1、7.1 7.1 真空冶金过程特点真空冶金过程特点u活泼元素控制活泼元素控制l 防止活泼金属的氧化和氮化，精确控制合金成分；防止活泼金属的氧化和氮化，精确控制合金成分；u真空下碳氧反应真空下碳氧反应l C+OCO C+OCO 提高了碳脱氧的能力；提高了碳脱氧的能力；u真空脱气真空脱气l HH，N=KN=KH H，N NP PH2,N2H2,N21/21/2；u真空挥发真空挥发l 蒸气压较高的有害元素蒸气压较高的有害元素PbPb、SbSb、BiBi、SnSn、CuCu等的挥发去除；等的挥发去除；u夹杂物的分解夹杂物的分解l(MeO)+C=Me+CO(MeO)+C=Me+CO l(Me(Mex xO
2、 Oy y)=xMe+y/2O)=xMe+y/2O2 2 ；(Me(Mex xN Ny y)=xMe+y/2N)=xMe+y/2N2 2 u真空坩埚反应真空坩埚反应l MgOMgO固固+Me=Mg+MeO+Me=Mg+MeO；MgOMgO固固+C=Mg+CO+C=Mg+CO 2244.4nfE2244.4RfI感应电动势感应电流焦耳-楞次定律Q=I2Rt产生热量7.2 7.2 真空感应熔炼真空感应熔炼2.真空感应熔炼l 真空感应炉设备 1）电源系统；2）真空系统；3）炉体；如下图：真空系统翻炉机构加料机构坩埚感应器取样和捣料装置测温装置可动炉体真空感应熔炼真空感应熔炼 1）电源输入系统 由于真
3、空感应炉设备庞大昂贵，提高生产率成为选择由于真空感应炉设备庞大昂贵，提高生产率成为选择电源功率的依据，通常选择范围在电源功率的依据，通常选择范围在300-500kW/t300-500kW/t，电源频，电源频率选择主要考虑熔池的搅拌，电源选择见下表。率选择主要考虑熔池的搅拌，电源选择见下表。表表1.1.真空感应炉电源真空感应炉电源 炉容量电源参数80kg300kg1t3.5t5t30t熔炼电源功率/kw100300600120016002400电压/V250400-600400-600400-600400-600600频率/kHz2-41-2.50.5-10.5-10.15-0.50.06搅拌电
4、源功率/kw70018002500电压/V20-6520-6520-65频率/kHz505050真空感应熔炼真空感应熔炼 2 2）真空系统）真空系统 要求主熔炼室在要求主熔炼室在1515分内抽至分内抽至13.332Pa13.332Pa，同时考虑精炼期气，同时考虑精炼期气体排放及精炼真空要求。体排放及精炼真空要求。3 3）炉体）炉体 炉体结构已多样化，主要包括：熔炼室、装料系统及辅助炉体结构已多样化，主要包括：熔炼室、装料系统及辅助设备。设备。对容量对容量500kg500kg的感应炉，选择侧倾坩埚浇铸的结构，在的感应炉，选择侧倾坩埚浇铸的结构，在熔炼室内浇铸，结构紧凑；熔炼室内浇铸，结构紧凑；对
5、对1t1t的真空感应炉，铸锭室和熔炼室分开，坩埚与铸模的真空感应炉，铸锭室和熔炼室分开，坩埚与铸模间经水平导流槽连通，可连续熔炼，缩短冶炼周期，提高设间经水平导流槽连通，可连续熔炼，缩短冶炼周期，提高设备利用率。备利用率。l真空感应熔炼工艺真空感应熔炼工艺 包括：包括：装料、熔化、精炼、浇铸装料、熔化、精炼、浇铸四步工序。四步工序。真空感应熔炼工艺u装料装料l 装料在真空室内进行，一部分直接装入坩埚，另一部分装入装料在真空室内进行，一部分直接装入坩埚，另一部分装入合金料箱中，以便在熔炼过程按进程加入。合金料箱中，以便在熔炼过程按进程加入。l 蒸气压高的元素蒸气压高的元素MnMn，应在出钢前不久
6、通入保护气体后加入；，应在出钢前不久通入保护气体后加入；l 活泼元素活泼元素AlAl、TiTi、MgMg、CeCe、LaLa、ZrZr、B B等，在精炼期加入；等，在精炼期加入；l 基体材料基体材料FeFe、NiNi、C C、W W、MoMo、CoCo、V V直接一次加入坩埚，难直接一次加入坩埚，难熔、量多的料装在高温区。熔、量多的料装在高温区。l 装料应装料应上松下紧，大块料放在中上部上松下紧，大块料放在中上部，便于预热和塌料，严，便于预热和塌料，严防化料中发生防化料中发生“架桥架桥”。u熔化熔化l 使炉料熔化、去气、去除低熔点有害杂质和非金属夹杂物，使炉料熔化、去气、去除低熔点有害杂质和非
7、金属夹杂物，使金属液有适当温度，熔池上方保持较高真空度。使金属液有适当温度，熔池上方保持较高真空度。真空感应熔炼工艺u精炼精炼l 精炼期应控制精炼期应控制精炼温度精炼温度、真空度真空度及及真空保持时间真空保持时间。精炼期。精炼期主要是高温沸腾与合金化：主要是高温沸腾与合金化：l 高温沸腾高温沸腾利用碳脱氧，降低氧含量，生成的利用碳脱氧，降低氧含量，生成的COCO，促使熔，促使熔池沸腾，去除气体和夹杂物，促使合金成分均匀。池沸腾，去除气体和夹杂物，促使合金成分均匀。l 合金化合金化在脱氧、脱气良好的条件下，填加合金元素，调在脱氧、脱气良好的条件下，填加合金元素，调整成分，加入的同时应加大输入功率
8、，进行搅拌，加速熔整成分，加入的同时应加大输入功率，进行搅拌，加速熔化并使成分均匀。化并使成分均匀。u浇铸浇铸l 真空浇铸真空浇铸，可适当降低浇铸温度，一般超过合金熔点，可适当降低浇铸温度，一般超过合金熔点60-60-8080即可；即可；l 带电浇铸带电浇铸，保证合金成分均匀；，保证合金成分均匀；浇铸后保持真空浇铸后保持真空，避免金，避免金属氧化。属氧化。7.2 7.2 真空感应熔炼真空感应熔炼3.3.真空感应熔炼冶金效果真空感应熔炼冶金效果l 提纯精炼提纯精炼 真空提纯的主要反应是碳和氧形成真空提纯的主要反应是碳和氧形成COCO气泡的反应，应通气泡的反应，应通过气泡沸腾过程去除氮和氢。过气泡
9、沸腾过程去除氮和氢。通过加入活性元素铈、钙和镁，可在一定程度上去除硫、通过加入活性元素铈、钙和镁，可在一定程度上去除硫、磷。磷。真空和高温，可促使夹杂物分解，蒸气压大的杂质元素真空和高温，可促使夹杂物分解，蒸气压大的杂质元素挥发去除。挥发去除。l 精确控制成分精确控制成分l 提高性能提高性能 利用真空感应熔炼主要用于航空涡轮盘、叶片的精密铸利用真空感应熔炼主要用于航空涡轮盘、叶片的精密铸造、马氏体时效钢及原子反应堆用的不锈钢等造、马氏体时效钢及原子反应堆用的不锈钢等。7.3 7.3 电渣重熔法电渣重熔法u电渣冶金的优越性电渣冶金的优越性 1 1）质量优良。纯净度高、组织致密、成分均匀、表面光洁
10、。）质量优良。纯净度高、组织致密、成分均匀、表面光洁。2 2）生产灵活。可生产各种形状的钢锭。）生产灵活。可生产各种形状的钢锭。3 3）工艺稳定。质量和性能再现性高。）工艺稳定。质量和性能再现性高。4 4）经济合理。设备简单，操作方便，成本低，成材率高。）经济合理。设备简单，操作方便，成本低，成材率高。5 5）过程可控性好。）过程可控性好。u电渣冶金品种及产品规格的发展电渣冶金品种及产品规格的发展l 钢及合金品种的扩大钢及合金品种的扩大 1 1）转子用钢转子用钢 2 2）轧辊材料轧辊材料 3 3）高速工具钢）高速工具钢 4 4）模具钢）模具钢 5 5）轴承钢）轴承钢7.3 7.3 电渣重熔法电
11、渣重熔法 熔炼方法非金属夹杂物/%气体含量/%疲劳强度 /MPa氧化物硫化物氮化物ON电炉熔炼0.01570.01610.00840.00380.0131730真空电弧重熔0.0050.00380.00270.00260.0089780电渣重熔0.0050.00210.00350.00280.00988506 6）火炮身管及装甲板用钢）火炮身管及装甲板用钢7 7）飞机起落架用钢）飞机起落架用钢8 8）最大变形达90%7.3 7.3 电渣重熔法电渣重熔法l 电渣冶金生产巨型铸件电渣冶金生产巨型铸件 工业设备大型化，如工业设备大型化，如2100021000马力柴油机曲轴需马力柴油机曲轴需150t1
12、50t钢锭，钢锭，1200MW1200MW汽轮机和发电机转子均汽轮机和发电机转子均需需300t300t巨型钢锭。巨型钢锭。1 1）电渣重熔法）电渣重熔法2 2）自耗模电渣重熔法）自耗模电渣重熔法3 3）电渣焊法）电渣焊法4 4）电渣分批浇铸法）电渣分批浇铸法5 5）电渣热封顶法。）电渣热封顶法。BS1503-622铁素体钢区铁素体钢区过渡区过渡区316316钢区钢区7.3 7.3 电渣重熔法电渣重熔法u提高技术经济指标提高技术经济指标l 提高熔化率，降低电耗提高熔化率，降低电耗 直接影响比电耗的是电渣直接影响比电耗的是电渣重熔电效率及渣池散热率，重熔电效率及渣池散热率，即：即：。钢熔化和过热消
13、耗电能渣池散热效率电渣重熔热效率比电耗，thkWtqthkWqWHEHE/,1;/-W 电极直径/mm152190230254填充比K0.2570.4010.5880.716熔化率v/kg/h94116181227比电耗W/kWh/t2540207013231053钢锭直径300mm，渣量32kg，输入功率240kW7.3 7.3 电渣重熔法电渣重熔法结晶器直径结晶器直径300mm，电极直径电极直径150mm结晶器直径结晶器直径300mm，电极直径电极直径254mm 在渣池输入功率恒定条件下，增大填充比在渣池输入功率恒定条件下，增大填充比K，可以大大增加电极端头，可以大大增加电极端头吸热量，减
14、少渣池表面热辐射损失，改变渣池热分配。且结晶器冷却水吸热量，减少渣池表面热辐射损失，改变渣池热分配。且结晶器冷却水带走热量减少，必然使熔速增加，热效率提高，比电耗带走热量减少，必然使熔速增加，热效率提高，比电耗W减少。减少。7.3 7.3 电渣重熔法电渣重熔法l 提高金属利用率和产品合格率提高金属利用率和产品合格率 采用铸造电极电渣重熔或电渣熔铸金属材料利用率可进一步提高。采用铸造电极电渣重熔或电渣熔铸金属材料利用率可进一步提高。l 降低电渣重熔成本降低电渣重熔成本 1 1）降低电耗，减少生产成本。）降低电耗，减少生产成本。2 2）采用铸造电极代替锻造电极，电渣重熔成本降低约）采用铸造电极代替
15、锻造电极，电渣重熔成本降低约20%20%。3 3）提高金属成材率，降低废品率。）提高金属成材率，降低废品率。4 4）改进操作。采用双工作位，减少辅助工时，提高自动化水平，减少）改进操作。采用双工作位，减少辅助工时，提高自动化水平，减少劳动定员。劳动定员。5 5）减少电渣钢加工工序。）减少电渣钢加工工序。u提高电渣钢质量提高电渣钢质量l 电渣重熔二次冷却电渣重熔二次冷却7.3 7.3 电渣重熔法电渣重熔法l 电磁搅拌与电磁搅拌与超声振荡超声振荡高速钢中加高速钢中加孕育剂降低孕育剂降低莱氏体网距莱氏体网距的效果的效果7.3 7.3 电渣重熔法电渣重熔法l 稀土元素在电渣重熔中的应用稀土元素在电渣重
16、熔中的应用生产工艺冲击韧性/MPa+20-40平炉钢4.61.7电渣重熔（Al脱氧）12.44.6电渣重熔（Ce脱氧）12.67.5l 熔炼室内电渣重熔熔炼室内电渣重熔电渣重熔活性金属及含电渣重熔活性金属及含活性金属的合金，是在活性金属的合金，是在封闭熔炼室中充氩气进封闭熔炼室中充氩气进行保护下进行的。行保护下进行的。稀土元素对稀土元素对16MnNiMo16MnNiMo冲击冲击韧性的影响韧性的影响电渣冶金未来展望电渣冶金未来展望l 电渣重熔在中型及大型锻件生产中，将处于垄断地位。电渣重熔在中型及大型锻件生产中，将处于垄断地位。l 在优质工具钢、模具钢、马氏体时效钢、双相钢管坯在优质工具钢、模具
17、钢、马氏体时效钢、双相钢管坯及冷轧辊方面，电渣钢占绝对优势。及冷轧辊方面，电渣钢占绝对优势。l 枪炮弹簧及仪表弹簧钢，将选用电渣重熔；航空轴承枪炮弹簧及仪表弹簧钢，将选用电渣重熔；航空轴承及仪表轴承用钢，仍采用电渣重熔生产。及仪表轴承用钢，仍采用电渣重熔生产。l 在超级合金生产方面，电渣重熔与真空电弧重熔处于在超级合金生产方面，电渣重熔与真空电弧重熔处于竞争局面。竞争局面。l 在有色金属生产方面，电渣重熔处于方兴未艾大发展在有色金属生产方面，电渣重熔处于方兴未艾大发展阶段。阶段。l 电渣熔铸管件、环件、异形铸件上有独到之处，占独电渣熔铸管件、环件、异形铸件上有独到之处，占独特地位。特地位。7.
18、4 7.4 等离子等离子(Plasma)(Plasma)弧熔炼法弧熔炼法一、等离子熔炼及其特点一、等离子熔炼及其特点 等离子体是一种强有力的高温热源，利用等离子体作为热等离子体是一种强有力的高温热源，利用等离子体作为热源，可熔炼或重熔金属材料。源，可熔炼或重熔金属材料。1.1.等离子体的产生等离子体的产生u给气体原子和分子施以足够能量，电子可脱离原子核形成自给气体原子和分子施以足够能量，电子可脱离原子核形成自由电子，而原子则成为正离子，电离达到一定程度，呈现明由电子，而原子则成为正离子，电离达到一定程度，呈现明显的电磁特性，成为区别于物质固体、液体、气体的第四态显的电磁特性，成为区别于物质固体
19、、液体、气体的第四态-等离子体等离子体。l 等离子体等离子体-就是由自由电子、正离子以及未经电离的气体原子就是由自由电子、正离子以及未经电离的气体原子和分子组成的混合体。和分子组成的混合体。l 等离子体在电的性质方面呈等离子体在电的性质方面呈“中性中性”，但在外电场的作用下，但在外电场的作用下却具有良好的却具有良好的导电性、导热性导电性、导热性，同时又是一个高温热源。，同时又是一个高温热源。l 获得等离子体，需给气体一定的能量，一般用获得等离子体，需给气体一定的能量，一般用“电离电位电离电位”表达此能量。表达此能量。l电离电位越大，所需能量也越高，供给气体能量的方式如下：电离电位越大，所需能量
20、也越高，供给气体能量的方式如下：1 1）以一定波长的光照射气体原子（或分子）；）以一定波长的光照射气体原子（或分子）；2 2）用加速到一定速度的粒子撞击原子（或分子）；）用加速到一定速度的粒子撞击原子（或分子）；3 3）将气体加热到一定温度，进行热电离；）将气体加热到一定温度，进行热电离；l多数气体在温度超过多数气体在温度超过8000K8000K时，会发生热电离。时，会发生热电离。2.2.等离子体的分类等离子体的分类按温度分按温度分高温等离子体高温等离子体低温等离子体低温等离子体按工作压力分按工作压力分高压等离子体高压等离子体低压等离子体低压等离子体l 目前工业上应用低温、低压等离子体，产生方
21、法有目前工业上应用低温、低压等离子体，产生方法有电弧法电弧法和和高频感应法高频感应法。3.3.等离子枪等离子枪电弧等离子枪高频等离子枪非转移型等离子枪转移型等离子枪中空阴极型等离子枪水冷喷嘴Th-W阴极+-中空阴极被加热材料被加热材料l 阳极是水冷铜喷嘴，起弧后，电源正极由喷嘴转移到被熔化的材料上阳极是水冷铜喷嘴，起弧后，电源正极由喷嘴转移到被熔化的材料上-转移型等离子枪转移型等离子枪。工业上多用转移型或中空阴极型电弧等离子枪。工业上多用转移型或中空阴极型电弧等离子枪。外形与普通电弧炉相似，以等离子外形与普通电弧炉相似，以等离子弧作热源，等离子弧由枪的阴极向埋弧作热源，等离子弧由枪的阴极向埋在
22、炉底的阳极转移，用感应线圈搅拌在炉底的阳极转移，用感应线圈搅拌金属熔池。金属熔池。隔离开关高压控制柜变压器饱和电抗器整流柜电阻直流接触器高频引弧装置电磁搅拌线圈电器联接图1-1-重熔金属棒重熔金属棒2-2-等离子枪等离子枪3-3-水冷铜结晶器水冷铜结晶器4-4-铸锭铸锭5-5-熔炼室熔炼室6-6-拉锭装置拉锭装置l 从阴极发射出的热电子从阴极发射出的热电子,电场电场的作用下高速飞向阳极的作用下高速飞向阳极(金属金属炉料炉料),),使其加热熔化。使其加热熔化。l PEBPEB炉适用于生产活性金属炉适用于生产活性金属TiTi、ZrZr、NbNb、TaTa、W W等及其合金。等及其合金。2)2)钛的
23、熔炼钛的熔炼 钛是活性金属，通常用真空熔炼法制钛是活性金属，通常用真空熔炼法制取钛锭。熔炼工艺有：取钛锭。熔炼工艺有：PARPAR、PAR+VARPAR+VAR、VAR+VARVAR+VAR。3)3)锆的熔炼锆的熔炼-与钛大致相同与钛大致相同4)4)新型特种合金的熔炼新型特种合金的熔炼 包括：包括：TiTi系、系、ZrZr系储氢合金，系储氢合金，NiTiNiTi形状记忆合金，形状记忆合金，NbNb-Ti-Ti系超导合金等。系超导合金等。1-电流导线2-水冷电极杆3-真空室4-电极夹头5-过渡电极6-接真空系统7-金属自耗电极8-水冷铜结晶器9-稳弧线圈)1(410,2262DddKKKSv熔化速度系数装料阀门、送料机构、料棒电子束偏转系统、电子枪电子束、熔炼室水冷铜结晶器拖锭机构kWQnveA电子束输入功率，en 60u金属熔池形状金属熔池形状l 电子束熔炼过程包括三个阶段，即电极端部熔滴形成阶段，熔滴滴落阶电子束熔炼过程包括三个阶段，即电极端部熔滴形成阶段，熔滴滴落阶段，处于金属熔池阶段。各阶段的精炼效果受温度和真空度的影响。段，处于金属熔池阶段。各阶段的精炼效果受温度和真空度的影响。
