特种冶金方法

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炉外精炼为生产超纯铁素体不锈钢、无间隙原子深冲钢（IF钢）、超低碳贝氏体钢等需要，促使炉外精炼的发展。炉外精炼是将转炉、电炉初炼过的钢液转移到另一容器中进行精炼的炼钢过程，称“二次炼钢”（SecondarySteelmakingProcess），又称“二次精炼”（SecondaryRefining）初炼：熔化、脱磷、脱碳和主合金化精炼：脱气、脱氧、脱硫、深脱碳、去除夹杂及成分微调1.炉外精炼的理论基础炉外精炼的理论基础是以冶金过程物理化学理论为基础的。1）钢液搅拌多数冶金反应是相界面反应，反应物和生成物的扩散速度是限制性环节。钢液搅拌是炉外精炼过程中加强冶金反应动力学条件的重要手段，借助气体、电磁感应和机械方法，实现钢液和熔渣运动。（1）气体搅拌（吹氩搅拌方式）氩气是常用搅拌气体，吹入气体的比搅拌能与气体流量的关系如下： 炉外精炼理论基础（2）吸吐搅拌（RH和DH搅拌方式） 炉外精炼理论基础（3）感应搅拌（ASEA-SKF搅拌方式）2）真空脱气（1）脱氢 炉外精炼理论基础脱氢速度:根据脱气装置几何尺寸，操作工艺及条件、钢种及预脱氧状态不同，脱氢的效果有差异，但真空度是直接关系脱氢的主要因素。（2）脱氮 炉外精炼理论基础脱氮速度：与脱氢率类似，去氮效果与其真空处理方法，装置结构与尺寸，钢水预脱氧程度，系统真空度等因素有关。由于钢中氮的溶解度、扩散速度慢，存在易于氮化的合金元素（Mn、Cr、Al、Zr、B），真空脱氮的效果仅为10-15%左右。（3）脱氧 炉外精炼理论基础碳在钢中的扩散速度比氧大，故氧的传质是真空下脱氧反应的控制环节，其脱氧速度为：3）合成渣洗钢液与炉渣间相互作用时的脱氧和脱硫速度：取决于钢和渣中物质扩散速度及搅拌功率的传质系数 炉外精炼理论基础金属液中渣滴的流线系数4）喷粉精炼扩大钢渣接触比面积，改善钢液内部冶金反应的热力学和动力学条件，另一重要目的是改变5）钢水加热 炉外精炼理论基础加热的手段有：电弧加热、化学加热（铝热法、硅热法、CO燃烧法）2.炉外精炼方法精炼方法真空精炼法惰性气体稀释法渣洗精炼法从有无补偿加热装置方面又分为钢包处理型(RH、TN、SL、WF、Gazid）钢包精炼型（VAD、VOD、AOD、ASEA-SKF、LF） 炉外精炼方法(一)钢包吹氩技术（1）带保护罩加合成渣吹氩SAB法（SealedArgonBubbling）CAB法（CappedArgonBubbling） 炉外精炼方法（2）封闭式吹氩成分微调法CAS法CAS-OB法 炉外精炼方法（3）带电弧加热的钢包吹氩LF炉具有4个功能：a.还原气氛(石墨电极反应)b.氩气搅拌c.埋弧加热d.白渣精炼LF炉与超高功率电弧炉配合，除提高钢质量外，可提高生产率15-20%。 炉外精炼方法(二)钢包喷射冶金喷射冶金的基本特征是利用氩气作载体，将粉料喷射到钢液深部，气动连续输送，显著改善了钢液内冶金反应的热力学和动力学条件。冶金特点如下：a.扩大了反应表面积b.连续供料与控制供料c.解决了活性元素加入问题d.反应在熔池被强烈搅动下进行 炉外精炼方法(1)CAB/TN法和SL法CAB/TN法SL法可以喷吹合金粉末 炉外精炼方法(2)RH-IJ法喷射冶金不具备真空去气、脱碳功能，也无法形成还原气氛，是其局限性。目前正在探索LF、VOD、RH等精炼工艺和喷吹冶金合理结合，如RH-IJ法用于精炼硅钢。 炉外精炼方法(三)喂线技术80年代出现的喂线技术，逐步代替了喷枪喷吹技术，以每分钟80-300m的速度喂入熔池深处。因其不存在气相载体，喂入的金属向上移动时间延长，有足够的时间与钢液发生反应。综合对比各种炉外精炼技术，喂线技术有以下优越性：1）合金收得率高。2）合金微调接近目标值。3）铝的收得率提高，收得率可达94-98%。 炉外精炼方法（四）循环真空脱气法RH-OBRH-KTBRH 炉外精炼方法(五)真空钢包处理吹氩和真空脱气结合-芬克法真空下减压吹氩精炼-Gazad法电磁搅拌真空去气法 炉外精炼方法(六)电弧加热的真空精炼炉1）ASEA-SKF炉具有真空脱气、电弧加热、电磁搅拌功能 炉外精炼方法2）VAD炉具有电弧加热、吹氩搅拌、真空脱气、包内造渣、合金化等多种精炼手段。VAD可实现以下功能：（1）有效杜绝炉渣回磷；（2）脱硫率高；（3）脱氧良好；（4）脱氢良好；（5）去氮率高；（6）有效去除夹杂物； 炉外精炼方法不锈钢生产技术发展方向：1）发展不锈钢冶炼工艺如右图的冶炼方法。2）采用廉价原料3）开发新产品如高纯铁素体不锈钢马氏体不锈钢4）完善配套技术如不锈钢带钢连铸VODK-VOD/VADSS-VODVODCRH-OBAODCLU（七）不锈钢炉外精炼 炉外精炼方法AOD-VCRAODVCR利用真空和吹氩，进一步脱碳 炉外精炼技术发展趋势1.钢水百分之百地进行处理；2.促使钢铁工业有粗放型向集约型发展；3.向组合、多功能化方向发展；4.对不同规模、不同产品配备不同精炼技术：1）生产板带钢材企业，应配备CAS-OB和RH精炼站。2）生产棒材的企业，应配备LF炉和喂线手段。3）对电弧炉特殊钢厂生产不锈钢采用EF→AOD→VCR工艺；生产轴承钢采用EF→LF→RH→CC工艺；生产超纯结构钢采用EF→VAR工艺。 真空冶金真空冶金（VacuumMetallurgy）不同于大气下的冶金过程，对诸如活泼金属易于氧化，合金成分难精确控制；金属熔池与空气作用，合金中有害气体（H、N、O）难去除；大气下熔炼抑制了挥发过程，不能去除有害元素Pb、Sb、Bi、Sn、Cu等，都有较好的精炼作用。真空冶金广义上包括：真空脱气、真空熔炼、真空熔铸、真空蒸馏、真空分解、真空烧结、真空热处理、真空焊接和真空镀膜等。1.真空感应熔炼(VacuumInductionMelting)在真空条件下，利用电磁感应在导体内产生涡流加热炉料，从而进行熔炼的方法。在13.332Pa的真空下，合金中的[H]、[N]、[O]、[C]可以被去除，蒸气压比基体金属高的杂质元素（Cu、Pb、Sb、Bi、Sn、As）可通过挥发去除，易氧化元素Al、Mg、Ti、Zr、B、Ce、La成分容易控制。 真空感应熔炼1）真空感应炉设备包括三部分：1）电源系统；2）真空系统；3）炉体；如下图：真空系统翻炉机构加料机构坩埚感应器取样和捣料装置测温装置可动炉体 真空感应熔炼（1）电源输入系统由于真空感应炉设备庞大昂贵，提高生产率成为选择电源功率的依据，通常选择范围在300-500kW/t，电源频率选择主要考虑熔池的搅拌，电源选择见下表。表1.真空感应炉电源炉容量电源参数80kg300kg1t3.5t5t30t熔炼电源功率/kw100300600120016002400电压/V250400-600400-600400-600400-600600频率/kHz2-41-2.50.5-10.5-10.15-0.50.06搅拌电源功率/kw70018002500电压/V20-6520-6520-65频率/kHz505050 真空感应熔炼（2）真空系统要求主熔炼室在15分内抽至13.332Pa，同时考虑精炼期气体排放及精炼真空要求。（3）炉体炉体结构已多样化，包括：熔炼室、装料系统及辅助设备。对容量≤500kg的感应炉，选择侧倾坩埚浇铸的结构，在熔炼室内浇铸，结构紧凑；对≥1t的真空感应炉，铸锭室和熔炼室分开，坩埚与铸模间经水平导流槽连通，可连续熔炼，缩短冶炼周期，提高设备利用率。2）真空感应熔炼工艺包括：装料、熔化、精炼、浇铸四步工序。 真空感应熔炼工艺（1）装料装料在真空室内进行，一部分直接装入坩埚，另一部分装入合金料箱中，以便在熔炼过程按进程加入。合金料箱中的材料包括：蒸气压高的元素Mn，应在出钢前不久通入保护气体后加入；活泼元素Al、Ti、Mg、Ce、La、Zr、B等，在精炼期加入；基体材料Fe、Ni、C、W、Mo、Co、V直接一次加入坩埚，难熔、量多的料装在高温区。装料应上松下紧，大块料放在中上部，便于预热和塌料，严防化料中发生“架桥”。（2）熔化主要任务是使炉料熔化、去气、去除低熔点有害杂质和非金属夹杂物，使金属液有适当温度，熔池上方保持较高真空度。 真空感应熔炼工艺（3）精炼主要任务是进一步净化炉料（脱氧、脱气、去除有害杂质），调整成分，调整温度。精炼期应控制精炼温度、真空度及真空保持时间。精炼期主要是高温沸腾与合金化：a.高温沸腾利用碳脱氧，降低氧含量，生成的CO，促使熔池沸腾，去除气体和夹杂物，促使合金成分均匀。b.合金化在脱氧、脱气良好的条件下，填加合金元素，调整成分，加入的同时应加大输入功率，进行搅拌，加速熔化并使成分均匀。（4）浇铸工艺要点：真空浇铸，可适当降低浇铸温度，一般超过合金熔点60-80℃即可；要带电浇铸，保证合金成分均匀；浇铸后保持真空，避免金属氧化。 真空感应熔炼冶金效果3）真空感应熔炼冶金效果（1）提纯精炼真空提纯的主要反应是碳和氧形成CO气泡的反应，应通过气泡沸腾过程去除氮和氢。通过加入活性元素铈、钙和镁，可在一定程度上去除硫、磷。真空和高温，可促使夹杂物分解，蒸气压大的杂质元素挥发去除。（2）精确控制成分（3）提高性能利用真空感应熔炼主要用于航空涡轮盘、叶片的精密铸造、马氏体时效钢及原子反应堆用的不锈钢等。 真空电弧重熔2.真空电弧重熔VAR（VacuumArcRemelting）将待重熔金属制成自耗电极，在真空下，利用直流电弧作热源，将自耗电极逐渐消熔，熔化金属滴入水冷结晶器内，凝固成锭，熔滴通过5000K的电弧区，在高真空下得到精炼。VAR是将提纯净化、改善铸锭结晶结构集中在一道工序解决。VAR用来熔炼钛、锆、钼、钨等活性金属和难熔金属，也用于熔炼优质耐热钢、不锈钢、工具钢和轴承钢。1-电流导线2-水冷电极杆3-真空室4-电极夹头5-过渡电极6-接真空系统7-金属自耗电极8-水冷铜结晶器9-稳弧线圈 真空电弧重熔1)真空电弧重熔的优缺点优点：(1)熔炼过程不受耐火材料、大气和铸模的玷污；(2)可生产大尺寸、大吨位的金属锭；(3)在水冷结晶器中边熔炼，边凝固成锭，可消除常见的缩孔、偏析和中心疏松等缺陷；缺点：(1)必须制造自耗电极，多了一道工序；(2)锭子为柱状晶，且上部晶粒较大，对压力加工不利。2)真空电弧重熔工艺一、工艺参数的选择(1)自耗电极由于真空电弧重熔时金属在液态保留时间短，物理化学反应比较弱，气体的去除、低熔点杂质的挥发、夹杂物的分解和浮出等反应主要依靠物理过程。因此，自耗电极的冶炼，要求确保质量。 真空电弧重熔工艺对合金钢及超级合金电极用铸造或锻造制作，对Ti、W、Mo及其合金采取压制成形。电极直径选择公式：d/D=0.65-0.85式中d-自耗电极直径，D-结晶器直径。(2)真空度、漏气率真空度不宜过低或过高，保持在1.3Pa左右即可。重熔合金钢及合金一般要求漏气率E≤6.7Pa·L/s；对难熔金属及合金要求E≤0.4-0.67Pa·L/s。(3)熔炼电流熔炼电流决定熔化速度、熔池温度，对熔池的形状、体积、深度有着最直接的影响，最终反映到合金精炼效果及结晶组织。 真空电弧重熔工艺表2计算熔炼电流经验公式序号公式单位适应范围备注i或Id或D1i=3800/d-5iA/cm2dmm合金钢，铁或镍基合金d=4-300mm电极稳定融熔化的最小I2I=160DIADmm合金钢D=45-150mmd/D=0.7-0.8或优质锭的最小I3I=(16-20)dIAdmm合金钢，铁基或镍基合金d=10-300mmd/D=0.65-0.85或优质锭的最小I 真空电弧重熔工艺(4)熔炼电压目前一般采用大断面电极，短弧操作，电弧长度一般30mm，大直径锭是50mm，电弧电压U=22-65V。(5)熔化速率v的单位是kg/min，用与自耗电极升降相联动的标尺在单位时间下降距离S（mm/min）来确定，计算公式为： 真空电弧重熔工艺(6)冷却强度结晶器是薄水层，保持紊流态Re>2300，底结晶器进出水温差<3℃，上结晶器进出水温差20℃，出水口温度45-50℃，出水温度超过50℃易产生水垢，影响结晶器的冷却效果。二、真空电弧重熔操作(1)自耗电极焊接自耗电极和过渡电极焊接在真空条件下，用金属屑引弧，与过渡电极保持20-30mm，过渡电极压下通电即开始焊接。正常情况下采用大电流-短弧-短时间-快速焊接。 真空电弧重熔工艺(2)引弧空载电压45-50V，自耗电极与金属屑瞬时接触，由于接触电阻大，有足够热熔断接触点，促成电子热发射和自发射两极之间燃起电弧。正常重熔阶段的电弧电压为24-26V。(3)熔炼-对电弧长度进行精确控制a.电弧过长，熔池呆滞，电压28-30V，弧长40mm。b.电弧过短，熔池颜色明暗不定，电压电流摆动幅度大，弧长在15mm以下。c.弧长正常，熔池清晰活跃，熔液徐徐波动，电压24-26V，弧长25-30mm。保持真空度在1.3Pa左右。 真空电弧重熔工艺(4)封顶采用逐级减少熔炼电流以降低熔化速度，缓慢充填。下面是重熔直径500mm合金钢锭，引弧熔炼及封顶电力曲线图。 电子束熔炼3.电子束熔炼(ElectronBeanMelting)在真空环境下，加热阴极，通过电压降来加速从离子中放射出的电子。用电场和磁场聚集电子束，使其轰击所要熔化的金属。电子与金属碰撞时失去动能，变成熔化炉料的热能。VIM和VAR对材料的某些要求已不能满足，如：1）温度。对难熔金属W、Mo、Ta及其合金，VIM以无能为力。真空电弧自耗电极制备困难。2）纯净度。VIM冶炼，存在坩埚反应的污染。VAR提高金属纯净度效果并不显著。3）铸锭组织。VIM产品缩孔严重。VAR产品存在偏析及夹杂物聚集，影响加工塑性。上述原因促进了电子束熔炼的发展。 电子束熔炼电子束炉的优点：1）无耐火材料坩埚，熔炼金属不会被玷污；2）功率密度高，可熔炼任何难熔金属；3）炉内真空度高，熔炼材料的纯度高；4）对被熔原材料形状限制很小，制备费用低。电子束炉的缺点：1）合金成分控制比VIM困难；2）设备复杂，需采用直流高压电源，操作和维护技术要求高；3）会产生对人体有害的X射线，需采取保护措施。 电子束熔炼原理一、电子束熔炼原理在高真空条件下，阴极由于高压电场的作用被加热从而发射出电子，电子汇集成束，电子束在加速电压的作用下，以极高的速度向阳极运动。穿过阳极后，在聚焦线圈和偏转线圈作用下，准确地轰击到结晶器内的底锭和物料上，使底锭熔化形成熔池，实现熔炼过程。其原理如图所示。 电子束熔炼原理电子束炉的加速电压目前一般使用30kV左右，引起X射线的损失最大不超过0.5%，电子束能量几乎全部把电能转换为动能。电子的运动速度计算式为：电子束熔炼使用高真空度，一般在0.1-0.001Pa。电子束熔炼过程发生以下冶金反应：1）除气-氢的去除很容易，脱氮效果也很好；2）金属杂质的挥发；3）夹杂物的分解与上浮，氮化物可分解去除。二、电子束熔炼设备1）电子束炉的结构主要包括：电子枪、进料系统、铸锭系统、真空系统、电源系统、冷却系统。如图所示。 电子束熔炼设备装料阀门、送料机构、料棒电子束偏转系统、电子枪电子束、熔炼室水冷铜结晶器拖锭机构 电子束熔炼设备分类2）电子束炉的分类（1）电子束熔炼炉-常用炉（2）电子束区域精炼炉-制取高纯金属（3）电子束凝壳炉-钛及钛合金的铸造（4）多用途电子束熔炼炉如：电子束冷床熔炼，右图是生产细晶粒盘坯的示意图。用这种方法可以得到宏观晶粒尺寸小于0.2mm的合金盘坯。 电子束熔炼工艺三、电子束熔炼工艺1）比电能表3200kW电子束熔炼不同金属材料的比电能合金类别结晶器直径/mmQ总比电能/（kW·h/kg)Q1熔化料棒比电能/（kW·h/kg)纯铁Φ2301.5-2.50.35-0.5钢Φ2301.5-50.35-0.5镍基合金Φ2301.3-2.50.35-0.5钨Φ8020-252-3钼Φ808-102-3 电子束熔炼工艺2）熔化速度熔化速度决定精炼时间和凝固条件，根据熔池形状选择适当的熔化速度，再根据比电能，计算电子束功率。3）金属熔池形状电子束熔炼过程包括三个阶段，即电极端部熔滴形成阶段，熔滴滴落阶段，处于金属熔池阶段。各阶段的精炼效果受温度和真空度的影响。熔池中径向和轴向温度梯度的不同，导致金属熔池体积和深度的不同，最终影响结晶组织和夹杂物分布。金属熔池的体积与深度反映了过热程度。 真空冶金新进展4.真空冶金的新进展1)真空电弧双极重熔VADER（VocuumArcDoubleElectrodeRemelting）是真空电弧重熔法的新发展，用于制备细等轴晶材料的方法。工艺过程：在真空或惰性气体保护下，将两支金属自耗电极水平对置，作为直流电的阴极和阳极，通电使两极间产生放电，两自耗电极端头在电弧作用下呈熔化薄膜，汇聚成熔滴，熔滴在重力作用下落入旋转的非水冷结晶器内凝固。熔滴在滴落过程中，离开热源，受到冷却，温度降至液相线和固相线之间，液相中出现许多固态晶核，再加上旋转机械搅拌作用，重熔锭组织是细等轴晶，过程原理如图所示。 VADER过程与VAR过程对比 真空冶金新进展2）真空凝壳炉VSSF（VacuumSolidifyShellFurnace）是在真空电弧炉和真空感应炉的基础上，克服真空电弧重熔炉不能铸造的缺点和真空感应炉耐火材料坩埚对活性金属玷污的弊病，集两者优点于一炉，它利用真空自耗炉的熔炼条件，采用浅底水冷坩埚，控制冷却水量使被熔炼金属在坩埚壁内形成一薄层“凝壳”，使被熔炼金属液和坩埚隔离，避免了坩埚对活性金属液的污染，而且可形成很大的熔池，浇注异形铸件。凝壳炉坩埚多采用水冷铜坩埚，也可用带水冷套圈的石墨坩埚。熔炼真空度一般在5-0.5Pa。VSSF结构示意图如下图所示。 真空凝壳炉结构示意图电极水冷坩埚转动坩埚机构 真空冶金新进展3）冷坩埚熔炼（ColdWallCrucibleMelting）CCM是特种熔炼领域内的一项高新技术。用于活泼金属钛、锆的熔炼，金属间化合物结构材料与功能材料的制备。冷坩埚熔炼见右图。 等离子（Plasma）冶金一、等离子熔炼及其特点等离子体是一种强有力的高温热源，利用等离子体作为热源，可熔炼或重熔金属材料。1.等离子体的产生给气体原子和分子施以足够能量，电子可脱离原子核形成自由电子，而原子则成为正离子，电离达到一定程度，呈现明显的电磁特性，成为区别于物质固体、液体、气体的第四态-等离子体。等离子体-就是由自由电子、正离子以及未经电离的气体原子和分子组成的混合体。等离子体在电的性质方面呈“中性”，但在外电场的作用下却具有良好的导电性、导热性，同时又是一个高温热源。为获得等离子体，需给气体一定的能量，一般用“电离电位”表达此能量。 等离子体的产生表1常用的几种气体的电离电位气体种类HeArN2H2电离电位(V)24.5915.7615.6015.40电离电位越大，所需的能量也越高，供给气体能量的方式如下：1）以一定波长的光照射气体原子（或分子）；2）用加速到一定速度的粒子撞击原子（或分子）；3）将气体加热到一定温度，进行热电离；多数气体在温度超过8000K时，会发生这种热电离。一般用电离度表示气体电离的程度。 等离子体的产生及分类电离后，气体中的正、负电荷相等→等离子体，随供给能量的增加，气体可进行多次电离。表2.N2、Ar多次电离时的电离电位电离次数ⅠⅡⅢN214.529.447.4Ar15.7627.540.92.等离子体的分类按温度分高温等离子体低温等离子体按工作压力分高压等离子体低压等离子体目前工业上应用低温、低压等离子体，产生方法有电弧法和高频感应法。高温和低温等离子体的特性见下表。 等离子体的分类及等离子枪表3.高温与低温等离子体的特性类型电离度dT×100²(K)导电性高温≈1>10很高低温<10.5-3较高电弧<<10.5-0.6一般3.等离子枪电弧等离子枪高频等离子枪非转移型等离子枪转移型等离子枪中空阴极型等离子枪对等离子枪要求：能得到10000K以上的超高温；有稳定的方向性；易激发等离子反应；功率调整方便；能量转换损失少；结构简单、安全、寿命高。 等离子枪的类型水冷喷嘴Th-W阴极中空阴极+++---被加热材料被加热材料阳极是水冷铜喷嘴，起弧后，电源正极由喷嘴转移到被熔化的材料上-转移型等离子枪。工业上多用转移型或中空阴极型电弧等离子枪。 等离子弧的特点4.等离子弧的特点等离子弧又可称为“压缩电弧”，它是一种导电截面强烈收缩，而能量高度集中的电弧。等离子作为冶金热源具有以下主要特点：1）高温（5000-30000K）；2）能量高度集中；3）离子化状态；4）离子流速度快（100-500m/s）。5.等离子熔炼的优点1）温度高-高的热效率，炉料熔化快。生产率比相同容量的电弧炉高30-40%，而电耗是它的75%左右。2）由于高温和喷射作用，气体和夹杂物可得到充分去除。同时炉内在Ar气氛下工作，熔炼后金属的纯净度很高，可与真空感应炉熔炼的金属比美。3）合金元素烧损小。超高温+惰性保护→熔炼难熔和活泼金属及其合金。 等离子弧的特点4）工作时电气参数稳定。5）可按工艺要求，炉内选用不同的气体介质（还原性、惰性等），以及不同的工作压力。6）可造渣精炼。7）没有增碳的可能性。8）等离子熔炼可使金属进行等离子渗氮，[N]=0.6-1.0%。二、等离子弧的产生及其温度特性1.等离子弧的产生等离子弧-一种气体电离度很高的电弧(压缩的电弧)，是由等离子枪产生的。将等离子枪的电极和水冷铜喷嘴，分别联接与电源的两极。工作时，阳极和阴极之间触发电弧阴极受正离子的撞击被加热到很高的温度不断发射出电子在电场作用下，快速射向阳极，在飞往阳极途中撞击其它气体原子，使之“电离”等离子体。 等离子弧的温度特性与自由电弧不同，混有等离子的气体，从喷嘴喷出等离子焰流。等离子体离开喷嘴后，正离子和电子复合为原子或分子放出从电弧中吸收的能量比自由电弧温度更高的非转移型等离子弧。常用于金属的焊接和喷涂。当用等离子弧对金属加热、熔化时，被加热金属接到电源的一极上，此时电弧穿过喷嘴在金属与电极间燃烧转移型等离子弧。2.等离子弧的温度特性1）热收缩效应从喷嘴射出时，受外层气流、水冷喷嘴壁的冷却，使外围气体温度降低，消电离的速度明显大于电离速度弧柱导电截面积缩小，要通过原来大小的电流使电流密度增大电弧温度增高。2）磁收缩效应将电弧柱看成一束平行的导线，有同一方向的电流流过，它们之间会力图相互靠近使电流密度提高而增强。 等离子弧的温度特性3）机械压缩作用流过喷嘴口的工作气体，同样使电弧受到压缩。三、等离子枪的电极材料和等离子工作气体1.电极材料喷嘴-紫铜电极-钍钨、铈钨、石墨电极Th-W电极：发射电子能力强，可使用较大工作电流，与直径有关。D（mm）34567I（A）141251393565770Ce-W电极：放射污染小，对人体健康危害较小。石墨电极：烧损大，单耗高。2.等离子工作气体 等离子工作气体目前，等离子使用的工作气体很多，如Ar、He、H2、N2以及Ar+N2、Ar+H2等，其中以Ar最普遍，原因是Ar是单原子，易电离，又是惰性气体。Ar-热函最低，电弧电压最低，惰性气体成本最低；H2-热函、导热系数最高，传热能力大，使用中受限制；N2-热函也较高，成本低，不活泼；He-热函、导热系数也较高，成本高。四、等离子理论研究1.等离子特性的理论研究方法1)等离子物理-以物质的动力学理论为基础，用分布函数描述等离子体系统中电磁现象、热现象以及流体流动现象。2）磁流体力学-利用麦克斯韦方程、欧姆定律、紊流的斯托克斯方程及热能平衡方程，进行数值模拟。3）经验渐近线关系 等离子理论研究2.等离子电弧的一些特性1）最大等离子体速度①Maecker方程：②Schoeck和Ecker更精确的方程： 3）等离子电弧的一些特性2）最大等离子体温度假定来自阴极的全部热损失主要是由辐射、自由电子发射等，冷却的影响忽略不计，所给予阴极的能量用于产生总电流I和阴极电压降U，有以下近似方程：A-阴极面积3）电弧反压力和等离子喷射流冲击区电弧总反压力：对于固体阳极轴对称的非粘滞性等离子射流的速度分量近似为： 等离子电弧的一些特性对液体阳极，可将液体熔池中的穿透深度与射流动量联系起来：穿透深度液体表面附近的射流速度 等离子熔炼的类型五、等离子熔炼的类型等离子冶金大体上分为五大类：1）等离子电弧炉PAF；2）等离子感应炉PIF；3）等离子电弧重熔PAR；4）等离子电子束重熔PEB；5）等离子钢包精炼。1.等离子电弧炉PAF外形与普通电弧炉相似，以等离子弧作热源，等离子弧由枪的阴极向埋在炉底的阳极转移，用感应线圈搅拌金属熔池。 等离子熔炼的类型由于离子弧温度高，热量集中，会引起局部金属过热，所以在炉底耐火材料的外层，装有两个水冷铜管线圈，搅拌熔池。隔离开关高压控制柜变压器饱和电抗器整流柜电阻直流接触器高频引弧装置电磁搅拌线圈电器联接图 等离子熔炼的类型等离子电弧炉具有以下优越性：1）合金收得率高。如Al50-79%，Ti60-80%；2）铁的损耗低于普通电弧炉，小于2%；3）比普通电弧炉噪音低，在80dB以下；4）电极、耐火材料、氧气和氩气等消耗降低，成本降低；5）可避免间隙性能量传递，闪烁现象减少；6）等离子电弧炉熔炼钢的纯净度高于普通电弧炉。尽管等离子电弧炉有上述技术经济的优越性，但由于设备较复杂，等离子枪的寿命短，电耗和普通电弧炉相等，使用范围有一定的局限性，在工业上有经济价值的应用如下：1）镍基合金、不锈钢、超级合金等切屑的回收熔炼；2）熔炼超低碳钢；3）利用等离子体中的氮离子渗入钢液，熔炼含氮钢。 等离子熔炼的类型2.等离子感应炉PIFPIF是利用稳定的等离子弧的超高温和惰性气氛与感应加热及电磁搅拌作用相结合的新型熔炼炉。炉体部分可采用工频炉、中频炉等，与普通感应炉不同之处，坩埚底部装有炉底阳极。此外，PIF加有炉盖，可以造渣脱硫。合金收得率达95%以上。热源由等离子弧和感应加热组成，而以感应加热为主。 等离子熔炼的类型3.等离子电弧重熔PAR一般PAR做成直筒形，炉盖、炉底和炉壳通水冷却。结晶器安在炉膛中间。重熔前，先将炉内抽成真空Ar气为工作气体时，一边进气，一边抽气，并使炉内保持一定压力。PAR采用水冷结晶器，使熔炼和结晶同时进行。重熔和浇注过程不受耐火材料污染，且等离子温度高，可使钢中夹杂物分解，有害元素S、P、Pb、Sb等挥发。1-重熔金属棒2-等离子枪3-水冷铜结晶器4-铸锭5-熔炼室6-拉锭装置 等离子熔炼的类型4.等离子电子束PEB炉等离子电子束是用钽制的中空阴极，在低真空下，用Ar等离子弧加热钽极，而由钽极发射电子束进行熔炼，原理如图。从阴极发射出的热电子,在电场的作用下高速飞向阳极(金属炉料),使其加热熔化。PEB炉适用于生产活性金属Ti、Zr、Nb、Ta、W等及其合金。 等离子熔炼的类型5.等离子钢包精炼等离子钢包精炼，是炉外精炼和等离子冶金两项新工艺的有机结合。利用等离子高温、气体稀释、熔池渣洗及电磁搅拌综合精炼作用，能在非真空条件下获得真空条件下精炼材料的水平。具有以下技术优势:1)可按需要控制钢包内气氛及等离子工作气体；2)解决了钢包精炼辅助热源；3)工艺灵活，具备SKF功能；4)钢包寿命高，产品适应性广。 等离子技术的新发展1.等离子熔融还原 等离子技术的新发展2.活性金属等离子熔炼1)铬的熔炼铬是难以采用真空熔炼的金属，采用等离子熔炼铬，可以脱氧和脱硫。使用的炉子是等离子渣壳熔铸炉PSC，如图所示。2)钛的熔炼钛是活性金属，通常用真空熔炼法制取钛锭。熔炼工艺有：PAR、PAR+VAR、VAR+VAR。3)锆的熔炼-与钛大致相同4)新型特种合金的熔炼包括：Ti系、Zr系储氢合金，NiTi形状记忆合金，Nb-Ti系超导合金等。 等离子技术的新发展3.等离子弧制取超细粉末利用等离子气体作为富有反应活性的气体来处理金属使之超细化。原理：在含氢的惰性气体中用电弧将金属熔化，熔化后的金属和原子氢和分子氢同时接触。等离子弧气相中的原子氢比分子氢更容易溶解，即有大量溶入形成过饱和状态，过饱和溶解氢呈分子状态，释放到非弧相气氛中，由于强烈的蒸发作用，得到金属超细粉末。4.连铸中间包加热钢水技术加热原理：气体通过电弧时吸收能量，同时由分子或原子变成导电离子流。离子流复原时，即放出能量，形成高温流体，等离子炉下端温度可达8000℃，用以对中间包钢水加热。按使用的电流及电极位置的不同，可分为直流型、交流型、转移型和非转移型等离子加热。采用等离子加热后，中间包钢液可控制在5℃以内，使出钢温度降低10-20℃。 等离子技术的新发展中间包等离子加热的特点如下：1)气氛可调，不污染钢液，可防止二次氧化；2)加热过程简单，温度控制准确，升温速度快；3)促进夹杂物上浮，有助于改善铸坯质量；4)热效率较低，等离子枪寿命短，温度分布不均，噪音大。 电渣冶金金属材料发展的战略是：提高金属纯净度，控制凝固组织，以保证质量和性能，发展近终成形实现毛坯精化。重熔精炼成熟的工艺有四种：电渣重熔、真空电弧重熔、电子束重熔和等离子重熔。而唯有电渣熔铸独具提高金属纯净度，控制凝固组织及近终成形达到毛坯精化三重功能。电渣冶金的优越性：1）金属质量优良。纯净度高、组织致密、成分均匀、表面光洁。2）生产灵活。可生产各种形状的钢锭。3）工艺稳定。质量和性能再现性高。4）经济合理。设备简单，操作方便，成本低，成材率高。5）过程可控性好。我国在电渣冶金技术方面处于领先地位，表现在以下几方面：1）电渣炉炉型 我国电渣冶金技术的先进性1960年重庆特钢建立的双电极送进机构交替工作，连续抽锭电渣炉。该设备采用液渣启动、液位检测、抽锭速度控制、二次冷却等均属创新。各国纷纷仿制。2）电渣熔铸1967年我国就开始开发电渣熔铸，先后研制成轧辊、模块、曲轴、火炮、飞机起落架及航空发动机涡轮盘，特别是涡喷八发动机涡轮盘的定型生产，是世界航空史上的创举。3）电渣重熔机理我国的研究证明，电渣重熔去除非金属夹杂物主要发生在电极端头，反应是炉渣对夹杂物的吸附和溶解。4）降低电耗我国研究出电阻率高的氟渣配合大填充比重熔，利用渣凝固过程的选择结晶形成绝缘渣皮，大幅度降低电耗。 我国电渣冶金技术的先进性5）控制模型研究我国首先将热传递模型与凝固模型关联，重熔出优质大断面高速钢，碳化物不均匀度达世界先进水平。1.品种及产品规格的发展一、钢及合金品种的扩大电渣重熔产品金属纯净、组织致密、成分均匀、表面光洁。是生产优质特殊钢及超级合金材料以及异形铸件一种行之有效的手段。1）转子用钢要求具有较高的高温强度及韧性，在高速运转下不损坏。为达到以上要求，转子材料质量应均匀，严格控制偏析，不允许有低倍缺陷存在。2）轧辊材料电渣重熔钢枝晶间距小，显微结构均匀，能保证辊面硬度均匀，有利于提高轧制产品表面光洁度。用作热轧辊具有较高的抗热冲击强度，使用寿命较高。 钢及合金品种的扩大3）高速工具钢电渣熔铸锭的针状碳化物细小，分布均匀。4）模具钢电渣重熔模具钢有热作模具钢H型和冷作模具钢D型。电渣重熔模具钢具有以下效果：（1）横向冲击值高；（2）延伸率增加；（3）疲劳极限增大；（4）无夹渣、气孔及宏观偏析等低倍缺陷；（5）几乎看不到纤维状组织。5）轴承钢电渣重熔轴承钢疲劳强度要高于真空电弧重熔钢，其数据比较见表1： 钢及合金品种的扩大表1各种方法熔炼Shkn钢疲劳比较熔炼方法非金属夹杂物/%气体含量/%疲劳强度/MPa氧化物硫化物氮化物[O][N]电炉熔炼0.01570.01610.00840.00380.0131730真空电弧重熔0.0050.00380.00270.00260.0089780电渣重熔0.0050.00210.00350.00280.00988506）火炮身管及装甲板用钢在同样防护能力下，电渣重熔钢装甲重量可减轻30-40%；在同样重量下，电渣重熔钢装甲防护能力可提高30-40%。7）飞机起落架用钢国外用35NCD16（含C0.35%,Ni4.0%,Cr1.75%,Mo0.4%）空气淬硬钢生产飞机起落架，制造强度大于190MPa，过去采用真空电弧重熔，现在采用电渣重熔，性能进一步提高。 钢及合金品种的扩大国内利用电渣熔铸30CrMnSiNiA钢起落架，铸件的断裂韧性及使用寿命均超过同钢种锻件。8）超级合金现代航空使用的高温合金包括铁基、镍基和钴基合金。电渣重熔能大大改善难变形高温合金的热塑性。如HastelloyX合金（C0.1%,Cr22%,Mo9%,Ni48%,Fe18%,Mn0.5%,W0.6%）的热塑性如图所示。最大变形达90% 钢及合金品种的扩大9）有色金属及其合金采用电渣重熔生产铝合金（Al-Mg，Al-Mo，Al-Fe，Al-Cu）。由于铝密度小，熔点低，选择冰晶石或氯化物作渣料，用自耗电极或石墨电极。采用此法，合金中非金属夹杂及氢气可大量去除。电渣重熔铜及铜合金（Cu-Fe，Cu-Mo，Cu-Mn，Cu-Be），采用氟化物盐类及氯化钡作渣料加碳或碳化钙脱氧。产品枝晶结构细密，偏析小，加工性能好，易于拔丝或轧制薄板。电渣重熔钛合金（6Al-4V-Ti，OTi4），强度及抗腐蚀性能和两次真空电弧重熔相似，但铸锭表面成形良好，生产安全。二、电渣冶金生产巨型铸件工业设备大型化，如21000马力柴油机曲轴需150t钢锭，1200MW汽轮机和发电机转子均需300t巨型钢锭。电渣冶金生产大钢锭的方法有：电渣重熔法、自耗模电渣重熔法、电渣焊法、电渣分段浇铸法及电渣热封顶法。 电渣冶金生产巨型铸件1）电渣重熔法电渣重熔法生产大钢锭的金属纯净、致密、成分及组织结构均匀，铸锭表面光洁，无气孔、夹渣、缩孔、偏析、裂纹等低倍缺陷。大型电渣炉需要使用巨大电流，如何克服短网感抗损失是技术关键。不同国家采用的方案如下：（1）单相单极电渣炉（2）三相七极电渣炉（3）四极低频电渣炉结构示意图如右图所示。 电渣冶金生产巨型铸件2）自耗模电渣重熔法又名MHKW法，一般铸锭超过100t，难于保证质量，锭心非金属夹杂物集中，偏析、带状组织、缩孔和气孔在所难免。MHKW法用电弧炉冶炼钢液，经真空脱气，浇铸成大锭。将铸锭加热到锻造温度，热冲空去除中心偏析、疏松区。铸锭降至400℃，在电渣炉上电渣重熔。生产过程如图所示。 电渣冶金生产巨型铸件3）电渣焊法生产大钢锭采用电渣焊将较小的电渣钢锭焊接成大锭。采用大截面板极双极双联电渣焊，对可焊性差的钢，铸锭应预热到350-400℃再焊接，以免产生裂纹。 电渣冶金生产巨型铸件4）分批电渣浇铸法生产大锭这是一种利用小的熔炼设备获得大钢锭的方法。用非自耗电极，双极串联供电，在水冷模中通电化渣，待渣化清后将真空循环脱气的钢液注入锭模中，进行导电渣洗，使钢液纯净化。第一批钢注入后进行电渣加热，使镜面保持液态，金属逐渐从下向上凝固，待第二批钢液熔炼好再注入，最后进行热封顶。原理如图所示。 电渣冶金生产巨型铸件5）电渣热封顶法生产大锭又名ESHT法，用普通方法浇铸大锭，在铸锭上部用自耗电极通电化渣，进行保温及补缩，通过控制输入功率可以控制凝固。其原理如图所示。热封顶模自耗电极渣输入电源 品种及产品规格的发展三、电渣重熔厚伴板坯用于生产船舶、化工容器、动力锅炉和冶金高炉大型化所需要的宽型厚板，板坯锭重40-50t。电渣重熔板坯有如下优越性：1）组织致密，成分均匀，具有良好的加工塑性，成材率高；2）省去开坯工序，减少锻压比，节省工时；3）电渣重熔锭轧成钢板，性能优良，横向塑性、韧性大大提高；4）电渣重熔钢板可焊性良好；5）电渣重熔钢板具有良好的低温抗冷脆性。右图为水平摆动式电渣炉。 品种及产品规格的发展四、电渣重熔复合钢锭以电站传动联接件为例，盘件部分高温工作用奥氏体不锈钢AISI316，而联接部分工作需用塑性、韧性良好的铁素体钢BS1503-622。采用电渣重熔复合锭的方法，先重熔铁素体钢，再重熔奥氏体不锈钢。两个电极用焊接联成一体，生产复合铸锭。复合锭断面成分变化如图所示。BS1503-622钢区过渡区316钢区 提高技术经济指标2.提高技术经济指标1）提高熔化率，降低电耗电耗高，生产率低是世界各国电渣重熔普遍存在的问题。根据计算，1t电工纯铁熔化和过热仅需电能420kW·h，而实际电耗在1300-1900kW·h。直接影响比电耗的是电渣重熔电效率及渣池散热率，即：因此，提高电效率和热效率是降低电耗的有效途径。这里： 提高技术经济指标采用三相电渣炉，双极串联，同轴电渣炉及平行布线都能通过磁场相互抵消而降低X，低频电渣炉通过变频降低感抗X，从而提高功率因数cos。而炉口接触式导电，缩短网路及减少接头接触电阻都能减少，从而提高电效率。实验表明，熔化率v随填充比K增大而提高，比电耗W随填充比K增大而下降，见表2。 提高技术经济指标表2填充比K对重熔熔化率v及比电耗W的影响电极直径/mm152190230254填充比K0.2570.4010.5880.716熔化率v/kg/h94116181227比电耗W/kW·h/t2540207013231053钢锭直径300mm，渣量32kg，输入功率240kW在渣池输入功率恒定条件下，增大填充比K，可以大大增加电极端头吸热量，减少渣池表面热辐射损失，从而改变渣池热分配。相对而言，结晶器冷却水带走热量减少，必然使熔速增加，热效率提高，比电耗W减少。不同电极直径重熔热分配如下图所示。 提高技术经济指标结晶器直径300mm，电极直径150mm结晶器直径300mm，电极直径254mm由于大填充比，增大电极吸热，减少热辐射和冷却水带走热量，所以在输入功率减少的条件下，熔速基本不变，而比电耗W则大大减少。 提高技术经济指标2）提高金属利用率和产品合格率用普通熔炼方法铸成钢锭，锻造成轧辊，金属材料利用率49%；用锻造电极经电渣重熔，再锻成轧辊，金属材料利用率57%；用铸造电极，经电渣重熔，再锻成轧辊，金属材料利用率57.8%；采用铸造电极，电渣熔铸成异形铸件，金属材料利用率66%。可见采用铸造电极电渣重熔或电渣熔铸金属材料利用率可进一步提高。提高产品合格率，往往可以抵偿电渣重熔费用，提高产品使用寿命可带来更大的经济效益。3）降低电渣重熔成本英国统计成本组成如下：设备折旧费9.16%劳动工资15%电耗费用41.6%维修及服务10.8%渣料及水费16.6%允许停工及事故6.6%可见，进一步降低成本的途径是： 提高技术经济指标（1）降低电耗，减少生产成本。（2）采用铸造电极代替锻造电极，电渣重熔成本降低约20%。（3）提高金属成材率，降低废品率。（4）改进操作。采用双工作位，减少辅助工时，提高自动化水平，减少劳动定员。（5）减少电渣钢加工工序。3.提高电渣钢质量1）电渣重熔二次冷却随着电渣重熔铸锭尺寸的增大，水冷结晶器制冷效果削弱，铸锭易出现凝固缺陷。对抽锭式电渣炉附加二次冷却，能强化制冷效果，消除各种偏析。切割 提高电渣钢质量2）电磁搅拌与超声振荡电磁搅拌可细化柱状晶，并使金属熔池温度均匀，获得定向结晶，甚至获得细小等轴晶为主的组织。使用超声波振动铸锭，在结晶器前沿生成枝晶被破碎，造成晶粒增殖，以及液态金属在超声波作用下发生搅拌，影响液相和固相界面形状，也可以细化铸锭组织。 提高电渣钢质量3）气-粉吹炼及变形处理在电渣重熔过程中，为提高金属精炼效果，可通过渣池用氩气作运载气体，混合以脱硫、脱氧剂，降低钢中硫、氢含量，并改善宏观组织。变性处理包括微合金化和加孕育剂。如在镍基和铁基高温合金中加入微量Mg、Zr、Ca、B、Ce，可提高合金高温持久寿命及塑性，消除某些合金持久缺口敏感性，提高蠕变性能，改善加工塑性，提高成材率。下图是高速钢中加孕育剂降低莱氏体网距的效果。 提高电渣钢质量4）稀土元素在电渣重熔中的应用在电渣重熔及电渣熔铸过程，可用气体吹炼法向金属熔池吹入稀土合金或向渣池加稀土氧化物，再加脱氧剂还原稀土，这两种方法加入稀土元素到钢中，能显著提高钢的质量。表3稀土元素对16MnNiMo冲击韧性的影响生产工艺冲击韧性/MPa+20℃-40℃平炉钢4.61.7电渣重熔（Al脱氧）12.44.6电渣重熔（Ce脱氧）12.67.55）熔炼室内电渣重熔电渣重熔活性金属及含活性金属的合金，是在封闭熔炼室中充氩气进行保护下进行的。 提高电渣钢质量在熔炼室内充入高压氩气或氮气，统称高压电渣炉。下面是高压电渣炉的示意图。密封装置 电渣冶金未来展望1.电渣重熔在中型及大型锻件生产中，将处于垄断地位。2.在优质工具钢、模具钢、马氏体时效钢、双相钢管坯及冷轧辊方面，电渣钢占绝对优势。3.枪炮弹簧及仪表弹簧钢，将选用电渣重熔；航空轴承及仪表轴承用钢，仍采用电渣重熔生产。4.在超级合金生产方面，电渣重熔与真空电弧重熔处于竞争局面。5.在有色金属生产方面，电渣重熔处于方兴未艾大发展阶段。6.电渣熔铸管件、环件、异形铸件上有独到之处，占独特地位。