特种冶炼方法报告.docx

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特种冶炼方法报告

特种冶炼技术

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特种冶炼技术

【摘要】本文介绍了特种冶炼的原理、应用等内容。

【关键词】特种冶炼

引言

随着现代科学技术的飞速发展，特别是航天、导弹、火箭、原子能以及电子工业等对各种高级优质钢和合金的需要日益增多，对钢的质量要求也越来越高。

为了使金属材料具有所需要的性能，必须保证其具有一定的合金组织结构和化学成分。

采用传统的冶炼模式时，钢的质量满足不了日益提高的要求，这就促使一些旨在提高钢和合金质量的特种冶炼技术迅速发展起来。

一、特种冶炼简介

特种冶炼是一种区别于转炉、电弧炉、平炉和感应炉等通用冶炼方法的冶金方法，一般从冶炼热源及冶炼气氛上分为真空冶金、电子束熔炼、等离子冶金及电渣冶金四大类。

特种冶金产品总量不大，不到钢总产量的1%，但在高新技术、国防尖端领域占有极为重要的地位，它是生产高质量特殊钢及超级合金、难熔合金（W,Mo,Nb,Ta,Rc）、活泼金属（Ti,Zr等）、高纯金属（零夹杂钢）及近终形铸件的手段。

近年各发达国家均致力发展特种冶金，欧美各国通称“特种熔炼”，独联体国家通称“特种电冶金”，在中国通用“特种冶金”。

二、特种冶炼方法

钢的特种冶炼，通常是指除用于大量生产的转炉、平炉和电炉等常规炼钢法之外，为特别提高钢质量或熔炼含有大气条件下不宜熔炼的大量活泼金属的合金的冶炼方法。

特种冶炼法大致可分为两种:

适用于熔炼像高级轴承钢、冷轧辊钢、燃汽轮机用钢等优质钢的所谓一次熔炼法（PAM）;而另外一种是将母材重新熔化，在水冷结晶器中逐层凝固成钢的方法，称为二次熔炼法。

下面对其冶炼方法进行简单介绍。

（一）真空感应冶炼

真空感应冶炼法也称VIM法（VacuumInductionMeting）。

VIM法就是将感应炉置于真空系统中进行熔化、精炼和合金化等全部过程，它在特殊钢及优质合金的生产中占有重要地位。

1.基本原理及冶炼特点

真空感应冶炼的基本原理就是通过在真空状态下的电磁感应，涡流发热来熔炼金属并随之浇注成锭。

由于整个冶炼过程是在低压或惰性气氛下进行，加上电磁搅拌作用，所以能有效地脱碳、去气、除杂质等。

2．真空感应冶炼的优缺点

真空感应冶炼具有独特的优点，归纳起来此法的特点是:

在真空下进行冶炼，不受大气污染，真空为冶金反应创造良好条件，提高了碳的脱氧能力;能精确控制和随意调整包括活泼金属元素在内的成分，从而提高钢的质量。

但也存在不足之处:

调整易挥发成分较困难;有一定成分偏析，金属收得率较低。

鉴于以上原因，多与电渣重熔或真空电弧重熔组合使用。

3.真空感应熔炼的适用产品及实际应用

（1）轴承钢真空熔炼的轴承钢其夹杂物总量降低、尺寸减少，并较均匀地分布在钢锭中，不成链条状。

真空轴承钢点状夹杂物评级为1--1.5级，而一般轴承钢为2.5级。

（2）结构钢结构钢从横断面上力学性能的均匀性十分重要，真空熔炼能提高横向塑性达到或接近纵向水平。

（3）不锈钢采用不锈钢返回料在真空感应炉中重熔，可使其碳的质量分数降至0.02%以下、由此获得良好的抗腐蚀性能。

同时，由于氧含量低，对钢的冲击韧度有很大的影响。

（4）变压器钢和磁性合金金属中硫、碳、氧、氮和非金属夹杂物对硅钢的磁性和塑性有很大的影响。

真空感应熔炼可以得到含杂质很少的变压器钢。

（5）耐热合金铁基、镍基租钻基耐热合金均含有大量活性元素铝、铁、硼、铭等，在大气下冶炼的成品中有相当多的氧化物和氮化物，造成锻造困难，并会引起表面缺陷，故成材率低。

真空感应熔炼可克服这些缺点，获得化学成分准确而均匀的、性能稳定的合金。

（二）真空电弧重熔

真空电弧重熔法（VacuumArcRemelting）简称VAR法。

真空电弧炉分为自耗炉和非自耗炉两种，前者应用广泛，它是将需要熔炼的材料做成电极，电极本身熔化到水冷结晶器中凝结成锭，故常称真空电弧重熔。

1.基本原理及冶炼特点

VAR法是在高真空下，金属电极在直流电弧的高温作用下迅速地熔化并在水冷结晶器内进行再凝固，当液态金属以熔滴的形式通过近5000K的电弧区域并向结晶器中过渡以及在结晶器中保持和凝固的过程中，发生一系列的物理化学反应，使得金属得到精炼，真空电弧重熔法的实质就是借助于直流电弧的热能把已知化学成分的金属自耗电极在低压气氛中一层一层地进行重新熔炼并使去除非金属夹杂的钢水依次冷却，一层层地凝固，以提高其质量的熔炼过程。

2.真空电弧重熔的优缺点

此法发展很快，其原因是由于在真空下精炼去除气体和非金属夹杂物效果显著.又无耐火材料的污染，所以它具有产品纯净度高、凝固组织和化学成分均匀、成材率提高和容量大等特点。

VAR法的缺点是与电渣重熔相比，其钢锭表面质量和致密度及热加工性能较差，金属收得率变低，生产成本较高。

3.真空电弧重熔的适用产品及实际应用

真空电弧炉主要用来熔炼钛、锆、钨、铌、钼等活泼金属和难熔金属以及它们的合金。

也用来冶炼不锈钢、工具钢、轴承钢等优质合金钢以及铁、镍基高温合金等。

真空电弧重熔能显著地降低金属中的氧和非金属夹杂物（特别是氧化物）。

同时也能去除大量的氢以及一些氮和硫。

其应用效果如下：

（1）脱氢去杂质的效果显著

真空电弧重熔不仅杜绝了外界空气对合金的沾污，还可以降低钢和合金中的气含量和低熔点有害杂质，从而提高了钢的纯洁度。

（2）减少对活性元素的烧损及控制成分稳定

真空电弧重熔的钢或合金，对于活性元素铝、钛烧损少，回收率较高且较稳定。

合金的化学成分控制较为稳定。

（3）改善夹杂物类型和分布

对于某些钢种如GCr15,线材中的夹杂物主要是氧化物和硫化物，而真空电弧重熔钢中则主要是硫化物和它所包裹的氧化物。

（4）提高钢与合金的性能

真空电弧重熔高温合金，能提高其塑性和加工性能。

（三）电子束（电子轰击）熔炼

电子束熔炼是用高真空下产生的高压电子束轰击固体金属，将其加热熔化，并连续凝固。

本法可用于一次熔炼和重熔两方面，称为电子束轰击熔炼法（ElectronBeamhotnhardmentMelting）,简称EBM法。

如果是用于重熔就简称EBR法（ElectronBeamReriielting），其电子束重熔精炼应用为多。

1.基本原理及熔炼特点

电子束炉的基本工作原理可以用普通的二极电子管来说明，如图7-4所示，发射电子的阴极和被加热材料作成的阳极同处于一个高真空容器中，工作时，被高压加速的电子撞击到阳极表面时，其动能变成热能使阳极即待炼材料加热熔化。

由于在工作过程中电子形成的电子束不断地从阴极射向阳极。

所以称之为电子束，还由于阳极是被电子轰击而加热熔化的，因此，也叫它电子轰击炉。

2.电子束（电子轰击）熔炼优缺点

EBR法具有VIM和VAR法两者的优点，可重熔特殊的棒料或任何形式的炉料;它既可使液态金属在高真空和任意温度下长时间保持，又排除了耐火材料的影响，这可保证金属精炼和去气的有利条件。

对于低熔点的有害金属杂质，EBR法可以去除更完全。

因此，EBR法是目前提纯效果最佳的方法之一。

其缺点是:

目前电子束控制还不够稳定，钢锭表面欠佳，设备较复杂，生产率低，费用较高。

3.电子束熔炼的适用材料及实际应用

（1）难熔金属、活泼金属的熔炼和精炼效果

电子束炉是生产难熔和活泼金属最有效的熔炼设备。

由于其熔炼温度高达3000℃以上，同时炉内真空度可达0.133---0.0133Pa，有利于真空下碳一氧冶金反应充分进行而达到最良好的脱氧效果。

同时对一些杂质元素及其低价金属氧化物的挥发去除效果十分明显，可以获得高纯度的金属材质。

甚至可以通过多次提纯，使某些特殊钢及合金的纯度有更大幅度的提高。

（2）对铁、镍基合金的提纯效果

电子束熔炼对气体、夹杂物和其他杂质的去除效果较真空感应炉、真空电弧重熔的效果要好。

EBR法对镍基高温合金、不锈钢中气体杂质的去除同样是非常有效的，比VAR法更显著。

（3.）EBR法在合金结构钢生产中的应用效果

EBR法的提纯效果较现有的真空熔炼法都优越，通过对不同钢种的测试表明，氢含量大为降低，可能低于现代测定方法的误差范围。

（4）提高磁性材料的磁性能

EBR法生产磁性材料效果显著，特别是对软磁极薄带材最合适。

4.真空冶炼技术的应用及发展

真空冶炼技术的应用及发展，也促进了原子能、导弹、电子和计算机等工业和高新材料科学的发展。

其产品与在大气中冶炼的产品相比.是非常纯净的，成分和质量稳定，热加工性能、疲劳强度及高温物理和力学性能都很好。

所以不仅适于生产耐热钢、超耐热合金,同时由于能显著地提高电磁性能，也适于生产磁性材料。

（四）电渣重熔

电渣重熔也叫电渣精炼。

它是把一般冶炼方法炼成的钢或合金做成电极，利用熔渣的电阻热进行重熔精炼，以提高钢质量的工艺。

这种过程称为电渣重熔法（eleetroslayremelting）,简称ESR法。

其设备称为电渣炉。

1.电渣重熔基本原理

当电流通过时，由于炉渣产生的电阻热，使它处于高温熔融状态，形成渣池。

自耗电极的端头在渣中逐渐加热熔化，聚成熔滴下落，穿过渣池进入金属熔池，由于结晶器的强制冷却，液态金属逐渐凝固成电渣锭。

2.电渣重熔优缺点

电渣重熔设备较简单，工艺过程较易控制，投资较低，除去夹杂物的效果明显，而且电渣钢在材料收得率、化学稳定性和力学性能方面有显著的改善。

所以许多有特殊要求的材料首先考虑用电渣重熔法生产。

3.适用原料及产品

一般0.5-2.0t电渣炉生产高温合金、航空轴承钢、高速钢和不锈钢等;2.5-5t电渣炉生产合金钢;1a0—20t电渣炉生产扁锭（板坯），40t和更大的电渣炉生产一般合金结构钢的大型钢锭口特别对高合金钢、冷轧辊钢、高速钢和不锈钢应优先采用电渣熔炼。

4.电渣重熔的发展

大家知道，钢的纯净度问题、结晶问题是冶金质量方面的两大关键、现在一切提高冶金质量的手段中也十分重视在这两方面的研究。

电渣重熔在提高金属纯度、改善铸锭结构方面是行之有效的，而且电渣重熔设备简单，生产费用低廉，铸锭表面光洁，热塑性好，成材率高及电渣钢使用寿命往往是电弧炉的三倍，所以电渣重熔技术都得到迅速发展。

附：

等离子冶金

等离子弧作为冶金热源的潜在优势如下。

（1）能量集中，温度高（5000}30000K），离子流速度快（100一500mss），可达到快速升温、快速反应的效果。

（2）高温下，高速等离子流对气一固一液相反应动力学条件极为有利。

（3）气体处于离子状态，反应活性强，可根据需要选择工作气体。

如用还原性气体（玩,CO.烃、烷），可进行矿石直接还原，也可以脱氧使铸锭不残存脱氧产物。

用氮作工作气体使合金增氮。

（4）工作时电弧稳定，噪音小，电流及电压波动小，功率简便，范围广。

（5）封闭熔炼室内，在惰性气氛保护下，合金烧损极小，合金收得率高，适合熔炼活性金属。

（6）在高温等离子弧作用下，S.P,Pb.Be,Sn,As等杂质易挥发。

（7）等离子弧温度高，适应于熔炼W.Mo,Re.Ta,Zr及其合金。

（8）等离子弧温度高，有利于脱碳反应，不用石墨电极可防止增碳。

（9）用于等离子弧调整范围广，输人功率与金属熔化率无直接关系，重熔可以控制金属凝固，制取单晶体。

（10）等离子枪的工作气体可兼作喷粉运载气体进行喷粉，兼具喷射冶金功能。

Samancor集团烙铁厂等离子如图：

40MV·A等离子炉工艺原理:

（1）等离子转移电炉，熔池敞开式，无炉料堆集;

（2）电能与炉料（铬矿粉、还原剂、渣料）由一支空心石墨电极输入。

三、特种冶炼技术发展前景以及环保

飞机、舰艇、高科技机器部件等要求采用高纯钛合金或其它高级合金制造。

多年来,这些材料多采用真空电弧重熔熔炼,生产成本很高,而且有时仍然会残留一些高密度夹杂物和硬质􀀁粒子。

因此,近年来国外转而采用电子束冷床炉和等离子冷床炉熔炼这些材料,我国也从国外引进了此类冷床熔炼炉。

在环保节约方面，对于特种冶炼这种高耗能产业，应加强对能源利用效率的评价，优先鼓励发展节能降耗环保的先进技术设备和产品，强制淘汰高耗能、污染大、质量差的落后生产能力、工艺。

与此同时，还可采用多种环保措施，例如：

1、节能和控制CO₂排放

采用连铸连轧，薄带连铸等工艺，可以进一步减少能耗。

2、回收使用炉渣和粉尘

钢铁企业所生产的泥浆和粉尘也含油铁和其他金属，应该循环使用这些副产品，减少把这些副产品作为垃圾的堆放量。

3、保护环境、保护空气、水和土壤

为了防止我们所居住的世界被破坏，很久以来，就有环保法律和法规，钢铁企业必须遵守，随着技术的进步，环保法规所提出的要求也越来越严格，目前德国不允许冶金企业向外界排放污水，只允许钢铁企业采用作为循环水和冷却水所必须的水量，天空要保持蓝色，土壤不允许破坏，但环保是要花钱的，从而增加钢铁制造成本，但必须环保。

4、回收利用废钢

废钢回收利用是钢铁材料可持续发展的重要因素，2000年世界钢产量首次超过8亿t，为8.4亿:

，据世界钢铁协会统计，2000年消耗废钢3.8亿t，占炼钢原料45%，其他材料，如玻璃、铝、塑料没有这么高的回收率。

钢铁冶炼是国民经济的重要组成部分，它与国家的经济建设、国防建设等均有密切联系，还是衡量一个国家钢铁工业水平的重要尺度。

我相信，在技术和实践的结合下，我国的特种冶炼技术定会发展的更快更好。

【参考文献】

[1]李正邦,钢铁冶金前沿技术[M],北京:

冶金工业出版社,1997。

[2]真空冶金学[M],勇将译,上海:

上海科学技术出版社,1982。

[3]傅杰,中国现代电弧炉炼钢技术进展[A]国际学术研讨会论文集[C],北京:

冶金工业出版社,2004,110-116.

[4]李士琦,现代电弧炉炼钢技术进展[A],第十三届全国炼钢学术会[C],北京:

中国金属学会炼钢分会,2004,796-200.

[5]徐国庆,兴滞钢铁公司100t流EBT电弧炉高效生产实践[J].特殊钢,2004,25（3）:

50-51.

[6]王成喜,刘晓.电弧炉炼钢提高生产率的技术进展[J],2005,21（6）:

48-52.