特種冶煉技術復習資料(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 耐火材料制成。常溫下鋼液中的組分與坩堝材料中的組分不產生反應，但是，在真空下將會產生一系列化學反應。 反應的最終結果， 降低了鋼液的純結度，縮短了坩堝的使用壽命。 因此，必須了解真 空下鋼液與 坩堝 材料之間相互反應的規律，以便制訂出合理的冶煉工藝，選擇合適的 坩堝 材料。真空下鋼液與 坩堝 之 間 的反應，主要產生下列幾方面的影響。 ⑴坩堝向鋼液供氧 ⑵碳與坩堝材料之間的反應 ⑶坩堝供氧與碳還原氧化物的綜合反應 ⑷坩堝、氧化膜、爐氣之間的反應 ？ 不同 容 量的真空感應爐的冶煉工藝過程是大致相似的。 真空感應爐熔煉的整個周期 可 分為以下幾個主要階段，即 裝料、熔化、精煉、合金化和脫氧、澆注等 。 ？ 在精煉期內， 溫度、真空度、精煉時 間、鋼液攪拌強度等 是取得良好精煉效果的重要工藝參數。其中 精煉（期）溫度、真空度和真空下保持時間（精煉時間）是真空感應熔煉最重要的三個工藝參數 ，更 是真空精煉技術的核心。 精煉期應有適當的高溫度、足夠高的真空度和比較短的精煉時間， 具體的要根據冶煉需要確定。 是什么？ “兩高、一長、一短” 即 ①高真空度；②高溫精煉；③熔化期長；④精煉期短。 是什么？ “ 一中、一低、一攪拌、一帶電 ”即 ①中溫出鋼；②低溫加 Al、 Ti 等補加料；③送電攪拌；④帶電澆注 ？ 各有何優缺點？ （需總結） 1） 傳統類型的真空電弧爐 /真空自耗爐， 也稱 VAR（ Vacuum Arc Remelting） 真空自耗電極電弧爐是利用預先制成的金屬棒料在真空 （ 102～ 101Pa） 或惰性氣氛中 借助電弧供熱重熔（利用直流電弧作熱源來熔化自耗電極 ） 金屬和合金的 設備 ； 適用于鋼，特別是 高級合金鋼、鎢、鉬、鈮、鈦等 合金的重熔 ； 其特點是 溫度高、熔化快、脫氣效果顯著，熔融金屬不受耐火材料污染，能減少金屬中 非金屬夾雜物 。 真空電弧重熔 VAR 是一項成熟的技術。 真空電弧重熔可 以生產大尺寸、大噸位的金屬錠， 目前世界上最大的工業真空電弧重熔爐錠重達 50～ 70 t，錠徑 2 m，并正在設計 100 t 的爐子； 而且在水冷結晶器中邊熔煉、邊凝固成錠，快速定向凝固消除了常見的縮孔、偏析和中心疏松等缺陷 ， 同時使夾雜物上浮排到錠子頭部。 真空電弧爐重熔爐主要用于生產鐵基、鎳基及鈷基超級合金；鎢、鉬、鉭、鈮等難熔金屬；鈦、鋯等活性金屬。亦用于熔煉優質不銹耐熱鋼、軸承鋼及工模具鋼。國內外冶金工作者致力于消除 VAR 鑄錠中宏觀缺陷 (點狀偏析、年輪狀偏析、方心偏析等 )，降低重熔金屬中的微觀偏析 (如 INCO 718 合金中的 Laves相與 Nb 偏析 )。 真空電弧重熔的缺點： ① 必須制造自耗電極，多了一 道 工序 ； ② 錠子為柱狀晶，從底部到上部柱狀晶是變化的，與徑向夾角逐漸減小，而且上部晶粒較大，這種晶體組織對壓力加工不利 。 ⑵真空電弧雙極重熔爐 —— VADER 真空電弧雙電極重熔 (VADERVacuum Arc Double Electrode Remelting)是 在真空電弧重熔 爐基礎上 的新發展，它是 80 年代用于工業的新技術。它用于制備 細等軸晶鑄錠 。其 結構 與 傳統類型的 真空電弧爐類似，不同的是它有兩個自耗電極 。 其過程是 ：在真空 或惰性氣體保護下 ， 將 兩支金屬自耗電極水平對置，作為直流電的 兩極 ， 在兩極間產生電弧放電， 兩自耗電極端頭在電弧作用下呈熔化薄膜 ， 匯聚成熔滴，熔滴在重力作用下落入 旋轉的非水冷 結晶器內凝固。 熔滴在滴落的過程中受到冷卻，溫降至液相線與固相線之間，液相中出現許多固態晶核，加上旋轉機械破碎作用， 重熔鑄錠或鑄件獲得細等軸晶， 熔煉過程及原理如圖 12 所示。通過真空電弧雙極重熔制備的鑄錠為 細 等軸晶組織。重熔錠在加熱時不存在破碎柱狀晶的問題，熱加工過程中能耗少。對于某些合金來說，由于重熔金屬成分均勻，各向異性小，塑性和韌性 提高。 VADER 工藝不足之處 ： ①錠子直徑較大時，靠旋轉離心力使處于半熔融金屬流到鑄錠壁處困難，惡化了重熔錠表面質量，因此，用 VADER 難于生產 D＞500mm的錠子 ； ②由于離心力作用，使金屬液中元素因密度不同產生徑向分布不均勻 (如 Inconel 718 合金 )。 圖 13 及 表 2 對兩種電弧爐的特點進行了比較。 ⑶真空凝殼爐 /真空自耗電弧凝殼爐 —— 水冷銅坩堝凝殼技術 利用冷坩堝熔煉金屬早在 70 年代就有過介紹，所謂凝殼熔煉，就是在水冷銅坩堝與金屬熔體之間存在一層由金屬熔體重新凝固而產生的固體殼層的情況下熔煉 金屬，此時坩堝內襯相當于用所熔金屬制成，即坩堝內表面與金屬熔體不直接接觸，避免了坩堝對金屬的污染。 這種方法還用于真空自耗電極電弧凝殼熔煉和澆鑄，這種設備稱為真空凝殼爐，它是從解決 Ti、 U 等高溫活性金屬的熔煉和澆注開始的。 凝殼爐坩堝多采用水冷銅坩堝，也可用帶水冷套圈的石墨坩堝。熔煉真空度一般在 。 VSSF 結構示意圖如下圖所示。 這種熔煉法所形成的熔池能被金屬自身結成的凝殼保護，使熔煉金屬液不再受來自坩堝的污染。 1950 年，美國開發了一臺小型的凝殼爐，克服了真空電弧爐不能鑄型、感應爐坩堝耐火材料 對活性金屬的污染等問題它兼有二者之優點，構成了新的爐型，但它仍有來自石墨鑄型的表面污染，由于它的出現，使真空感應爐熔鑄 Ti件，兒乎全被它所代替。為了對高溫活性金屬的熔鑄，在熱源上又有所不同，出現了電子束凝殼爐、等離子弧凝殼爐等型但它們各有其不足之處。 真空電弧凝殼爐多用于 Ti 及其合金的鑄造。日前 ,世界先進技術的國家都有這種爐，其容量達 900 kg 和從 25～ 1000 kg 的系列產品 。 真空凝殼爐 VSSF（ Vacuum Solidify Shell Furnace） ： 它是在真空電弧爐和真空感應爐的基礎上， 克服真空電弧重熔爐不能鑄造的缺點和真空感應爐耐火材料坩堝對活性金屬玷污的弊病 ，集兩者優點于一爐，它利用真空自耗爐的熔煉條件，采用淺底水冷坩堝， 控制冷卻水量使被熔煉金屬在坩堝壁內形成一薄層 “凝殼 ”，使被熔煉金屬液和坩堝隔離 ，避免了坩堝對活性金屬液的污染，而且可形成很大的熔池，澆注異形鑄件。 真空電弧凝殼熔煉 ： 真空自耗電弧重熔的特點之一是自耗電極的熔化與重熔錠的凝固同時進行。這個特點決定了在凝固過程中存在著很大的溫度 梯度，從而促進柱狀晶的發展，所以重熔錠的柱狀晶區大，晶粒也粗大。此外該特點還決定了只能澆注幾何形 狀簡單的鑄件。 為了細化晶粒和能澆注形狀復雜的鑄件，只有改變熔化和凝固同時進行這特點， 使需用的金屬全部熔化后，再澆注凝固成形。 這樣就提出真空電弧澆注的方法。 為保持真空電弧熔煉無耐火材料污染的優點，盛載金屬液體的容器 (稱 坩堝 )可用被熔煉金屬制成，并通水冷卻。也可用銅制成 (同樣采用水冷 )，為防止銅污染金屬液，可控 制冷卻強度，使水冷的銅 坩堝 內壁凝固上一層被熔煉的金屬。所以這種方法又稱 真空電弧凝殼熔煉。 這種爐子的爐體與錠模安 置 在同一個真空室內 （如下 圖 ） 。 根據重熔金屬的數量，可采用一根或多根電極。電極可為自耗的，也可 是非自耗的，并安裝有加料裝置，以便將爐料加入 坩堝 。 爐料熔化以后，不是在水冷坩堝中凝固，而是在該坩堝內聚集和精煉，然后在真空條件下澆注成錠或鑄件。 據報導，這種真空電弧凝殼熔煉法所生產的鑄件，具有較高的機械性能。這種熔煉方法主要用于耐熱金屬及其合金鑄件的生產。 坩堝 容量可達 300kg 以上。 可分為哪幾個階段？ 可分為 焊接電極、引弧、正常熔煉（重熔）和封頂 4 個階段（時期 ） 。 ？ VIM 和 VAR 對材料的某些要求已不能滿足，如： ⑴溫度。 對難熔金屬 W、 Mo、 Ta 及其合金， VIM 已無能為力。真空電弧自耗電極制備困難。 ⑵純凈度。 VIM 冶煉，存在坩堝反應的污染。 VAR 提高金屬純凈度效果并不顯著。 ⑶鑄錠組織。 VIM 產品縮孔嚴重。 VAR 產品存在偏析及夾雜物聚集，影響加工 塑性。上述原因促進了電子束熔煉的發展。 電子束熔煉原理 在高真空條件下，陰極由于高壓電場的作用被加熱從而發射出電子，電子匯集成束，電子束在加速電壓的作用下，以極高的速度向陽極運動，穿過陽極后，在聚焦線圈和偏轉線圈的作用下，準確地轟擊到結晶器內的底錠和物料上，使底錠被熔化形成熔池，物料也不斷地被 熔化滴落到熔池內，實現熔煉過程。其原理如圖所示。 工藝特點 有哪些？ ⑴在 高真空 環境下進行熔煉 （ 熔煉真空度一般 101~103Pa） ； ⑵熔煉時熔池的溫度及其分布可控； ⑶熔池的維持時間可在很大的范圍內調整； ⑷熔煉是在水冷銅坩堝 (結晶器 )內進行的，可有效避免金屬液被耐火材料污染。 因此，電子束熔煉為一些金屬材料、特別是難熔金屬提供了一種不可缺少的精煉手段。 有哪些？ 電子束重熔法是在高真空和高溫的條件萬使鋼或合金獲得凈化精煉的一種熔煉方法。它與鋼和合金的其他特種 熔煉方法相比，有以下特點 ： ⑴電子束重熔是在很高的真空度 (可達 105mmHg— )下進行的。 它比真空感應爐、真空電弧爐的真空度要高得多。因此對 于 金屬中的氣體、非金屬夾雜以及某些有害元 素 的去除要完全和徹底得多 。 凈化精煉反應的速率也較其他真空爐來得高。 ⑵在重熔過程中能對熔化爐料的功率和加熱熔池的功率分別進行調節， 因而當熔化速率改變時，仍可使熔池保持所需要的溫度。 由于能對熔化爐料的功率進行調節，加之送料速率可以調節控制，因此可在較大范圍內調整金屬爐料的熔化速率 。 ⑶由于射到陽極上的電子束釋放出 很高的能量，使金屬熔池能達到很高的溫度 (熔池表面溫度可達 1850℃ )， 這不僅有利于重熔過程中精煉反應的進行，并且可用于熔煉 鉭、鈮、鎢、鉬 等高熔點金屬。 ⑷電子束的可控性好， 所以可通過控制電子束來控制熔池的加熱部位，從而保證熔池溫度分布均勻。這將有利于得到表面質量和結晶組織優良的金屬錠。 ⑸電子束爐不僅能熔化料棒，還可設計成能熔化塊狀、屑狀或粉末狀的金屬料。 有哪些？ 1） 優點： ⑴無耐火材料坩堝（采用水冷結晶器），熔煉金屬不會被玷污； ⑵電子束流轟擊能量大，功率密度高（達 105W/cm2→溫度高），加熱溫度高，有利于難熔金屬熔化 。 ⑶爐內高真空 (102Pa，一般殘壓低于 )下金屬熔化時，熔煉金屬（熔滴的形成與過渡過程）能充分脫氣、去夾雜物，雜質易于揮發，鑄錠組織均勻，冶金效果好 。提純效果好（熔煉金屬的純度比其他真空熔煉法更高）； ⑷加熱速度可在較大范圍內調節，能做到快速加熱與冷卻；熔煉功率（能量分布）和熔化速度調節方便； ⑸對被熔原材料形狀限制很小，制備費用低（錠由機械裝置連續抽出，電子束的方向和形狀可按需要調節，可以生產圓錠、方錠或中空錠）。 電子束重熔的精煉效果比真空 感應熔煉和真空電弧重熔都優越。由于其材料純度最高，故使金屬性能得到明顯的改善與提高。 2）缺點： ⑴合金成分控制比 VIM 困難（由于真空度高，雜質揮發的同時，被熔金屬也有揮發損失）； ⑵設備復雜，投資大（需采用直流高壓電源，配用高真空系統，故設備結構復雜，操作和維護運行費用高（技術要求高））； ⑶操作時會產生對人體有害的 X 射線，需采取保護措施（高速電子轟擊物料，少部分能量轉化為 X 射線放出）。 電子束熔煉爐有多種型式。 1） 按其使用的電子槍的類型 分 ， 可分為 軸向槍、橫向槍、環形槍 等。