装置；3-感应器；感应器；4-炉衬；炉衬；5-加料器；加料器；6-观察窗；观察
7、窗；7-加料翻斗；加料翻斗；8-炉盖；炉盖；9-炉壳；炉壳；10-测温装置；测温装置；11-真空计接头（真空真空计接头（真空计未画出）；计未画出）；12-保护气体控制阀；保护气体控制阀；13-放气阀；放气阀；14-大阀门；大阀门；15-高真空控制阀；高真空控制阀；16-低真空控制阀；低真空控制阀；17-捕集器（捕集炉气中灰尘）；捕集器（捕集炉气中灰尘）；18、19-真空管道；真空管道；20-真真空容器；空容器；21-增压泵；增压泵；22-机械式真空泵机械式真空泵脱气动力学研究表明，氢原子有很高的活动性，很容易扩散。在真空脱气动力学研究表明，氢原子有很高的活动性，很容易扩散。在真空熔炼金属时，有
8、可能通过金属熔池表面去除一大部分氢。而真空脱氮在很熔炼金属时，有可能通过金属熔池表面去除一大部分氢。而真空脱氮在很大程度上是间接的，当金属液中不存在稳定的氮化物时，主要通过真空处大程度上是间接的，当金属液中不存在稳定的氮化物时，主要通过真空处理使碳氧反应产生的熔池沸腾促使金属脱氮。当金属中含有与氮亲和力较理使碳氧反应产生的熔池沸腾促使金属脱氮。当金属中含有与氮亲和力较大的元素时，使生成的稳定氮化物上浮，也可降低金属中的含氮量。大的元素时，使生成的稳定氮化物上浮，也可降低金属中的含氮量。2.真空脱氧真空脱氧由于金属液的融化过程是在真空条件下进行，金属液中的元素氧化很由于金属液的融化过程是在真空条
9、件下进行，金属液中的元素氧化很轻，因此，金属液中的氧化夹杂物很少。另一方面，在真空条件下，碳的轻，因此，金属液中的氧化夹杂物很少。另一方面，在真空条件下，碳的脱氧能力提高。这是因为金属熔体中的碳氧反应为脱氧能力提高。这是因为金属熔体中的碳氧反应为C+O=CO (6.3)当铁熔体中的含碳量和含氧量都不高时，可以认为其活度当铁熔体中的含碳量和含氧量都不高时，可以认为其活度aC=%C，aO=%O，则平衡常数为，则平衡常数为即即式中：式中：pCO气相中气相中CO的分压。的分压。由于由于k值只与温度有关，与压力无关。因此，在真空下值只与温度有关，与压力无关。因此，在真空下pCO降低时，降低时，%C%O也
10、随之降低，也就是说，真空使碳的脱氧能力提高。理论上，也随之降低，也就是说，真空使碳的脱氧能力提高。理论上，随着真空度的提高，碳的脱氧能力很快超过硅，甚至超过铝。但实际上碳随着真空度的提高，碳的脱氧能力很快超过硅，甚至超过铝。但实际上碳的脱氧能力达不到理论计算值，尤其是在高真空度下。这是由于碳氧反应的脱氧能力达不到理论计算值，尤其是在高真空度下。这是由于碳氧反应还受其他因素的影响。还受其他因素的影响。%C%OCOpk%C%OCOpk(6.4)实际上碳氧反应生成的一氧化碳气泡内的压力为实际上碳氧反应生成的一氧化碳气泡内的压力为式中：式中：P液相表面气相的压力；液相表面气相的压力；液体金属的比密度；
11、液体金属的比密度；h气泡距液体表面的距离；气泡距液体表面的距离；一气一气-液界面张力液界面张力;R气泡半径。气泡半径。真空使气相压力真空使气相压力P减小，从而使减小，从而使pCO减小。但当真空度很高时，减小。但当真空度很高时，P值已很小，当值已很小，当时，真空度的提高已不再影响时，真空度的提高已不再影响Pco，也就不能使碳的脱氧能力提高。，也就不能使碳的脱氧能力提高。2COPPhR2PhR(6.5)3.金属元素的蒸发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，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。在常压下进行的熔炼不发生显著的蒸发现象
12、。但在真空元素即蒸发。在常压下进行的熔炼不发生显著的蒸发现象。但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炼钢易发生蒸发的元素有Mn、Cu、Pb、Bi等。在真空度为等。在真空度为10mHg条件下炼钢时，锰的蒸发损耗曲线如图条件下炼钢时，锰的蒸发损耗曲线如图6.2所示。锰的蒸发损耗量与时所示。锰的蒸发损耗量与时间呈线性关系。由图可见，温度对蒸发速率有重要影响。其原因是钢间呈线性关系。由图可见，温度对蒸发速率有重要影响。其原因是钢液中锰的蒸气压随温度上升而增高。除锰以外，铜也比较容易蒸发，液中
13、锰的蒸气压随温度上升而增高。除锰以外，铜也比较容易蒸发，但蒸发速率比锰小得多。但蒸发速率比锰小得多。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，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。如通入一定压力的惰性气体就能抑制金属元素的蒸发。图图6.2 在真空条件下锰的蒸发损耗情况在真空条件下锰的蒸发损耗情况4.液态金属与耐火材料的相互作用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
14、蚀，这种侵蚀表现为耐在真空熔炼条件下，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火材料中的SiO2为金属中的碳所还原。其结果是还原产物为金属中的碳所还原。其结果是还原产物Si进入金属液，使金进入金属液，使金属液的化学成分发生变化，这种现象称为金属液的沾污。其反应为属液的化学成分发生变化，这种现象称为金属液的沾污。其反应为:2C+(SiO2)Si+2CO (6.6)在大气冶炼条件下，由于炉气中在大气冶炼条件下，由于炉气中 CO的分压较高，式的分压较高，式(6.6)反应受到限制。反应受到限制。而在真空条件下，反应明显加剧，其结果使金属的含碳量降低，含硅量上升。而在真空条件下，反应明显
15、加剧，其结果使金属的含碳量降低，含硅量上升。在真空条件下用在真空条件下用SiO2Al2O3材质坩埚熔炼含材质坩埚熔炼含0.2%C钢时，含碳量与含硅量的钢时，含碳量与含硅量的变化如图变化如图6.3所示。由于铝与氧之间的化学亲和力很强，故炉衬材料中的另一所示。由于铝与氧之间的化学亲和力很强，故炉衬材料中的另一种成分种成分Al2O3基本上不被还原。也就不会发生明显的钢液增铝现象。基本上不被还原。也就不会发生明显的钢液增铝现象。根据实验，欲使炉衬材料与液态金属间的相互作用降到最小，除了选用稳根据实验，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，如定性更高的炉衬材料，如Al
16、2O3、MgO、CaO、ZrO2等外，在熔炼过程中真空等外，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。度不能太高，并尽量缩短金属熔体在真空下的保持时间。图图6.3 含含0.2%C钢在钢在Al2O3SiO2坩埚中进行真空熔炼时含硅量的坩埚中进行真空熔炼时含硅量的增加和含碳量的减少增加和含碳量的减少三、真空感应电炉的熔炼工艺三、真空感应电炉的熔炼工艺真空感应电炉熔炼的整个过程可以分为下列几个阶段：装料、炉料熔化、真空感应电炉熔炼的整个过程可以分为下列几个阶段：装料、炉料熔化、真空精炼、合金化和浇注。真空精炼、合金化和浇注。1.装料装料首先应确定哪些料作为装炉料，哪些料作为合
17、金添加料。确定的依据是各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。合金添加料。在向坩埚内装入炉料时，必须预先考虑到炉料在熔化过程中能自上而下自在向坩埚内装入炉料时，必须预先考虑到炉料在熔化过程中能自上而下自由降落，防止由降落，防止“搭桥搭桥”现象。炉料最多装至坩埚口，不可超出。所有合金添加现象
18、。炉料最多装至坩埚口，不可超出。所有合金添加料按照工艺要求依次装在补加料器内。料按照工艺要求依次装在补加料器内。2.熔化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。炉料开始熔化以后，应注意上部炉料顺利下降。如果出现加热。炉料开始熔化以后，应注意上部炉料顺利下降。如果出现“搭桥搭桥”现象，应及时采取措施把它消除。现象，应及时采取措施把它消除。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
19、引起液态金属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。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(吸附性吸附性气体和溶解性气体气体和溶解性气体)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。料的质量。但熔化期过长导致炉子的生产率下降。3.精炼精炼从炉料全熔以后直至添加合金料的这段过程称
20、为精炼期。它的主要任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。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。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
21、的温度和过长的时间使金属损耗增加，坩埚侵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。蚀严重。合金成分控制不准。4、合金化、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。学成分。由于合金料大多是化学活性高、易蒸发的元素，为了保证它们的准确含由于合金料大多是化学活性高、易蒸发的元素，为了保证它们的准确含量，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量，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。高的真空度有利
22、于减少活泼元素的氧化损失，但对度及适宜的熔体温度。高的真空度有利于减少活泼元素的氧化损失，但对加入易蒸发元素不利。因此在熔炼含有易蒸发元素的合金时，这种元素的加入易蒸发元素不利。因此在熔炼含有易蒸发元素的合金时，这种元素的合金料应在熔炼的最后阶段加入，有必要时，炉内充入惰性气体。以减少合金料应在熔炼的最后阶段加入，有必要时，炉内充入惰性气体。以减少它的蒸发损失。此外，适当控制熔体温度，也可减少蒸发损失，同时还能它的蒸发损失。此外，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。减少熔体与坩埚耐火材料之间的反应。5，浇注，浇注合金液的成分和温度调整适当后就可进行浇注
23、。在真空下浇铸，由于散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。浇注温度应控制热条件比在大气下差，所以金属熔体过热温度不宜太高。浇注温度应控制在略低于相应牌号金属和合金在大气下浇注所采用的温度。在略低于相应牌号金属和合金在大气下浇注所采用的温度。6.2 电渣熔炼电渣熔炼6.2 电渣熔炼电渣熔炼一、电渣熔炼原理一、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。炉渣，借
24、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电渣重熔的基本过程如图6.4所示，以单相或三相变压器为电源，自耗电极为所示，以单相或三相变压器为电源，自耗电极为一极，水冷底箱为另一极构成电路。电流通过液态熔渣产生的电阻热将插入一极，水冷底箱为另一极构成电路。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，自耗为有衬电渣炉熔炼示意图，自耗电极的熔
25、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。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。的结果进行微量调整。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
26、形材料。因此，电渣的材料纯净度高，成分均匀，性能不亚于同种金属的变形材料。因此，电渣熔铸的产品已广泛用于宇航、原子能、船舶、石油化工以及重型机械等部门。熔铸的产品已广泛用于宇航、原子能、船舶、石油化工以及重型机械等部门。图图6.4 电渣重熔示意图电渣重熔示意图1-自耗电极；自耗电极；2-水冷结晶器；水冷结晶器；3-水冷底板水冷底板；4-熔渣层；熔渣层；5-金属熔池；金属熔池；6-铸锭铸锭图图6.5 电渣熔炼示意图电渣熔炼示意图1-自耗电极；自耗电极；2-炉体耐火衬；炉体耐火衬；3-炉底电极；炉底电极；4-熔渣层；熔渣层；5-金属熔池；金属熔池；6-炉壳炉壳二、电渣熔炼工艺二、电渣熔炼工艺电渣熔
27、炼工艺包括电极的制备、渣料的准备以及熔炼过程。电渣熔炼工艺包括电极的制备、渣料的准备以及熔炼过程。1.自耗电极的制备自耗电极的制备电渣熔炼所使用的自耗电极一般由平炉、电弧炉、感应电炉、转炉冶炼电渣熔炼所使用的自耗电极一般由平炉、电弧炉、感应电炉、转炉冶炼而成，可以直接铸造成型，也可以经过锻、轧热加工成型。以直接采用铸而成，可以直接铸造成型，也可以经过锻、轧热加工成型。以直接采用铸造电极更合理。造电极更合理。在电渣熔炼过程中，基本合金元素变化不大，只有某些易氧化元素，如在电渣熔炼过程中，基本合金元素变化不大，只有某些易氧化元素，如铝、钛、硅、硼、稀土等有较大烧损。因此，一般自耗电极的化学成分即铝
28、、钛、硅、硼、稀土等有较大烧损。因此，一般自耗电极的化学成分即是所熔炼合金的成分，对易氧化元素要考虑增加烧损量。是所熔炼合金的成分，对易氧化元素要考虑增加烧损量。自耗电极中的非金属夹杂物在熔炼过程中易于去除，因此，熔炼的产品自耗电极中的非金属夹杂物在熔炼过程中易于去除，因此，熔炼的产品中的非金属夹杂物含量与电极中的原始含量关系不大。但是与电极中的非中的非金属夹杂物含量与电极中的原始含量关系不大。但是与电极中的非金属夹杂物的大小、形状及物理化学性能有关。而这些与制备自耗电极时金属夹杂物的大小、形状及物理化学性能有关。而这些与制备自耗电极时的脱氧工艺密切相关，尤其是脱氧剂种类、用量关系更大。如果在
29、制备电的脱氧工艺密切相关，尤其是脱氧剂种类、用量关系更大。如果在制备电极时采用铝作终脱氧剂，且用量较大时，则在电极中生成大量弥散细小、极时采用铝作终脱氧剂，且用量较大时，则在电极中生成大量弥散细小、熔点高且稳定的熔点高且稳定的Al2O3夹杂物。这些夹杂物在电渣熔炼时较难去除。如果采夹杂物。这些夹杂物在电渣熔炼时较难去除。如果采用复合脱氧剂终脱氧，则在电极中生成大颗粒、低熔点的复杂化合物的非用复合脱氧剂终脱氧，则在电极中生成大颗粒、低熔点的复杂化合物的非金属夹杂物，它们在电渣熔炼过程中很容易上浮并被熔渣吸收。因此，在金属夹杂物，它们在电渣熔炼过程中很容易上浮并被熔渣吸收。因此，在制备自耗电极时就
30、应注意它的终脱氧问题。制备自耗电极时就应注意它的终脱氧问题。2,炉渣的准备炉渣的准备在电渣熔炼过程中，渣相起着十分重要的作用，它直接关系到金属液的质在电渣熔炼过程中，渣相起着十分重要的作用，它直接关系到金属液的质量，熔炼过程的稳定性及电渣熔炼的技术经济指标。量，熔炼过程的稳定性及电渣熔炼的技术经济指标。电渣熔炼用的液态熔渣有以下作用：液态熔渣是一种高电阻导电介质，电渣熔炼用的液态熔渣有以下作用：液态熔渣是一种高电阻导电介质，它能将电能转化成热能，并将金属熔化；金属熔滴滴落穿过渣层产生脱硫脱它能将电能转化成热能，并将金属熔化；金属熔滴滴落穿过渣层产生脱硫脱磷除气和清除非金属夹杂物等渣洗作用；熔渣
31、覆盖金属熔池避免金属液的氧磷除气和清除非金属夹杂物等渣洗作用；熔渣覆盖金属熔池避免金属液的氧化和吸气。化和吸气。性能优良的熔渣应满足以下要求：性能优良的熔渣应满足以下要求：(1)熔渣要有适当的电阻和导电性。电阻过大有产生电弧、引起熔渣飞溅、熔渣要有适当的电阻和导电性。电阻过大有产生电弧、引起熔渣飞溅、破坏熔炼过程稳定性的危险。破坏熔炼过程稳定性的危险。(2)熔渣应有适当的粘度、恰当的熔点和沸点，粘度低，熔池运动剧烈，有熔渣应有适当的粘度、恰当的熔点和沸点，粘度低，熔池运动剧烈，有利于金属液温度和成分的均匀，有利于脱硫反应的进行，有利于气体和非金属利于金属液温度和成分的均匀，有利于脱硫反应的进行
32、，有利于气体和非金属夹杂物的排除。但粘度太低，会使金属液滴的沉降速度加快，减少钢夹杂物的排除。但粘度太低，会使金属液滴的沉降速度加快，减少钢-渣接触渣接触时间，不利于金属的提纯。熔渣的熔点直接影响粘度，不能太高或太低。熔渣时间，不利于金属的提纯。熔渣的熔点直接影响粘度，不能太高或太低。熔渣的沸点过低，会产生沸腾和飞溅，使熔炼过程不稳定。的沸点过低，会产生沸腾和飞溅，使熔炼过程不稳定。(3)熔渣中不应含有不稳定的氧化物。因为不稳定氧化物有可能在熔炼熔渣中不应含有不稳定的氧化物。因为不稳定氧化物有可能在熔炼过程中被还原而破坏熔渣的稳定性。故有时采用无氧渣，如用过程中被还原而破坏熔渣的稳定性。故有时
33、采用无氧渣，如用CaF2为熔渣为熔渣的基础调整熔渣性能用的氧化物应尽量采用稳定性好的的基础调整熔渣性能用的氧化物应尽量采用稳定性好的CaO、MgO、Al2O3，而不用而不用MnO、SiO2。(4)熔渣应有一定的碱度和脱硫能力。熔渣应有一定的碱度和脱硫能力。(5)高温下熔渣与夹杂物的界面张力应小。这是夹杂物被吸附的必要条高温下熔渣与夹杂物的界面张力应小。这是夹杂物被吸附的必要条件。件。电渣熔炼用的熔渣有两类：电渣熔炼用的熔渣有两类：冶炼一般低合金钢用：冶炼一般低合金钢用：(55%65%)CaO、(17%20%)Al2O3、(11%14%)CaF2。冶炼不锈钢用：冶炼不锈钢用：50%CaF2、30
34、%CaO、20%Al2O3。3.熔炼过程熔炼过程熔炼从造渣开始，首先在炉底装入固体渣料。由于固态渣料不导电，因熔炼从造渣开始，首先在炉底装入固体渣料。由于固态渣料不导电，因而需掺入一些钢屑起导电作用。然后降下自耗电极，引起电弧，靠电弧产而需掺入一些钢屑起导电作用。然后降下自耗电极，引起电弧，靠电弧产生的热量将渣料熔化。也可采用另一化渣炉将固体渣料熔化，将温度达到生的热量将渣料熔化。也可采用另一化渣炉将固体渣料熔化，将温度达到1600左右的液态熔渣倒入结晶器或电渣炉中。左右的液态熔渣倒入结晶器或电渣炉中。液态熔渣形成以后，可将自耗电极的下端埋入渣层。电流通过熔渣时产液态熔渣形成以后，可将自耗电极
35、的下端埋入渣层。电流通过熔渣时产生热量，使熔渣温度达到生热量，使熔渣温度达到2000以上。自耗电极埋入渣层的部分逐渐熔化，以上。自耗电极埋入渣层的部分逐渐熔化，金属液滴在下落过程中穿过渣层，非金属夹杂物粘附于炉渣而被吸收，从金属液滴在下落过程中穿过渣层，非金属夹杂物粘附于炉渣而被吸收，从而得到了净化。而得到了净化。经过电渣冶炼获得的高纯度金属液连续不断地滴落到结晶器内进行结晶，经过电渣冶炼获得的高纯度金属液连续不断地滴落到结晶器内进行结晶，从根本上消除了成分偏析、微观缩松等缺陷。由于电渣重熔铸出的钢锭材从根本上消除了成分偏析、微观缩松等缺陷。由于电渣重熔铸出的钢锭材质纯净、成分准确、晶料细小、
36、组织致密，因而材料有很高的疲劳强度、质纯净、成分准确、晶料细小、组织致密，因而材料有很高的疲劳强度、断裂韧性以及工作可靠性。但铸件形状受结晶器限制，只适于生产形状简断裂韧性以及工作可靠性。但铸件形状受结晶器限制，只适于生产形状简单的铸件或铸锭。单的铸件或铸锭。电渣炉熔炼的金属液经过高度净化，且由于电渣层的严密保护使金属液电渣炉熔炼的金属液经过高度净化，且由于电渣层的严密保护使金属液的氧化、吸气大为减小，因而浇注的铸件也具有较高的内在质量。的氧化、吸气大为减小，因而浇注的铸件也具有较高的内在质量。6.3 等离子炉熔炼等离子炉熔炼6.3 6.3 等离子炉熔炼等离子炉熔炼一、等离子体一、等离子体任何
37、物质被加热到很高的温度时都会发生电离。在一般情况下，气体粒任何物质被加热到很高的温度时都会发生电离。在一般情况下，气体粒子子(分子、原子等分子、原子等)处于不停的、杂乱无章的运动状态之中。在这种状态下，处于不停的、杂乱无章的运动状态之中。在这种状态下，粒子间不断发生相互碰撞。当温度升高时，气体粒子的运动就会加剧，即粒子间不断发生相互碰撞。当温度升高时，气体粒子的运动就会加剧，即粒子的平均运动速度提高了。当温度升高到一定程度后，就会有一些粒子粒子的平均运动速度提高了。当温度升高到一定程度后，就会有一些粒子受到高速粒子的碰撞而获得足够的能量，将电子激发出去而发生电离，即受到高速粒子的碰撞而获得足够
38、的能量，将电子激发出去而发生电离，即热电离。被电离的正离子和电子再去撞击未电离的分子和原子，就会再产热电离。被电离的正离子和电子再去撞击未电离的分子和原子，就会再产生更多的电离，如此使电离过程继续不断地进行。生更多的电离，如此使电离过程继续不断地进行。关于等离子体的概念，按照近代物理的观点，它是依据电离的程度把电关于等离子体的概念，按照近代物理的观点，它是依据电离的程度把电离的气体分成弱电离气体和等离子体。当气体电离度很低时，电子与正离离的气体分成弱电离气体和等离子体。当气体电离度很低时，电子与正离子之间相互作用的机会很少、未电离的气体粒子占绝大多数，因此这种气子之间相互作用的机会很少、未电离
39、的气体粒子占绝大多数，因此这种气体的性质与没有发生电离的气体很接近，称为弱电离气体。而当电离度高体的性质与没有发生电离的气体很接近，称为弱电离气体。而当电离度高到一定程度，电子与离子间的相互作用占了统治地位时，它的性质就与中到一定程度，电子与离子间的相互作用占了统治地位时，它的性质就与中性的气体大不相同了，呈现出明显的电磁性能。这种气体就称为等离子体。性的气体大不相同了，呈现出明显的电磁性能。这种气体就称为等离子体。决定气体电离程度的因素除了温度外，还有压力。实际上在非常大的温决定气体电离程度的因素除了温度外，还有压力。实际上在非常大的温度范围内都可以存在等离子体。所以等离子体是一个范围很广的
40、概念。我度范围内都可以存在等离子体。所以等离子体是一个范围很广的概念。我们所要叙述的用于熔炼金属的等离子体，它是由电弧放电造成的高温所形们所要叙述的用于熔炼金属的等离子体，它是由电弧放电造成的高温所形成的等离子休，有时也称为热等离子体。成的等离子休，有时也称为热等离子体。二、等离子炉的结构二、等离子炉的结构1.炉体炉体等离子炉的结构如图等离子炉的结构如图6.6所示。等离子熔炼炉的炉体由耐火材料打结而所示。等离子熔炼炉的炉体由耐火材料打结而成。炉体上开有炉门和出钢口。炉门和出钢口都有盖，以密封炉内的气体。成。炉体上开有炉门和出钢口。炉门和出钢口都有盖，以密封炉内的气体。在炉盖的正中位置有喷枪孔，
41、孔中插入喷枪，通过一套机械传动装置使喷在炉盖的正中位置有喷枪孔，孔中插入喷枪，通过一套机械传动装置使喷枪作垂直的上下运动。在炉底装有阳极及冷却机构。枪作垂直的上下运动。在炉底装有阳极及冷却机构。为了促使炉内成分和温度的均匀，在炉子下部还装有电磁感应搅拌装置。为了促使炉内成分和温度的均匀，在炉子下部还装有电磁感应搅拌装置。图图6.6 等离子熔炼炉结构示意图等离子熔炼炉结构示意图1-喷枪；喷枪；2-石棉绳；石棉绳；3-测温孔；测温孔；4-操作孔；操作孔；5-耐火水泥炉盖；耐火水泥炉盖；6-石棉石棉绳；绳；7-高铝砖；高铝砖；8-出钢孔；出钢孔；9-电磁搅拌线圈；电磁搅拌线圈；10-铝镁尖晶石铝镁尖
42、晶石炉衬；炉衬；11-阳极；阳极；12-石棉板；石棉板；13-炉壳；炉壳；14-炉门盖；炉门盖；15-频闪观察孔频闪观察孔；16-炉料；炉料；17-等离子体电弧；等离子体电弧；18-钢液钢液2.等离子枪和电极等离子枪和电极等离子枪和炉底的电极是发生等离子弧的装置。等离子枪体的结构如图等离子枪和炉底的电极是发生等离子弧的装置。等离子枪体的结构如图6.7所所示。它的外壳是采用导热导电性很好的铜制成的双层结构。喷嘴根据要求做成一示。它的外壳是采用导热导电性很好的铜制成的双层结构。喷嘴根据要求做成一定的形状。等离子枪的外壳在产生非转移型弧时作为阳极，在它与枪的电极之间定的形状。等离子枪的外壳在产生非转
43、移型弧时作为阳极，在它与枪的电极之间产生非转移型弧。为防止外壳烧穿，做成双层结构并通水冷却。电极设置于等离产生非转移型弧。为防止外壳烧穿，做成双层结构并通水冷却。电极设置于等离子枪的中央，它与喷嘴之间要有严格的同心度。电极在等离子枪中的轴向方向能子枪的中央，它与喷嘴之间要有严格的同心度。电极在等离子枪中的轴向方向能够伸缩一定的长度，用以调整等离子弧的参数。电极与外壳的内层壁间用绝缘件够伸缩一定的长度，用以调整等离子弧的参数。电极与外壳的内层壁间用绝缘件隔开，其间的孔隙作为工作气体的通道。隔开，其间的孔隙作为工作气体的通道。炉底的电极在产生转移型电弧时为阳极，为防止阳极被高温金属液熔化，阳炉底的
44、电极在产生转移型电弧时为阳极，为防止阳极被高温金属液熔化，阳极采用导热良好的紫铜制成，并采用强制冷却措施冷却。等离子枪中的电极为阴极采用导热良好的紫铜制成，并采用强制冷却措施冷却。等离子枪中的电极为阴极，阴极材料最常用的是钨。钨具有优良的发射电子能力及高的熔点，它是理想极，阴极材料最常用的是钨。钨具有优良的发射电子能力及高的熔点，它是理想的电极材料，适用于所有惰性气氛和还原性气氛，但在氧化性气氛中受到严重侵的电极材料，适用于所有惰性气氛和还原性气氛，但在氧化性气氛中受到严重侵蚀。含有少量氧化钍蚀。含有少量氧化钍(2%以内以内)的钨，亦称为钍钨，是应用很广的电极材料，它的钨，亦称为钍钨，是应用很
45、广的电极材料，它比纯钨具有更强的发射电子能力。但钍钨电极具有一定的放射线污染。比纯钨具有更强的发射电子能力。但钍钨电极具有一定的放射线污染。图图6.7 喷枪结构图喷枪结构图1-枪体；枪体；2-钍钨极（阴极）；钍钨极（阴极）；3-阴极铜管；阴极铜管；4-氩气分配器；氩气分配器；5-阴极调节阴极调节装置；装置；6-冷却水进水管；冷却水进水管；7-橡胶软管；橡胶软管；8-水管接头；水管接头；9-冷却水出水管；冷却水出水管；10-水管接头；水管接头；11-氩气引入管氩气引入管3.工作气体工作气体 选择等离子熔炼的工作气体必须考虑多方面的因素。除了工作气体的热选择等离子熔炼的工作气体必须考虑多方面的因素
46、。除了工作气体的热物理性能以外，还要考虑它的化学性能、其它与工艺有关的性能以及成本、物理性能以外，还要考虑它的化学性能、其它与工艺有关的性能以及成本、安全卫生等问题。安全卫生等问题。氢气是热焓及导热性最高的气体，它具有最大的传递热能的能力。其它氢气是热焓及导热性最高的气体，它具有最大的传递热能的能力。其它工作气体中混入一部分氢气，可以明显地提高等离子弧的热功率。对绝大多工作气体中混入一部分氢气，可以明显地提高等离子弧的热功率。对绝大多数金属材料来说，氢气是还原性气体，因此，加入氢气可以有效地防止材料数金属材料来说，氢气是还原性气体，因此，加入氢气可以有效地防止材料的氧化。但高温下氢气可溶解于很
47、多熔融金属中，侵入钢中的氢还会使钢出的氧化。但高温下氢气可溶解于很多熔融金属中，侵入钢中的氢还会使钢出现特殊的脆性现特殊的脆性(氢脆现象氢脆现象)，因而限制了氢气在等离子弧中的使用。，因而限制了氢气在等离子弧中的使用。氮气的热焓也比较高，化学性质不十分活泼，成本较低。但高温下氮也氮气的热焓也比较高，化学性质不十分活泼，成本较低。但高温下氮也会溶解于金属中与某些元素如钛、铝、铬等形成氮化物，引起金属塑性下降。会溶解于金属中与某些元素如钛、铝、铬等形成氮化物，引起金属塑性下降。所以氮气只适用于冶炼不含易与氮形成氮化物的元素的合金。所以氮气只适用于冶炼不含易与氮形成氮化物的元素的合金。氩气的热焓很低
48、，使用氩气为工作气体时，等离子弧的电压较低。但氩气氩气的热焓很低，使用氩气为工作气体时，等离子弧的电压较低。但氩气是一种惰性气体，与各种金属都不发生化学反应，它也不溶解于各种金属中。是一种惰性气体，与各种金属都不发生化学反应，它也不溶解于各种金属中。因而高纯度氩气是良好的保护介质。当熔炼含有化学性质活泼的元素的合金因而高纯度氩气是良好的保护介质。当熔炼含有化学性质活泼的元素的合金时，必须采用氩气作为工作气体。而且在所有惰性气体中，氩气是成本最低时，必须采用氩气作为工作气体。而且在所有惰性气体中，氩气是成本最低的。的。氦气也是一种情性气体，也可用作为等离子熔炼的工作气体。氦气的热焓氦气也是一种情
49、性气体，也可用作为等离子熔炼的工作气体。氦气的热焓和导热系数都相当高，就其物理和化学性能来说是一种很好的工作气体。但和导热系数都相当高，就其物理和化学性能来说是一种很好的工作气体。但由于它的成本很高，大大限制了它在等离子弧熔炼中的使用。由于它的成本很高，大大限制了它在等离子弧熔炼中的使用。4.电磁感应搅拌装置电磁感应搅拌装置在等离子炉中温度的分布是不均匀的。而熔炼要求合金元素和金属熔体的在等离子炉中温度的分布是不均匀的。而熔炼要求合金元素和金属熔体的温度分布均匀。因此，必须对金属液进行搅拌。通常在等离子熔炼炉的熔池温度分布均匀。因此，必须对金属液进行搅拌。通常在等离子熔炼炉的熔池稍低部分设置一
50、水冷铜管的电磁搅拌线圈。电磁搅拌线圈所产生的磁场迫使稍低部分设置一水冷铜管的电磁搅拌线圈。电磁搅拌线圈所产生的磁场迫使等离子弧发生旋转，而金属液也随之旋转，使合金化学成分和熔池温度均匀。等离子弧发生旋转，而金属液也随之旋转，使合金化学成分和熔池温度均匀。加入电磁搅拌后，还使熔炼速度加快。加入电磁搅拌后，还使熔炼速度加快。三、等离子炉熔炼过程原理三、等离子炉熔炼过程原理熔炼开始时，从氩气引入管道入氩气，氩气穿过氩气分配器，由喷枪口熔炼开始时，从氩气引入管道入氩气，氩气穿过氩气分配器，由喷枪口充满炉内空间。通电时，先将喷枪的枪体充满炉内空间。通电时，先将喷枪的枪体(本身是辅助阳极本身是辅助阳极)和
