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0 035 0 045 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2000 C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7 1 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 33 10 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 O CO 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 O H2O 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 Be Li Mg Na Ca Al Ti Si Mn Cr Zn Fe Ni Cu 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 SiO2 Ti 2SiO TiO2真空条件下 SiO不断溢出 从而促进了反应的进行 同样 Al2O3 Ti 4 3 Al TiO2Al2O3 3 C 3CO 2 Al 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500 4000Hz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10KPa 4KPa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13KPa 66KPa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 20 28VDC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 027Pa 0 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炉料上使之熔化 7 6 2等离子炉熔炼的特点 1 温度高