真空熔炼技术PPT

1、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

2、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,

3、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

4、.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

5、）,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

6、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：,BeLiMgNaCaAlTiSiMn CrZnFeNiCu,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

7、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： SiO2Ti 2SiO+TiO2 真空条件下， SiO不断溢出，从而促进了反应的进行。 同样， Al2O3Ti 4/3Al+TiO2 Al2O33C 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

8、）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

9、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）。

10、,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，

11、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

12、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

13、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

14、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