真空熔炼技术.ppt

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真空感应炉熔炼7.4真空电弧炉熔炼7.4.1真空电弧炉工作原理7.4.2真空电弧炉7.4.3真空自耗电弧熔炼过程7.5电子束炉熔炼7.6等离子炉熔炼,7.1真空熔炼技术的发展7.1.1真空熔炼的特点根据熔体中H的溶解度与其分压的平方根关系：式中：S为金属熔体中的气体溶解度；P为金属与气体接触处的气体分压；K为比例常数，与金属、气体及温度条件有关。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；（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。,7.1.2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；（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0.0350.045%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2000C以上的高温，保证了稀有金属熔炼所需的高温条件。,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。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71，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1.3310-5Pa，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。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+OCO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+OH2O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：,BeLiMgNaCaAlTiSiMnCrZnFeNiCu,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。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：SiO2Ti2SiO+TiO2真空条件下，SiO不断溢出，从而促进了反应的进行。同样，Al2O3Ti4/3Al+TiO2Al2O33C3CO+2Al,7.3真空感应炉熔炼,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。,真空感应电炉结构图,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5004000Hz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；（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。,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。,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。,电弧分区,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，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10KPa4KPa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13KPa66KPa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。,7.4.2真空电弧熔炼的结构：,1电缆；2水冷电杆；3炉壳；4夹头；5过渡极；6真空管道；7自耗电极；8结晶器；9稳弧线圈；10电弧；11熔池；12铸锭；13冷却水；14冷却水口。,真空电弧炉结构图,真空电弧分为：自耗和非自耗型电弧的工作电压：2028VDC电流：几千到几万安培,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。,7.5电子束炉熔炼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。,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（0.027Pa0.00027Pa)，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；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：,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。,等离子炉的结构原理图,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