【正文】 不同熔煉方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、工藝過程及冶金質(zhì)量對比 不同熔煉方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 及工藝過程 對比 熔煉方法 比較內(nèi)容 真空感應(yīng)熔煉 VIM 電渣重熔 ESR 真空電弧重熔 VAR 真空電子束重熔 EBR 電子束熔煉 EBM 等離子電弧重熔 PAR 能源 (熱源 ) 感應(yīng)加熱 熔 渣 電 阻熱 自由電弧 電子束 電子束 等離子?。w） 電源 交流 交流 (直流 ) 直流 直流 直流 直流 (交流 ) 設(shè)備 真空設(shè)備及中 、工頻發(fā)電機(jī) 變壓器 / 整流設(shè)備 真空設(shè)備 及 整流設(shè)備 真空設(shè)備、整流 設(shè)備及電子槍 真空設(shè)備、整流 設(shè)備及電子槍 整流設(shè)備 及等離子槍 單位電耗 /KW 其中 硬度檢測更重要的作用 是用來檢測材料的成分、組織結(jié)構(gòu)是否正常。 自耗電極由電弧爐生產(chǎn)，氮是以 Si3N4 的形式加入鋼中的 。 氮是一種奧氏體穩(wěn)定元素，它能夠顯著地增加奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度及抗張強(qiáng)度并改善其疲勞性能。 ⑴爐渣脫硫， ⑵氣化脫硫的反應(yīng)， ⑶金屬中硫的去除。 ⑷ 液渣保護(hù)，渣殼中成型。同時電渣重熔過程中，金屬熔池中的對流作用很小，為 5～10cm/s，因此，在金屬熔池中質(zhì)點聚合的夾雜物之間的碰撞頻率和夾雜物進(jìn)入金屬 渣池界面的幾率也就很小，故此階段在電渣重熔精煉過程中不占重要地位。這是因為該階段電極端部熔化的液態(tài)金屬與熔渣有效接觸面積非常大（可達(dá) 300m2/t 鋼 )，比電弧爐的鋼渣接觸面積大 300～ 400 倍 ，并且金屬液膜很薄，傳質(zhì)路程很短，所以對 鋼渣的精煉反應(yīng)非常有利。 過去受 蘇聯(lián) 的影響電渣冶金工作者普遍認(rèn)為，電渣冶金去除非金屬夾雜物主要靠夾雜物從金屬熔池中向上浮升，之后被融渣吸附。這一階段具有良好的去除夾雜的條件。 有何 功能 ？ 熔渣在 ESR 過程中有三個作用： ①作為 重熔熱源（發(fā)熱體） 。 ⑶去氣效果較差； ⑷ 重熔 含 Al、 Ti 元素高的鋼種， 化學(xué) 成分不易準(zhǔn)確控制和調(diào)整 ； ⑸目前通用的渣料含 CaF2 較多，在重熔過程中，污染環(huán)境，必須設(shè)除塵和去氟裝置 及 推廣低氟渣與無氟渣。 ⑶ 工藝的穩(wěn)定性。 ？ 有四種： 電渣重熔 （ ESR） 、真空電弧重熔 （ VAR） 、電子束重熔 （ EBR） 和 等離子重熔 （ PAR） 。 ⑷等離子電子束重熔。 ⑴ 非轉(zhuǎn)移弧式等離子槍 ：工作氣體在陰極和陽極間直接形成電弧等離子流。 等離子槍的類型較多，但工業(yè)上用于熔煉的等離子爐多采用 轉(zhuǎn)移型和中空陰極型電弧等離子槍 。 等離子工作氣體 有哪些？有何特點？ 等離子槍可用 惰性氣體（ Ar）、還原性氣體（ H2）等為介質(zhì) ，以達(dá)到不同的冶金目的。 1） 按其使用的電子槍的類型 分 ， 可分為 軸向槍、橫向槍、環(huán)形槍 等。 ⑸電子束爐不僅能熔化料棒，還可設(shè)計成能熔化塊狀、屑狀或粉末狀的金屬料。 它比真空感應(yīng)爐、真空電弧爐的真空度要高得多。 VAR 產(chǎn)品存在偏析及夾雜物聚集，影響加工 塑性。 ？ VIM 和 VAR 對材料的某些要求已不能滿足，如： ⑴溫度。 這種爐子的爐體與錠模安 置 在同一個真空室內(nèi) （如下 圖 ） 。 真空電弧凝殼熔煉 ： 真空自耗電弧重熔的特點之一是自耗電極的熔化與重熔錠的凝固同時進(jìn)行。熔煉真空度一般在 。通過真空電弧雙極重熔制備的鑄錠為 細(xì) 等軸晶組織。亦用于熔煉優(yōu)質(zhì)不銹耐熱鋼、軸承鋼及工模具鋼。 ？ 在精煉期內(nèi)， 溫度、真空度、精煉時 間、鋼液攪拌強(qiáng)度等 是取得良好精煉效果的重要工藝參數(shù)。 其主要特點有： ① 它能夠 在無坩堝材料污染環(huán)境下對材料進(jìn)行熔煉和處理， 因為在熔煉過程中熔體和坩堝壁處于 軟接觸或非接觸狀態(tài)， 坩堝壁溫度處于 冷態(tài) ，熔體和坩堝壁間不會發(fā)生任何形式的相互作用； ② 該技術(shù)采用 感應(yīng)加熱方式， 熔體在加熱過 程被 攪拌 ，可獲得 均勻的過熱度和化學(xué)成分 ； ③ 由于銅坩堝一直處于冷態(tài)并且不與熔體接觸，因此坩堝 可以和高熔點或活潑性元素熔體共存 ； ④ 該技術(shù) 可用于真空或任何氣氛下 ，因此冷坩堝技術(shù)特別適用于 熔煉活潑金屬、高純金屬、難熔合金和放射性材料等。 ① 它是一種采用 水冷分瓣銅坩堝 對物料進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉的方法。 ③應(yīng)用： 懸浮熔煉主要應(yīng)用于實驗室的小型純金屬熔煉研究及冶金平衡研究。 圖 8 緊湊型真空感應(yīng)爐 （分隔式真空感應(yīng)熔煉 /真空感應(yīng)脫氣澆鑄 /VIDP ） 1— 合金加料室； 2— 熔煉室； 3— 流槽； 4— 中間包室； 5— 模室 優(yōu)點： ①減少一次性投資 。 ③真空感應(yīng)爐模室的容積 是根據(jù)爐子的容量、用戶要求的錠子數(shù)量、真徑和長度所決定的， 很難縮小。 ① 不論是傳統(tǒng)的或帶流槽的真空感應(yīng)爐， 熔 煉室都比較大。 3） 帶流槽（中間包）的真空感應(yīng)爐 近 10 多年來， 隨著爐容量的擴(kuò)大以及對合金材料的要求越來越高，真空感應(yīng)爐又發(fā)展增加了一 個 流槽室 ， 流槽室與熔煉室之間由 隔離閥 相連接 （ 圖 6） （爐子設(shè)計上又增加了一套 中間包流槽裝置 。這樣的設(shè)計減少了爐蓋上的操作機(jī)構(gòu)和真空管道、閥門等，既簡化了設(shè)備，又簡化了操作。最大 VIM 爐容量為 60t，熔煉電源采用低頻 (～ 4Hz)、高功率便于快速熔煉，攪拌采用工頻強(qiáng)化攪拌。 爐型結(jié)構(gòu)有哪幾種 演變類型？有何不同功能和特點？ （需總結(jié)） 1） 真空感應(yīng)脫氣爐 VID（ Vacuum Induction Degassing） /鐘罩式真空脫氣爐 ⑴ 對于有些材料，如特鋼，耐熱鋼，耐蝕鋼，僅需要在真空下保溫、脫氣 (也可精煉 )，而不必在真空下澆注而設(shè)計 的 ，如圖 4 所示 。 由 于高頻電源的功率較小，高頻感應(yīng)爐的效率較低，所以其容量一般不超過 100kg， 主要用于試驗室中研究性的熔煉。為此，提出了大容 量 爐座熱裝的工藝。 圖 3 半連續(xù)式真空感應(yīng)爐 1— 爐殼； 2— 坩堝； 3— 抽氣口； 4— 裝料倉； 5— 裝料斜槽； 6— 鋼錠模； 7— 取樣裝置； 8— 熱電偶； 9— 錠模閘門 ② 特點： a)生產(chǎn)率較間歇式爐子高。 其 特點如下： ①在熔煉室內(nèi)澆鑄，結(jié)構(gòu)緊湊 。 立式爐殼 結(jié)構(gòu)雖占地面積小，但由于其結(jié)構(gòu)上的不便，只適用于間歇式生產(chǎn)的小型爐座。 臥式爐子都是采用 坩堝轉(zhuǎn)動澆注式 。 2） 存在的問題； ⑴ 真空感應(yīng)熔煉 過程中有耐火材料與熔體反應(yīng)和侵蝕問題 （ 所熔煉金屬長時間地與 坩堝 耐火材料接觸 發(fā)生某些化學(xué)反應(yīng) ，必然 存在耐火材料玷污金屬的問題 ，使合金在一定程度上受到污染 ） 。 b)在熔煉過程中爐溫、真空度和熔煉時間等的控制比較容易，所以爐料的脫氣可以很充分。 具體分析： ⑴ 真空下熔煉能嚴(yán)格控制合金中活潑元素 ，如鋁、鈦等的含量， 因而能保證合金的性能、質(zhì)量及其穩(wěn)定性，可以將合金成分控制在很窄的范圍內(nèi)。為此， 只有將熔煉置于與大氣隔絕的環(huán)境中進(jìn)行 。 ⑶ 物化穩(wěn)定性好 。 ? 三種 :中頻發(fā)電機(jī)組、可控硅變頻器、三倍頻變壓器。⑹ 無污染、 成本低。一方面則主要用來生產(chǎn)精密鑄件，真空感應(yīng)爐是用來生產(chǎn)鑄造高溫合金 (制備母合金及熔鑄精密鑄件 )的主要設(shè)備 。 因 可以精確控制合金料的添加量，較適于熔煉含鋁、鈦等活潑元素的耐熱合金和精密合金。航空、航天等重要部件以及一些高溫旋轉(zhuǎn)部件通常均采用真空感應(yīng)爐熔煉電極母材，然后再經(jīng)過電渣重熔或真空電弧重熔。 分類 ？ 什么是半連續(xù)式真空感應(yīng)爐？有何特點？ （需總結(jié)） 1） 根據(jù)用途分 ⑴ 鑄造用真空感應(yīng)爐 ； ⑵ 澆注鋼 錠用真空感應(yīng)爐 ； ⑶ 精 煉 鋼液 用 的真空感應(yīng)爐 ； 2） 按照爐體結(jié)構(gòu)甚本形式 （如圖 1） 分 ⑴ 坩堝轉(zhuǎn)動澆注式 （立式、臥式）： 其 結(jié)構(gòu)型式 澆注質(zhì)量好，操作方便，轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量小，適用于容量較大的爐座，是通用的型式。 爐殼分可動爐殼與固定爐殼兩部分 ， 整個冶煉過程均在爐殼內(nèi)操作，是爐子的重要組成部分。我國生產(chǎn)的 ZG 系列有 、 、 容量。 澆鑄后須整個爐子破真空才能吊出錠模，然后在非真空下重新加料 冶煉，每煉一爐為一周期，故稱周期式爐。相對周期式真空爐而言 ， 不必對加熱室反復(fù)抽真空，可使加熱室始終處于真空中 ，另外不必等爐冷后，再將模子取出， 提高效率 。 7） 按電源 的工作頻率 可將感應(yīng)爐分為 工頻、中頻、高頻 三類。 ） 。 ⑷ VID 代表了一種靈活機(jī)動的小容量爐子的二次冶金的概念。 較先進(jìn)的設(shè)計還帶有稱重的電子秤傳感裝置，安裝在坩堝裝置的底部，在出鋼時隨時了解感應(yīng)圈內(nèi)所存留的鋼水的重量。 ① 熔煉室很大 。 圖 6 帶 （ 中間包 ） 流槽的真空感應(yīng)爐 1— 合金加料室； 2— 主加料室； 3— 熔煉室； 4— 流槽； 5— 澆注閥； 6— 隔離 閥； 7— 中間包室 （流槽室） ； 8— 模室 流槽 ； 具體操作： 出鋼前，打開流槽室蓋，將預(yù)熱過的流槽吊裝入流槽室，然后將流槽室抽真空到設(shè)定的真空度，打開隔離閥，由液壓缸將流槽推入熔煉室。 ② 即使容積如此之大， 其檢修位置 也 很苛刻。 經(jīng)常造成澆注閥 “死 機(jī) ”，使半連續(xù)煉鋼無法進(jìn)行下去。 即使在冶煉過程中，電纜、液壓缸發(fā)生故障，在熔煉室外就可進(jìn)行維修。 坩堝材料采用純銅以減少阻抗，冷 坩堝熔煉用于 活潑金屬 Ti、 Zr、 Cr和 難熔金屬 W、 Mo、 Co 合金的制備。 坩堝容量 5～ 30kg， 冷坩堝熔煉通常采用 中頻感應(yīng)電源 (1000～ 8000Hz)， 冷坩堝處 于冷態(tài) 。 反應(yīng)的最終結(jié)果， 降低了鋼液的純結(jié)度，縮短了坩堝的使用壽命。 是什么？ “兩高、一長、一短” 即 ①高真空度；②高溫精煉；③熔化期長；④精煉期短。 ⑵真空電弧雙極重熔爐 —— VADER 真空電弧雙電極重熔 (VADERVacuum Arc Double Electrode Remelting)是 在真空電弧重熔 爐基礎(chǔ)上 的新發(fā)展，它是 80 年代用于工業(yè)的新技術(shù)。 VADER 工藝不足之處 ： ①錠子直徑較大時，靠旋轉(zhuǎn)離心力使處于半熔融金屬流到鑄錠壁處困難，惡化了重熔錠表面質(zhì)量，因此，用 VADER 難于生產(chǎn) D＞500mm的錠子 ； ②由于離心力作用，使金屬液中元素因密度不同產(chǎn)生徑向分布不均勻 (如 Inconel 718 合金 )。 1950 年，美國開發(fā)了一臺小型的凝殼爐，克服了真空電弧爐不能鑄型、感應(yīng)爐坩堝耐火材料 對活性金屬的污染等問題它兼有二者之優(yōu)點，構(gòu)成了新的爐型，但它仍有來自石墨鑄型的表面污染，由于它的出現(xiàn)，使真空感應(yīng)爐熔鑄 Ti件，兒乎全被它所代替。 為了細(xì)化晶粒和能澆注形狀復(fù)雜的鑄件，只有改變?nèi)刍湍掏瑫r進(jìn)行這特點， 使需用的金屬全部熔化后，再澆注凝固成形。 爐料熔化以后，不是在水冷坩堝中凝固，而是在該坩堝內(nèi)聚集和精煉，然后在真空條件下澆注成錠或鑄件。 ⑵純凈度。其原理如圖所示。 ⑵在重熔過程中能對熔化爐料的功率和加熱熔池的功率分別進(jìn)行調(diào)節(jié)， 因而當(dāng)熔化速率改變時，仍可使熔池保持所需要的溫度。提純效果好（熔煉金屬的純度比其他真空熔煉法更高）； ⑷加熱速度可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，能做到快速加熱與冷卻；熔煉功率（能量分布）和熔化速度調(diào)節(jié)方便； ⑸對被熔原材料形狀限制很小，制備費(fèi)用低（錠由機(jī)械裝置連續(xù)抽出，電子束的方向和形狀可按需要調(diào)節(jié)，可以生產(chǎn)圓錠、方錠或中空錠）。 2）按結(jié)晶器的底部類型分： 有 固定式和活動式 (用于抽錠 )兩種。 它不僅對燃燒的電極同時對被加熱、熔化的金屬均能起保護(hù)作用。冶金工業(yè)中應(yīng)用