特种冶金技术 

特种冶金也称特种熔炼，是泛指转炉、电弧炉、平炉、感应炉等普通熔炼方法以外的熔炼方法。从冶炼热源及冶炼气氛上可以将特种冶炼分为：真空冶金、电子束熔炼、等离子冶金及电渣冶金等4大类。

特种冶金主要用于制备那些以普通熔炼方法不能或难以熔炼的特殊金属材料，是生产高质量特殊钢及超级合金、难熔合金（W、Mo、Nb、Ta、Re）、活泼金属（Ti、V、Zr等）、高纯金属（如零夹杂钢）及近终形铸件的手段。特种冶金产品总量不到钢总产量的1%，但产值很高。

1 电渣重熔（ESR）

   电渣重熔的基本过程如图1所示。在铜制水冷结晶器内装有高温高碱度的熔渣，自耗电极的一端插入熔渣。自耗电极、渣池、金属熔池、钢锭、底水箱通过短网导线和变压器连接形成回路。当电流通过回路时，渣池靠自身的电阻加热到高温，自耗电极的端部被渣池逐渐加热致熔化，熔化的金属液膜聚集成熔滴，自电极端部脱落，穿过渣池进入金属熔池。由于水冷结晶器的强制冷却作用，液态金属逐渐凝固形成铸锭，铸锭由下而上逐渐凝固，使结晶器内金属熔池和渣池不断向上移动，上升的渣池在水冷结晶器的内壁上首先形成一层渣壳。这层渣壳不仅使铸锭表面平滑光洁，也起到保温隔热的作用，使更多热量从铸锭传导给底部冷却水带走，这有利于铸锭的结晶自下而上地进行。  

    电渣重熔技术作为冶炼优质钢锭的一种手段，以其优良的冶金反应条件及特殊的结晶方式有着其他炼钢方法所不能替代的优越性。电渣重熔过程中，金属的熔化、浇铸和凝固均在一个较纯净的环境中实现，减少了大气中气体向钢液的传输及耐火材料对钢液的影响，同时，电渣重熔过程具有良好的冶金反应热力学和动力学条件，有效地强化了冶金反应的进行，促进了有害夹杂元素及非金属夹杂物的去除。电渣重熔后的钢，纯度高，含碳量低，非金属夹杂物少，钢锭表面光滑，结晶组织均匀致密，金相组织和化学成分均匀，电渣钢的铸态机械性能可达到或超过同钢种锻件的指标。

1－自耗电极；2－水冷结晶器；3－渣池；4－金属熔池；5－渣壳；

6－钢锭；7－底水箱；8－金属熔滴；9－变压器；10－大电流导体

图1 电渣重熔系统的示意图  

 电渣重熔的特点：金属的熔化、浇铸和凝固均在一个较纯净的环境中实现；具有良好的冶金反应的热力学和动力学条件；自下而上的顺序凝固条件保证了重熔金属锭结组织均匀致密；在水冷结晶器与钢锭之间形薄而均匀的渣壳保证了重熔钢锭的表面光洁。

2 真空感应熔炼（VIM）

感应炉是利用电磁感应原理将电能转变为热能来熔炼金属的设备，感应炉可以生产钢、高温合金、精密合金、有色金属及其合金。配备真空系统的真空感应炉更是冶炼优质钢和合金的重要设备。在真空感应炉基础上出现冷坩埚熔炼和悬浮熔炼，两者结合又形成了冷坩埚悬浮熔炼技术。感应加热与其他电加热方法结合形成等离子感应炉、电渣感应炉和电弧感应炉等新的冶金手段。感应加热方法用于钢水炉外处理产生了感应钢包炉、中间包感应加热等新的应用。

感应炉按感应方式分类可分为有芯（铁芯）感应炉和无芯感应炉；按电源工作频率分类可分为工频：50或60Hz；中频：150-10000Hz；高频：10-300Hz；按气氛分类可分为真空感应炉、非真空感应炉。感应炉一般用无铁芯型的感应圈，设置在炉体内的称内热型；感应圈设在真空炉体外的称外热型。

真空感应熔炼是利用电磁感应原理将电能转换为热能来熔炼金属。感应炉熔炼已有近110年的历史，主要用于熔化。

3 真空电弧熔炼（VAR）

真空电弧炉熔炼一般分自耗电极电弧熔炼和非自耗电极电弧熔炼两种，其实质是一种真空条件下结晶器中进行的净化性重熔重铸过程。

非自耗炉是问世最早的一种炉型，目前基本上被自耗电极电弧炉所取代。其原因在于非自耗炉的非自耗电极沾污金属；其次是非自耗炉大都采用保护气氛，因非自耗电极电弧在真空下极不稳定；其三是非自耗炉熔炼只有在形成金属熔池后才能开始脱气，为此熔炼速度不可能太快，只能低速熔炼，电能利用率极低。

下图2所示为真空自耗电弧炉示意图。

图2 真空自耗电弧炉  

真空自耗电弧熔炼由于是把金属熔化，精炼提纯和结晶成锭统一在一个真空空间内连续完成的，而且液态金属又是在水冷结晶器内自下而上的顺序定向结晶，因而获得的重熔钢锭，不仅纯度得到了改善，而且结晶质量也得到了提高，所以真空自耗电弧熔炼是一种能综合提高金属质量的新型冶金方法。其优点在于它彻底克服了传统冶金方法所固有的四大致命缺点，即克服了由炉衬耐火材料，冶金炉渣、炉气和浇注过程对产品的沾污而能综合提高金属质量。除了以上优点外，还具有如下优点：

1，在熔炼过程中，自耗电极首先以层状熔化后呈滴状进入结晶器首先形成熔池，因此使比重轻的非金属夹杂物自液体金属中分离升浮达到所谓净化性提纯；

2，特别重要的是具有快速定向程序结晶，可使金属的玷污与夹杂物分布均匀以及通过排除到锭子头部、锭冠和锭子表面；

3，在合理的选定工艺参数条件下，特别是供电参数，可以完全消除一般锭常见的固有缺陷，如缩孔、中心疏松、各种典型偏析、裂纹和皮下气泡等；

4，过程本身的灵活性可用来精炼各种不同物理性能的金属与合金，原则上可熔炼包括最难熔的金属钨在内的任何金属材料。

目前采用真空电弧炉的主要目的是降低金属中的气体含量；更准确的控制化学成分；提高金属的纯洁度；改善质量，消除中心疏松，内部裂纹、偏析和发纹；生产用普通方法质量难于保证或成品率太低的钢种；生产普通方法难于生产的品种。

4 电子束熔炼（EBR）

电子束重熔法是一种在真空度很高（10^-3～10^-5mmHg即0.133～0.00133Pa）的条件下，利用电子枪为阴极发射出高速的电子束来轰击阳极（被精炼的料棒和金属熔池），电子束所具有的动能在阳极转化成热能，从而使金属熔化的一种熔炼方法。金属料棒被熔化成熔滴而滴落到水冷的铜质结晶器中凝固。金属料棒在熔化、滴落和凝固过程中净化精炼。其原理是阴、阳两极置于一个真空室内，分别连接在直流电源的正极和负极上。当阴极用其他电源通电加热后，温度升高，在阴极材料中有自由电子因受热而被激发逸出。若此时的阴极和阳极被接通一定电压的直流电源，则激发出的电子就处于一定强度的电场作用下，被加速并射向阳极。在真空二极管中借此获得单向导电，而在电子束重熔炉中，借此高速的电子流轰击阳极，将电子的动能在阳极上转换成热能，从而加热和熔化阳极。电子枪发射出的电子束，除了对料棒进行加热、熔化外，还可对金属液面加热，使之维持一个金属熔池，熔池表面过热度高，从而熔池也较浅，真空度又高，因而对精炼反应是非常有利的。其优势在于（1）被精炼的金属在高真空和高温的作用下，其气体的析出，非金属夹杂物的分解和排出，金属夹杂物的挥发去除以及碳的脱氧反应等，比其他熔炼方法有更优越的热力学条件。（2）熔滴的形成、滴落以及金属熔池能维持较长的时间，使金属在真空中暴露的时间和比表面积均明显增大，这些因素均能促进精炼反应速率的提高。（3）被精炼的金属又是在水冷铜质结晶器中凝固，避免了炉衬耐火材料对金属的玷污。

电子束熔炼炉的结构如下图3所示。

1-油扩散泵；2-预真空机械泵；3-罗茨泵；4-车间地面；5-操作平台；

6-装料阀门；7-料棒推送机构；8-料棒；9-电子束偏转系统；10-电子枪；

11-电子枪真空接口；12-电子束；13-熔炼室；14-水冷铜结晶器；

15-水冷锭模座；16-锭子车17-拖锭机构；18-拖锭机构架

图3 1200kW电子束熔炼炉结构  

相比于其他冶炼工艺，电子束重熔的冶金特点如下：

1，电子束重熔是在很高的真空度下进行的，它比真空感应炉、真空电弧炉的真空度要高的多。因此对于金属中的气体、非金属夹杂以及某些有害元素的去除要完全和彻底得多。净化精炼反应的速率也较其它真空炉高；

2，在重熔过程中，能对熔化炉料的功率和加热熔池的功率分别进行调节，因此当熔化速率改变时，仍可使熔池保持所需要的温度。由于能对熔化炉料的功率进行调节，加之送料速率可以调节控制，因此可在较大范围内调整金属炉料的熔化速率；

3，由于射到阳极上的电子束释放很高的能量，使金属熔池能达到很高的温度（熔池表面温度可达1850℃），这不仅有利于重熔过程中精炼反应的进行并且还可用于熔炼钽、铌、钨、钼等高熔点金属；

4，电子束的可控性好，所以可通过控制电子束来控制熔池的加热部位，从而保证熔池温度分布均匀，这将有利于得到表面质量和结晶组织优良的金属锭。

这种重熔法的不足之处在于生产率低，设备结构比较复杂，需应用高压直流电源，设备投资费用高、生产费用也高。

5 等离子熔炼

等离子体是一种强有力的高温热源，它不仅广泛地用于焊接、切割、喷涂、化工以及宇航事业的某些试验，而且还用于冶金工业—等离子体熔炼。等离子体就是由大量的自由电子、正离子以及未经电离的气体原子和分子所组成的混合体，这种混合体所带的正、负电荷的总和是相等的，并表现出集体行为的一种准中性气体，也可以说它是物质在高温或特定的激励下的一种物质状态。由于它的物理化学性质与一般的气体、液体和固体不同，故有物质的第四态之称。虽然等离子体在电的性质方面呈中性，但是在外电场的作用下却具有良好的导电性、导热性，同时又是一个高温热源。

等离子熔炼利用等离子弧作为热源来熔化、精炼和重熔金属的一种新型熔炼方法。上世纪60年代初应用于冶金工业，主要用于金属材料的精炼以及熔炼高纯度和特殊性能钢和合金，尤其是高温合金和精密合金。

为了获得等离子体，必须供给一定的能量使气体电离。对于不同的气体，电离时供给的能量也不同。气体的电离电位越高，电离时所需供给的能量也越大。为了使气体电离，可以采用以下方式供给气体能量：用加速到一定的速度的粒子撞击中性气体粒子；用一定波长的光照射中性气体粒子；将气体加热到一定的温度，使气体产生热电离。

当电流通过电弧柱时，就像通过一般的电阻一样，会产生热量，这个热量可把气体加热到很高的温度，而使它产生热电离。