真空冶金-科普123

真空冶金

生物科学2023-02-02 20:11:33百科

真空冶金

[拼音]：zhenkong yejin

[外文]：vacuum metallurgy

在低于1大气压直至超高真空（从小于760托至10^-12托）条件下进行的冶金过程，包括金属及合金的冶炼、提纯、精炼、成型和处理。目的主要在于：

（1）尽量减少金属受气相的污染；

（2）降低溶解于金属中的氧、氢、氮等杂质或较易挥发的杂质元素（如铅、锌等）的含量；

（3）促进有气态产物产生的化学反应，以达到特定的冶炼效果；

（4）利用真空熔炼过程（真空自耗电极电弧炉、电子束炉等），可以避免由耐火材料容器（坩埚）带来的不良影响。

真空冶金是在20世纪30年代末至40年代初随着真空设备制造业的发展而发展起来的。第二次世界大战期间及战后，为了适应军事工业及尖端技术对高性能金属材料及新型金属材料的需要，真空冶金在工业先进的国家得到迅速发展。中国的真空冶金是在50年代后期建立的。真空冶金已成为现代冶金技术的重要领域之一。

真空还原

即在真空下从矿石或化合物提取金属。某些金属的热还原反应产生气态产物（一氧化碳、金属蒸气等），在真空下进行这样的反应，往往可以采用比在常压下低几百度的温度，从而取得经济上的良好效果。真空条件还能显著地防止气态金属的再氧化。下面是这类过程的一些例子。

在10^-2托级压力下，用含硅75％的硅铁还原煅烧白云石，在1150℃左右即可得到镁：

形成的气态镁在反应器的较冷部位凝结。钙和钡则可在1200℃和10^-2～10^-3托压力下用铝从氧化钙或氧化钡还原而得：

还发展了用铝或硅在真空下从氧化锂或锂矿石还原出锂蒸气的方法。与电解法比较，用真空热还原法生产轻金属的优点是：

（1）可用的原料分布较广；

（2）生产工艺较简单；

（3）电耗低；

（4）产品纯度较高。

钒、铌、钽等也可用真空碳还原制得。真空热还原法生产金属是在电阻炉、感应炉或用不同方式加热的钢制蒸馏器（如镁还原炉）中进行的。

真空蒸馏

即在真空下依靠不同金属间蒸气压的差别，用蒸馏法精炼金属或分离金属。目前工业上将此法用于汞、锌以及镁、钙、铍的精炼。真空精炼的铍的纯度达99.97％;真空精炼的锌可达光谱纯。真空蒸馏法还用于从铅中除锌，从用镁还原法生产的钛中去除残留的镁及氯化镁，以及将铅锡、锌银、锌铝、镁铝等合金中的两种金属分离。碱金属、碱土金属、稀土金属也都可以用真空蒸馏法分离和提纯。在工业生产中，真空蒸馏法是在电阻炉或感应炉中进行的。

真空脱气

钢液真空处理是目前真空冶金中应用最广、规模最大的一种工艺方法。它最初(50年代)是为了从钢中除去溶解的氢，以防止大型钢铸件中由氢引起的特殊裂纹（称“白点”）而发展起来的，现在普遍用于脱氧、脱碳、提高合金添加剂的收得率、微调钢的成分等（见钢的脱氧反应，钢的去气）。对于某些含碳量极低的钢种（如纯铁、某些类型的不锈钢、电器硅钢等），为了避免炼钢炉内最后脱碳带来的困难（延长炼钢时间、炉衬侵蚀等），可在真空处理过程中实现最后的脱碳。

由于钢液真空处理的目的不同，处理的方式和所用的设备也多种多样（见炉外精炼）。

真空熔炼

始于第一次世界大战时期，用于小量熔炼镍基合金、热电偶材料及电阻发热合金等。50年代钛生产的要求及真空泵的改进，进一步促进了真空熔炼的发展。70年代已有容量为数十吨以至百吨以上的真空熔炼设备，一些高级特殊钢种的生产也采用真空熔炼工艺。真空熔炼的特点是炉料与大气隔绝，所以能熔炼在高温下易与氧、氮等气体化合或为其污染的金属。对于铁基、镍基等材料，在真空熔炼常用的真空度下(10^-2～10^-4托)，除能脱除气体外，还能通过挥发而除去金属或合金中的蒸气压较高的微量杂质。在真空条件下可以精确控制产品成分，必要时可以加入较大量的活性元素。这些都对提高合金性能和发展新型合金提供了条件。主要的真空熔炼装置有真空感应炉、真空自耗电极电弧炉和电子束炉（见电炉）。

真空感应炉

是装在真空室内带坩埚的高频或中频感应电炉。为了不破坏真空而完成浇铸，锭模或铸模也放在真空室内。原料可以用新料（基体金属和合金添加料），也可以用返回料。将原料装入坩埚，同时配入大部分合金添加料，但有些元素（如锰）由于蒸气压较高，为了防止过多损失，应在熔炼末期通过给料器加入。钛、铝、锆、硼等活性大的金属也在末期加入。在间歇式真空感应炉中，整个操作周期（装料、抽真空、熔化、精炼、浇铸）结束后打开真空室，取出铸模装入新模，然后开始下一炉操作。为了提高作业率以降低成本，大型真空感应炉本身与铸模分别装在互相连接但用闸门隔开的两个真空室内，每次浇铸后关闭闸门，待凝固完成后更换模子，而不破坏炉子本身的真空。因此出炉后，可以立即通过给料装置装入炉料，进行下一炉熔炼。

真空感应熔炼中，熔池与坩埚耐火材料接触，可能发生反应，从而影响提纯效果。因此必须采用高级耐火材料作坩埚，通常用的是电熔镁砂。真空感应熔炼在高温合金、高强度钢、超高强度钢等生产中广泛应用，对现代航空、航天技术的发展有重要贡献。还用于有特殊抗蚀和强度性能的不锈钢、软磁材料、导热材料和其他特殊合金。

真空自耗电极电弧炉

是一种重熔装置（图1），将所需的金属材料用其他方法冶炼并做成棒状的自耗电极，通常是作为负极。另一个极（正极）是水冷的铜结晶器。自耗电极被两极之间形成的低电压（20～40伏）大电流电弧释放的热量熔化，并在结晶器内凝固成锭。自耗金属电极杆通过专门的密封装置伸入炉内，随着电极的消耗不断喂入，直到消耗完毕。炉内压力一般在10^-2～10^-4托，但电弧区的工作压力由于放气而要高得多，可能达0.1～1托。

真空自耗电极电弧炉与真空感应炉相比有两个重要的特点：

（1）熔炼过程中金属不与耐火材料接触，除一般金属外，可以熔化熔点很高的金属（难熔金属）钨、钼、铌、钽和活性很高的金属如钛、锆。

（2）炉料边熔化边凝固，得到的锭子可完全消除一般锭中常有的缺陷（即缩孔、中心疏松和偏析）。因此可以生产巨型锭。目前真空自耗电极电弧炉容量可熔炼重达百吨的锭。大型设备为了提高作业率，一般备有两个交替使用的固定的结晶器，而上部炉体可以转动，与之配合（见二次重熔）。

除上述难熔金属和活泼金属及其合金外，真空电弧炉亦用于中合金、高合金特殊钢及镍基、钴基合金。在特殊情况下，真空电弧炉也可以充气工作，例如为了生产含氮合金钢，可以在充氮条件下进行重熔。

真空电子束炉

工作原理是在较高真空下（10^-4 ～10^-8托)用一个或数个电子枪发射出电子束，轰击被熔物料（作为阳极），使之熔化，并滴入一个水冷铜结晶器，凝固成锭（图2）。为了保持结晶器内熔体液面位置稳定并增大锭重和提高炉子作业率，通常将结晶器作成无底的，用适当的机械装置在重熔过程中将锭子以合适的速率连续地向下抽出。电子束的方向和形状可以按需要调节，因此可以对结晶器内熔池表面作必要地、均匀地加热，也可以为此设专门的电子枪，以便给金属的提纯和非金属夹杂物的浮出提供良好条件，能达到比其他真空熔炼方法更高的纯净度。电子束熔炼适于熔化钨、钼、铌、钽、铪、铍、钛等金属及其合金，高级合金钢，高温合金和超纯金属。它可以处理各种形态的原料：锭状、棒状、粉状、粒状、片状或海绵状（海绵钛）。目前工业上应用的电子束炉功率已达1200千瓦。