真空熔炼技术

炼所需的高温条件。
7.2真空熔炼的理论基础
除了上述真空熔炼的特点： （1）通过降低外界压力，就可以减少气体在金属熔体中的熔解 度，从而减少气体的含量－具有除气作用； （2）同时，根据分压差原理，通过降低压力使溶解在金属熔体 中的气体，有强烈的析出倾向－具有除气作用； （3）并且，生成的气泡在上浮过程中，能吸附非金属夹杂物带 出金属熔体－具有除杂作用； （4）另外，真空条件下，能减少金属熔体的氧化倾向－具有防 止氧化作用。
7.2.3 真空条件下坩锅与金属熔体的反应情况
真空条件下，促进了坩锅与熔体的反应，而使耐火材料损坏和金属熔 体污染－增氧。 例如，熔炼含Ti的金属熔体时，与SiO2及Al2O3耐火材料反应：
SiO2＋[Ti ]→2SiO↑+TiO2 真空条件下， SiO不断溢出，从而促进 了反应的进行。 同样， Al2O3＋[Ti] →4/3[Al]+TiO2
真空熔炼
本章内容要点： 真空熔炼技术简介 真空熔炼的相关理论 真空熔炼设备介绍
第七章，真空熔炼
本课程内容目录：
7.1真空熔炼技术简介 7.1.1真空熔炼的特点 7.1.2稀有金属熔炼的特点 7.1.3真空熔炼对稀有金属的适应性
7.2真空熔炼的理论基础 7.2.1分解 7.2.2脱氧 7.2.3金属及非金属成分的挥发 7.2.4坩锅与金属间的反应
7.3.1真空感应熔炼的工作原理：
（1）加热采用无铁芯的感应熔炼炉（两吨以下的真空熔炼炉，通常采用 500~4000Hz的中频电源，大型电炉多采用三倍工频或工频电源）；
（2）熔炼炉装在一个真空室中，炉料在真空或惰行气体中熔炼，真空系 统采用初级真空泵和增压泵抽取真空，并由真空阀门和检测仪表
组 成，对于采用油增压泵和罗茨泵并联的真空系统，其真空度可达 0.06Pa；
等离子炉的工作原理: 用直流电加热非自耗电极或中空阴极以产生电子束，将通过阴极附
近的惰性气体离解，再以高度稳定的等离子弧从枪口喷到阳极炉料上使 之熔化。
7.6.2等离子炉熔炼的特点：
（1）温度高，能量集中，熔化速度快； （2）功率调节方便，工艺适应性好； （3）不完全依靠真空条件，可使炉内充填所需气体； （4）具有良好的脱气净化作用； （5）合金元素的烧损比较小； （6）电压低绝缘性好。
7.4真空电弧炉熔炼 7.4.1真空电弧熔炼的工作原理：
电弧熔炼是利用电弧放电产生的高温来熔炼金属，并在真空条件下， 实现熔体的脱氧、杂质挥发和夹杂分解等熔体净化过程。 （1）电弧：
1 －阴极区； 2 －弧柱区； 3 －阳极区； 4 －温度曲线； 5 －聚弧； 6 －边弧； 7 －爬弧； 8 －阴极斑点； 9 －自耗电极； 10－铸锭。
7.1.2稀有金属熔炼的特点
（1）具有较高的熔点，其中，钨、钼、钽、铌被称为四大难熔金 属(3380℃, 2620℃, 3410 ℃, 2468℃) ，在熔炼时需要较高的加热温度， 增加了氧化、吸气、造渣的危险；
（2）具有较高的化学活性，特别是与氧、氮和氢等间隙元素的亲 和力大，具有很强的氧化和吸气倾向；
7.5电子束熔炼
7.5.1电子束炉的工作原理：
阴极表面发射的电子流，在电场作用下高速运动，并通过聚焦使电
子流准确射向阳极，把高速电子的动能转化成热能，使阳极熔化。
电子束炉的结构原理图
1 －电子枪罩； 2 －钽阴极； 3 －钨丝； 4 －屏蔽极； 5 －聚焦极； 6 －加速阳极； 7 、10－聚焦线圈； 8 －栏孔栅； 9 －阀门； 11－搁板； 12－结晶器； 13－铸锭； 14－料仓； 15－观察口。
总结：
7.1真空熔炼技术简介 7.2真空熔炼的理论基础 7.3真空感应炉熔炼 7.4真空电弧炉熔炼 7.5电子束炉熔炼 7.6等离子炉熔炼
思考题： 真空熔炼过程的动力学和热力学分析
电弧分区
1 －阴极区= 阴极斑点＋负刷＋暗区； 2 －弧柱区= 弧柱＋负弧焰； 3 －阳极区= 阳极斑点＋正刷。
阴极斑点为：阴极表面发射的电子是在局部区域发射的，并在该区域显示出 光亮的轮廓，成为阴极斑点或发射辉点，具有游动的特点（发射电子逸出功 最小的区域移动）。
典型的螺旋型电弧图片
弧柱：弧柱是电弧的主体，它是电弧中温度最高的区域，比阴极斑点和阳极斑点的温度还 高，
缺点是： （1）熔炼时金属容易挥发，成分控制困难； （2）熔炼炉结构复杂，造价和运行费用高； （3）电子束的高压（2万伏特～3万伏特）加速电子流，产生X射线，对
人体有伤害。
7.6等离子炉熔炼 7.6.1等离子炉熔炼的工作原理：
等离子炉的结构原理图
1 －等离子枪； 2 －棒料； 3 －搅拌线圈； 4 －结晶器； 5 －铸锭； 6 －料槽； 7 － 振动器； 8 －料仓； 9 －电源； 10－溶池； 11－等离子体； 12－钨电极； 13－非转移弧； 14－转移弧； 15－高频电源。
（3）在水冷条件下，对感应加热器及结晶器进行冷却处理； （4）并在真空条件下，熔炼和浇铸金属熔体。
7.3.2真空感应熔炼的特点：
（1）净化效果好，是熔炼金属或合金的含气量低； （2）合金元素的氧化损失小，氧化夹杂少； （3）可以不用覆盖剂，熔体不易被氧化； （4）能提高金属或合金的机械性能和塑性成形能力。
（3）间隙元素对稀有金属的加工性能和使用性能的影响极其敏感， 氧、氮和氢三大元素的含量大于0.035~0.045%时，则难以加 工变形。
7.1.3真空熔炼对稀有金属的适应性
（1）真空熔炼，能防止稀有金属受大气和耐火材料的污染； （2）真空熔炼，可以获得气体与夹杂含量低，机械性能高，加工性好
的金属铸锭； （3）采用真空电弧熔炼，可以获得2000°C以上的高温，保证了稀有金属熔
电子枪的结构
7.5.2电子束炉的基本特点：
电子束炉是电子束发射、真空熔炼和水冷坩锅铸锭三个主要技术的
结合，其基本优点是： （1）高的真空度（0.027Pa~0.00027Pa)，对于难熔的金属(钨、钼、钽、
铌）中的蒸汽压较高的杂质（碳、钒、铁和硅等金属）挥发并去 除； （2）熔炼速度和加热速度可以在较大范围内调节，有利于液态金属中碳 和氧反应及扩散能力低的杂质，迅速扩散到金属表面； （3）功率密度高，溶池温度高，同时电子束的扫描，对金属溶池有搅拌 作用；
7.4.3真空自耗电弧熔炼的过程：
熔炼的全过程分为：引弧阶段、正常熔炼阶段、头部补缩阶段。
（1）引弧阶段：使电弧引燃并形成一定深度的熔池； （2）正常熔炼阶段：熔炼并去除气体、金属夹杂物及有害杂质，使成分均匀化
改善结晶组织；
（3）头部补缩阶段：尽量减少铸锭头部的缩孔和疏松现象，通常采用多级补缩 和低电流保温的工艺操作。
脱氧剂包括：碳脱氧剂、氢脱氧剂和金属脱氧剂。 （1）碳脱氧剂－在真空条件下，其脱氧能力是常压下的100倍，是一 种真空强脱氧剂，其脱氧反应简式为：
[C]+[O]→CO↑由于真空条件下，生成的气体被逐渐的抽走， 所以，使反应顺利进行。 （2）氢脱氧剂－用氢还原金属氧化物的氧，其反应简式为：
H2+[O]→H2O↑ 当采用碳脱氧形成稳定的化合物的情况，适 合采用氢脱氧法，但有一定的危险。 （3）金属脱氧剂－加入一种高活性的金属，它与氧的亲合力大，从而 使氧化物还原，并形成低熔解度的稳定氧化物，达到脱氧的目的。
按合金元素与氧的亲和力的大小，由大到小 依次排列为：
Be—Li—Mg—Na—Ca—Al—Ti—Si—Mn —Cr—Zn—Fe—Ni—Cu
Al以上的与氧亲和力大，是表面活性元素
7.2.3 真空使金属及非金属挥发的特点
真空熔炼不仅使易挥发（蒸汽压大）的金属挥发，而且使蒸气压较 小的杂质及某些氧化物也能挥发。因此，真空熔炼的重要问题之一是如 何控制挥发速率及其损失，可以利用此种特性，去除杂质元素，净化金 属熔体，同时，为了控制合金元素的含量不受损失，通常在真空熔炼后 期加入易挥发的合金元素，也可以在添加合金元素时，向炉内充入一定 压力的惰性气体。
Al2O3＋3[C] →3CO↑ +2 [Al]……
7.3真空感应炉熔炼
真空感应电炉结构图
1 －绞盘； 2 －炉料； 3 －闸门； 4 －熔炼室； 5 －加料斗； 6 －感应器； 7 －弹簧； 8 －卸锭门； 9 －锭模； 10－闸门； 11－升降机构； 12－旋转门； 13－机械泵； 14－扩散泵。
其温度的高低与气体的导电性和电离势有关，同时，压力对电弧的温度和稳定性影响非常 大，压力增加，弧柱断面积减小，电流密度增大，其温度增加，当压力在10KPa～4KPa时， 电弧的稳定性较好，当压力低于4KPa时，电流密度降低，弧柱分散，出现爬弧现象（电弧 出现在电极侧面和坩锅之间），使电弧热量分散，不足以使熔池内的金属熔化，使电弧稳 定的临界压力为13KPa~66KPa之间，此压力下的电弧成为“真空电弧”此时，弧区完全由 金属蒸汽代替原来的气体来支持电弧。
阳极斑点：位于阳极表面，其外观与阴极斑点有些相似，是接收电子和负离子的地方，阳 极斑点是电子和离子的轰击区域，其温度高于阴极斑点，
（2）电弧的稳定性：
电弧受气体和磁场影响会出现吹偏的现象，通常在结晶器外设置稳弧线圈，线圈产生 与电弧平行的纵向磁场，磁场强度对电弧起压缩作用，以保持电弧的稳定性，同时，电弧 旋转也带动熔池旋转，使成分分布均匀，改善铸锭表面质量，并且，结晶核心增加，阻碍 一次晶粒生长，具有细化晶粒作用。
还包括： 7.2.1 真空对化合物分解特点
当气体和夹杂以金属化合物形式存在时，是难以去除的，然而，在 真空和高温条件下，它们容易分解形成气体，从而比较好去除。 （见图7－1，氧化物生成自由能与温度关系曲线）
7.2.2 真空的脱氧特点
与氮化物、氢化物相比，氧化物的分解压很低，通常是1.33×105Pa，远低于真空设备所能达到的真空条件，因此，只能靠加入脱氧剂 （还原剂）脱氧。
可见，（1）通过降低外界压力，就可以减少气体在金属熔体中的熔解 度，从而减少气体的含量－具有除气作用；