有色金屬真空冶金技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用

張雪冰

摘 要：文章對(duì)有色金屬真空冶金技術(shù)特點(diǎn)如金屬反應(yīng)受氣體影響較小、把控系統(tǒng)內(nèi)外物質(zhì)流動(dòng)及生產(chǎn)過(guò)程污染度較低等進(jìn)行分析，并對(duì)真空冶金的幾種開(kāi)發(fā)技術(shù)如真空還原、真空蒸餾、真空脫氣及真空燒結(jié)等進(jìn)行闡述，真空冶金技術(shù)的應(yīng)用，是將真空技術(shù)的廣泛應(yīng)用及技術(shù)進(jìn)步作為基礎(chǔ)。因此，文章以真空熔煉、鑄造領(lǐng)域中的冷坩堝真空感應(yīng)熔煉爐應(yīng)用及真空熱處理領(lǐng)域中的新型電子束熔煉為例進(jìn)行具體分析，望以此推動(dòng)我國(guó)冶金技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。

關(guān)鍵詞：有色金屬；真空冶金技術(shù)；真空蒸餾；真空燒結(jié)；真空脫氣

中圖分類(lèi)號(hào)：TF13 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）32-0159-02

Abstract： The technical characteristics of vacuum metallurgy of nonferrous metals， such as less influence of gas on metal reaction， material flow inside and outside the control system， and low contamination in production process， are analyzed in this paper. Several development technologies of vacuum metallurgy such as vacuum reduction， vacuum distillation， vacuum degassing and vacuum sintering are expounded. The application of vacuum metallurgy technology is based on the extensive application and technical progress of vacuum technology. Therefore， the application of cold crucible vacuum induction melting furnace in the field of vacuum melting and casting and the new type electron beam melting in the field of vacuum heat treatment are analyzed in detail in order to promote the further development of metallurgical technology in our country.

Keywords： nonferrous metals； vacuum metallurgy technology； vacuum distillation； vacuum sintering； vacuum degassing

自1960年后，真空冶金技術(shù)的成長(zhǎng)、發(fā)展均較為迅速。因真空冶金技術(shù)的不斷進(jìn)步，相應(yīng)的冶金設(shè)備質(zhì)量也隨之持續(xù)提升，發(fā)展趨勢(shì)越發(fā)多樣化、自動(dòng)化及大型化。此外，高真空技術(shù)、超高真空技術(shù)也在金屬冶金領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。目前，真空冶金涂層技術(shù)也隨之發(fā)展，此項(xiàng)技術(shù)除可改變材料表面性能外，也逐漸成為新型材料的制作途徑。

1 真空冶金技術(shù)特點(diǎn)

首先，金屬反應(yīng)受氣體影響較小。因真空環(huán)境下氣體稀薄，所以真空環(huán)境下的冶金操作受氣體影響較小。金屬于真空環(huán)境下熔化時(shí)，并不會(huì)溶解氣體。當(dāng)金屬材料于真空環(huán)境下加熱至一定溫度時(shí)，無(wú)論是液態(tài)金屬、固體金屬均極少產(chǎn)生氧化現(xiàn)象，真空環(huán)境下的氣體充分遵守理想氣體方程。其次，真空系統(tǒng)可有效把控系統(tǒng)內(nèi)、外物質(zhì)流動(dòng)。真空系統(tǒng)密度程度較高，同大氣具有明顯分隔。真空系統(tǒng)中，僅通過(guò)泵、管道將真空體系中的剩余氣體送至大氣中，大氣卻無(wú)法通過(guò)泵、管道進(jìn)入真空體系，所以，真空環(huán)境下，可對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)、外部物質(zhì)的流動(dòng)進(jìn)行完全控制。再次，生產(chǎn)過(guò)程污染度較低。金融材料操作環(huán)境需達(dá)到較高溫度，此溫度同真空室壁材料所需的軟化溫度相比較高，因此，金屬材料加熱系統(tǒng)需在爐內(nèi)進(jìn)行加熱操作。所以，真空體系中并不存在因燃燒燃料所造成的環(huán)境污染問(wèn)題。此外，氧化物、金屬材料于真空體系中形成氣體后，氣體中分子高度分散或分子通常較小。真空環(huán)境中，多原子分子通常傾向于原子數(shù)量較少或原子較為分散的分子。一般情況下，氣體分子粒徑為10-10米。

2 真空冶金技術(shù)的開(kāi)發(fā)技術(shù)

2.1 真空還原

于真空環(huán)境下，借助鋁、硅及碳等還原劑，將金屬氧化物、金屬化合物進(jìn)行還原，制取金屬。真空環(huán)境下，還可對(duì)金屬還原溫度予以大幅度降低，以此完成部分于常壓環(huán)境下難以完成的金屬冶金作業(yè)。如以五氧化二鈮的碳還原為例，常壓環(huán)境下，碳無(wú)法完全還原鈮，通常會(huì)反應(yīng)生成多種碳化鈮，還原最高溫度為2834卡。而當(dāng)真空環(huán)境為10-2帕?xí)r，還原溫度為1956卡，真空環(huán)境為10-4帕?xí)r還原溫度降至1694卡。其他金屬元素如鈦、釩、鋯、鉭、鉬及鎢的還原情況也同上述情況類(lèi)似。真空環(huán)境下，還可借助碳、碳化物對(duì)堿金屬、堿土金屬進(jìn)行還原。

2.2 真空蒸餾

真空蒸餾、精煉是借助真空蒸發(fā)工藝將有色金屬中的雜質(zhì)清除，提取金屬中純材料的一項(xiàng)技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)主要分為化學(xué)遷移反應(yīng)法、真空蒸餾分離法兩種工藝方式?；瘜W(xué)遷移反應(yīng)法即借助氣體物質(zhì)、金屬兩者反應(yīng)所生成的化合物，將生成化合物轉(zhuǎn)移至另一位置后，使化合物產(chǎn)生逆反應(yīng)，反應(yīng)生成純金屬、氣體產(chǎn)物。真空蒸餾分離法為于真空環(huán)境下，依據(jù)不同金屬間各蒸汽壓的差別，借助揮發(fā)過(guò)程、冷凝過(guò)程對(duì)金屬進(jìn)行分離、提純操作。工業(yè)領(lǐng)域中，多使用感應(yīng)爐、電阻爐對(duì)有色金屬執(zhí)行蒸餾操作。

2.3 真空脫氣

真空脫氣即于真空環(huán)境下將有害氣體如（氮、氧、氫等）從合金中、液態(tài)金屬中脫去的工藝方式。此類(lèi)有色金屬通過(guò)脫氣處理后，于金屬熔鑄時(shí)不會(huì)因金屬自身所存氣體而對(duì)金屬結(jié)構(gòu)造成影響。與此同時(shí)，因經(jīng)脫氣處理后的有色金屬中晶粒邊界所含雜質(zhì)大幅度減少，有效提升金屬?gòu)?qiáng)度，增強(qiáng)有色金屬的物理性能。所以，真空脫氣處理工藝為提升金屬質(zhì)量，改善金屬物理性能、機(jī)械性能的重要方式。真空脫氣處理工藝也成為有色金屬真空冶金中應(yīng)用范圍最廣，使用規(guī)模最大的金屬工藝處理方式。

2.4 真空燒結(jié)

真空燒結(jié)為真空環(huán)境下，即真空度處于10～10-3帕間，可將合金、金屬化合物、金屬粉末于適當(dāng)?shù)牡蜏丨h(huán)境下進(jìn)行燒結(jié)操作，由此形成金屬坯、金屬制品。于真空環(huán)境下進(jìn)行燒結(jié)，既不受金屬與氣體間二者反應(yīng)的影響，也不存在吸附氣體對(duì)此操作的影響。此操作環(huán)境所形成的金屬坯、金屬制品不僅具有良好的密化效果，同時(shí)也可起到還原、凈化作用。此外，也可將燒結(jié)溫度進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕档停缈蓪Y(jié)溫度降低100℃-150℃左右，降低后的燒結(jié)環(huán)境同常溫?zé)Y(jié)環(huán)境相比，更加節(jié)能環(huán)保，同時(shí)也可有效延長(zhǎng)真空燒結(jié)設(shè)備使用年限，也可對(duì)所得金屬產(chǎn)品質(zhì)量具有一定提升。

3 真空冶金的應(yīng)用

真空冶金的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)檎婵杖蹮?、鑄造領(lǐng)域中的冷坩堝真空感應(yīng)熔煉爐應(yīng)用；真空熱處理領(lǐng)域中的新型電子束熔煉；真空鑄造領(lǐng)域中的倒包大氣注錠應(yīng)用；真空熱處理領(lǐng)域中的電阻加熱；表面處理領(lǐng)域中的活性氣體腐蝕、超高真空加熱等，下文主要針對(duì)冷坩堝真空感應(yīng)熔煉爐、新型電子束熔煉進(jìn)行詳細(xì)分析，如下。

3.1 冷坩堝真空感應(yīng)熔煉爐

冷坩堝真空感應(yīng)熔煉爐主要是由真空熔煉爐、電磁感應(yīng)加熱電源、電控系統(tǒng)及真空一隋性氣體系統(tǒng)四部分構(gòu)成。其中，電源可為中頻或高頻，電源頻率依爐料重量大小而進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，爐料越多則電源頻率越低。此類(lèi)熔煉爐一般使用導(dǎo)熱性能較高的金屬材料（如紫銅）制成，坩堝壁沿坩堝軸瓣間多數(shù)使用耐絕緣材料進(jìn)行填充，也可選擇不填充，填充與否依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行改動(dòng)。部分規(guī)模龐大的熔煉爐一般使用金屬材料進(jìn)行殼體制作；小型熔煉爐則大多使用非金屬材料（如石英）進(jìn)行殼體制作。底注式、翻轉(zhuǎn)澆注式為金屬殼體熔煉爐的兩種主要結(jié)構(gòu)。冷坩堝熔煉具有污染較小，所制作產(chǎn)品成分均勻等特點(diǎn)。除此之外，冷坩堝溶體溫度均勻且易于控制，不會(huì)產(chǎn)生溶體局部過(guò)熱現(xiàn)象?，F(xiàn)階段此技術(shù)被廣泛應(yīng)用于金屬間化合物熔煉中。

3.2 新型電子束熔煉

電子束非間斷性熔煉中允許將精煉、熔化、凝固分離。此種熔煉方式除可有效防止所熔鑄金屬中大部分非熔成分進(jìn)行熔鑄過(guò)程外，也可為熔化反應(yīng)提供充足的反應(yīng)時(shí)間，同時(shí)也可對(duì)金屬中的雜質(zhì)元素、殘存物進(jìn)行完全清除。但此熔煉過(guò)程中所存在問(wèn)題為必須于爐料中補(bǔ)足Cr。據(jù)相關(guān)報(bào)道顯示，此種熔煉方式中氧含量、氮含量明顯降低，非金屬類(lèi)雜物也可借助水冷分液器被予以機(jī)械清除，或可通過(guò)電子束所具有的強(qiáng)烈熱量將非金屬類(lèi)雜物進(jìn)行分解，提升所制作材料的純凈度，同其他熔煉方法相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。電子束渣膜熔煉為金屬液面于冷床中形成的渣膜，且此渣膜具有相應(yīng)比例，同時(shí)渣膜未覆蓋區(qū)域可有助于金屬液進(jìn)行脫氣，而渣膜覆蓋區(qū)域可有效降低因揮發(fā)所造成的損失，完成雜質(zhì)清除操作。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)現(xiàn)階段有色金屬冶金技術(shù)的不斷提升，對(duì)相關(guān)冶金設(shè)備也具有較高標(biāo)準(zhǔn)，多種新型冶金技術(shù)也隨之產(chǎn)生。于真空環(huán)境下進(jìn)行冶金操作，既可有效清除金屬材料中的雜質(zhì)，提升所制備材料的純凈度，又可提升所制備材料的物理性能、使用性能。真空還原技術(shù)、真空蒸餾技術(shù)、真空脫氣技術(shù)及真空燒結(jié)技術(shù)均為目前我國(guó)冶金技術(shù)中所開(kāi)發(fā)的新型技術(shù)，上述技術(shù)于提升材料制作質(zhì)量的同時(shí)，也可節(jié)約能耗，同我國(guó)所制定的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略相符合。與此同時(shí)，我國(guó)冶金技術(shù)的發(fā)展也可在一定程度上推動(dòng)我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)步。

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