特種電冶金工藝技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

付 毅，趙義峰，康宏宇

（1.中國有色建設(shè)股份有限公司，北京 100070；2.武漢華科天元水務(wù)工程有限公司，湖北 武漢 430205；3.奎屯銅冠冶化有限責(zé)任公司，新疆 奎屯 833200）

隨著社會的不斷前進(jìn)與發(fā)展，金屬材料在各行各業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，但是在金屬材料的部分應(yīng)用場合對材料性能的要求較為嚴(yán)格，在這樣的發(fā)展背景下，合金以其優(yōu)異的材料性能越來越被廣泛應(yīng)用。合金材料是不同的金屬與其他組織按照一定的比例混合而成，有效的改善的材料的性能，從而滿足各種應(yīng)用場合下的材料性能需求。在合金材料中，包含有多種金屬元素，其中還有些金屬的性質(zhì)較為特殊，有的金屬難以熔融，有的金屬活潑性較強(qiáng)，無法采用傳統(tǒng)的熔煉方法對其進(jìn)行提煉。隨著冶金技術(shù)的不斷發(fā)展，各種先進(jìn)的特種電冶金工藝技術(shù)逐漸的被應(yīng)用在了冶金行業(yè)中，例如：電子束熔煉技術(shù)、等離子熔煉技術(shù)、冷坩堝感應(yīng)熔煉技術(shù)、冷床爐熔煉技術(shù)等，每一種特種電冶金工藝技術(shù)都具有各自的優(yōu)勢與特點(diǎn)，能夠有效的彌補(bǔ)傳統(tǒng)熔煉方法對特殊金屬難以提煉的問題，在冶金行業(yè)的發(fā)展史上具有重要的里程碑意義，且具有良好的發(fā)展與應(yīng)用前景。

1 電子束熔煉技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

1.1 電子束熔煉技術(shù)的發(fā)展

電子束熔煉技術(shù)是一種高壓電子束所產(chǎn)生的熱能來實(shí)現(xiàn)對金屬的冶煉方法，不僅具有熔煉溫度高的特點(diǎn)，而且產(chǎn)品的質(zhì)量也十分的良好。在20世紀(jì)初，德國首先將這種熔煉技術(shù)應(yīng)用在了金屬鉭的提煉當(dāng)中來，與傳統(tǒng)的真空電弧爐重熔技術(shù)相比，電子束熔煉技術(shù)所提煉的鉭不僅具有較高的純度，而且其加工性能也十分的優(yōu)異。但是，電子束熔煉技術(shù)的應(yīng)用通常需要在高真空環(huán)境下來進(jìn)行。由于早期真空技術(shù)發(fā)展較為緩慢，限制了電子束熔煉技術(shù)的廣泛應(yīng)用。在20世紀(jì)中期，真空技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，與此同時，電子束熔煉技術(shù)也逐漸的向規(guī)?；瘧?yīng)用發(fā)展，其中美國是最早將電子束熔煉技術(shù)進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)應(yīng)用的國家。由于電子束熔煉技術(shù)具有純度高、產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，這一技術(shù)也逐漸的受到了世界上各個國家的廣泛關(guān)注，并相繼開展電子束熔煉技術(shù)的研究，有效地推動了電子束熔煉技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

1.2 電子束熔煉技術(shù)的應(yīng)用

電子束熔煉技術(shù)不僅可以有效地實(shí)現(xiàn)對金屬材料的提純而且能夠制取高質(zhì)量的半導(dǎo)體材料與難熔金屬的單晶。一方面，電子束熔煉技術(shù)應(yīng)用環(huán)境為真空，且電子束的能量可以調(diào)節(jié)，能夠有效的實(shí)現(xiàn)對熔池溫度的精準(zhǔn)控制，從而保障產(chǎn)品的純度。另一方面，電子束熔煉技術(shù)在應(yīng)用過程中可以實(shí)現(xiàn)對原件中非金屬雜志、氣體以及部分金屬雜質(zhì)的去除，具有十分良好的提純效果。除此之外，由于電子束具有良好的可控性，可根據(jù)不同的應(yīng)用需求，靈活的對電子束熱源進(jìn)行調(diào)整，在此基礎(chǔ)上，電子束熔煉技術(shù)又衍生出電子束滴溶法、電子束熔模鑄造等多種精煉方法。在具體的應(yīng)用中，熔化的金屬被滴入水冷鑄模中，不僅具有比傳統(tǒng)真空電弧熔煉更加優(yōu)異的雜質(zhì)去除效果，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對鑄錠的連續(xù)鑄造。

2 等離子熔煉技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

2.1 等離子熔煉技術(shù)的發(fā)展

等離子熔煉技術(shù)是一種利用等離子電弧所產(chǎn)生的熱能來實(shí)現(xiàn)對金屬冶煉的方法，主要用于特殊鋼、超低碳不銹鋼、高溫合金以及活潑和難熔金屬的生產(chǎn)。早在18世紀(jì)中期，就已經(jīng)存在使用電弧來熔化金屬的方法，隨著技術(shù)的發(fā)展，金屬冶煉中電弧逐漸的被等離子弧來替代。在20世紀(jì)50年代末，美國一家公司研制了等離子電弧爐，與此同時，蘇聯(lián)、東歐等發(fā)達(dá)國家也相繼加入了等離子熔煉技術(shù)的研究當(dāng)中來，有效地推動了等離子熔煉技術(shù)的發(fā)展。在20世紀(jì)80年代，等離子熔煉技術(shù)已經(jīng)相對較為成熟，且等離子電弧爐的規(guī)模也越來越大。

2.2 等離子熔煉技術(shù)的應(yīng)用

等離子熔煉可分為一次熔煉和二次重熔兩種方式。一次熔煉是用廢鋼和鐵合金或其他塊狀粗級金屬作原料，在耐火材料坩堝中熔化成金屬液的過程。二次重熔是將通過其他冶煉方法初煉的金屬或合金用等離子電弧重新熔化和精煉，并在水冷結(jié)晶器中凝固成錠的過程。等離子熔煉作為特種電冶金工藝技術(shù)的一個重要分支，普及度相比其他熔煉技術(shù)較低。一方面，等離子熔煉技術(shù)在應(yīng)用前期需要投入的設(shè)備成本相對較高，而且在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中對各種材料的消耗也較大。另一方面，等離子槍的壽命較低，在應(yīng)用過程中需要及時的更換損耗的等離子槍。因此，為了推動等離子熔煉技術(shù)的進(jìn)一步廣泛應(yīng)用，不僅需要進(jìn)一步推動等離子熔煉設(shè)備技術(shù)性能的提升，還要注重研發(fā)高壽命的等離子槍，以降低等離子熔煉技術(shù)應(yīng)用的成本，提升等離子熔煉技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢。

3 冷坩堝感應(yīng)熔煉技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

3.1 冷坩堝感應(yīng)熔煉技術(shù)的發(fā)展

冷坩堝感應(yīng)熔煉技術(shù)是一種利用高頻交換電磁場來實(shí)現(xiàn)對金屬冶煉方法，由于熔融金屬玉坩堝壁之間始終保持一種非接觸的狀態(tài)，所以能夠有效的避免坩堝材料對于熔煉金屬程度的影響。冷坩堝感應(yīng)熔煉技術(shù)的雛形為感應(yīng)渣熔煉技術(shù)，但是感應(yīng)渣熔煉技術(shù)在應(yīng)用過程中會有一定的熔渣混入熔體，影響到金屬的程度，這一問題導(dǎo)致感應(yīng)渣熔煉技術(shù)沒有得到廣泛的應(yīng)用。

為了避免熔渣對金屬材料的污染，很多公司都在加大對感應(yīng)渣熔煉技術(shù)的研究力度。

在80年代初期，美國一家公司提出了利用高頻磁場來避免熔融金屬與坩堝壁進(jìn)行接觸的一種熔煉方法，這種方法能夠有效地避免熔渣對于金屬材料的污染，而且在熔煉的過程中坩堝壁溫度為冷態(tài)，因此，這種技術(shù)被稱作為冷坩堝感應(yīng)熔煉技術(shù)。

3.2 冷坩堝感應(yīng)熔煉技術(shù)的應(yīng)用

冷坩堝熔煉技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)對鈦、鎳、鉻、鎢等多種金屬的熔煉，還可以實(shí)現(xiàn)多種金屬間化合物的熔煉，例如：鎳鋁合金、鎳鈦記憶合金等。冷凝坩堝技術(shù)與連鑄技術(shù)相結(jié)合，能進(jìn)行冷坩堝電磁連鑄技術(shù)，提高鑄錠表面質(zhì)量，改善內(nèi)部組織；與定向凝固和連鑄技術(shù)相結(jié)合的冷坩堝定向凝固技術(shù)，已成功進(jìn)行鈦合金的定向凝固；與多晶硅制備技術(shù)相結(jié)合能連續(xù)制備多晶硅，雜質(zhì)含量少；與霧化沉積技術(shù)相結(jié)合的冷坩堝霧化沉積技術(shù)，具有熔化合金種類多、適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。在冷坩堝感應(yīng)熔煉技術(shù)的應(yīng)用中，大型坩堝的結(jié)構(gòu)形式通常采用平底直通式，這種結(jié)構(gòu)能夠有效的減少坩堝的生產(chǎn)與制造成本，但同時也會帶來一定的弊端，即坩堝底部會殘留有較大的凝殼。而小型坩堝的結(jié)構(gòu)形式通常采用拋物面型，不僅能夠有效的方便物料的攪拌，而且能夠增加熔體的懸浮力。另外，坩堝的分瓣數(shù)量也會對熔煉效果產(chǎn)生影響。

因此，需要合理的選擇分瓣數(shù)量，保證坩堝的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并減少對電磁場的屏蔽作用。瓣間應(yīng)該留有一定的間隙，為凝殼的清理提供便利。

4 冷床爐熔煉技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

4.1 冷床爐熔煉技術(shù)的發(fā)展

真空電弧重熔技術(shù)在早期的冶金行業(yè)當(dāng)中，被廣泛的應(yīng)用于難熔金屬與活潑金屬的冶煉中，其中鈦與鈦合金的冶煉是最為典型的冶煉類型。

但是冷床爐熔煉技術(shù)在應(yīng)用中難以有效地對鈦合金的疲勞裂紋進(jìn)行去除，經(jīng)常需要多次進(jìn)行熔煉，不僅對能量的消耗較大，而且效率較低。在這樣的發(fā)展背景下，冷床爐熔煉技術(shù)逐漸的應(yīng)用在鈦合金的冶煉當(dāng)中，取代了傳統(tǒng)的真空電弧重熔技術(shù)。冷床爐熔煉技術(shù)在西方歐美國家的發(fā)展較為迅速，而且這種技術(shù)的鈦合金產(chǎn)能在總產(chǎn)能中占有很大的比重。與西方歐美國家相比，我國的冷床爐熔煉技術(shù)發(fā)展較為緩慢，其與國外存在有較大的差距，有待進(jìn)一步的發(fā)展與提升。

4.2 冷床爐熔煉技術(shù)的應(yīng)用

隨著冶金行業(yè)對熔煉質(zhì)量要求的不斷提升，冷床爐熔煉在應(yīng)用中也在不斷的向著高質(zhì)量方向發(fā)展，例如：通過對冷床結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的優(yōu)化，能夠使得熔煉質(zhì)量更加的符合產(chǎn)品要求。另外，在傳統(tǒng)的冷床爐應(yīng)用上，由于只有一個爐室，每一次熔煉開始之前都需要對冷床殼體進(jìn)行冷卻，導(dǎo)致生產(chǎn)效率較為低下。

因此，在新型冷床爐熔煉技術(shù)的應(yīng)用中，分為兩個爐室，分別實(shí)現(xiàn)對金屬鑄錠的熔煉冷卻與在此熔煉，保證熔煉的連續(xù)性，提升生產(chǎn)效率。除此之外，隨著智能化技術(shù)與自動化技術(shù)的飛速發(fā)展，冷床爐熔煉技術(shù)也應(yīng)用中充分的利用了智能化與自動化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對工藝參數(shù)的智能控制、金屬成分自動取樣與分析、遠(yuǎn)程的觀察與控制等功能，為保障金屬的熔煉質(zhì)量奠定了重要的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

由上可知，隨著時代的前進(jìn)，對金屬材料性能的要求也越來越，特種電冶金工藝技術(shù)在冶金行業(yè)當(dāng)中的重要性也日益凸顯出來。

不同的特種電冶金工藝技術(shù)雖然在原理上存在著較大的差異，但其最終目的是實(shí)現(xiàn)對特殊金屬的高質(zhì)量熔煉，從而為滿足金屬材料的性能需求提供服務(wù)。

總而言之，特種電冶金工藝技術(shù)在冶金行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景，這對于冶金行業(yè)的健康與可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。