第十二講 有色金屬及合金熔煉技術(shù)

1、第十二講第十二講 有色金屬及合金的熔煉技術(shù)有色金屬及合金的熔煉技術(shù) 有色金屬及合金的熔煉技術(shù)有色金屬及合金的熔煉技術(shù) 本章要點(diǎn)本章要點(diǎn): : 介紹目前工業(yè)應(yīng)用的一些典型熔煉介紹目前工業(yè)應(yīng)用的一些典型熔煉技術(shù)（設(shè)備）。主要包括技術(shù)（設(shè)備）。主要包括: :(1)(1)感應(yīng)爐熔煉技術(shù)的基本原理與特點(diǎn)感應(yīng)爐熔煉技術(shù)的基本原理與特點(diǎn)(2)(2)真空熔煉技術(shù)特點(diǎn)；真空熔煉技術(shù)特點(diǎn)；(3)(3)其它多種熔煉技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。其它多種熔煉技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。12.1 熔煉爐的基本要求和種類熔煉爐的基本要求和種類 12.1.1 熔煉爐的基本要求熔煉爐的基本要求 (1) (1)爐料快速熔化升溫，縮短熔煉時間，爐料快速熔化升

2、溫，縮短熔煉時間，減少元素?zé)龘p和吸氣；減少元素?zé)龘p和吸氣； (2) (2)能耗低、熱效率高和坩堝爐襯壽命長；能耗低、熱效率高和坩堝爐襯壽命長； (3) (3)操作簡單，爐溫便于調(diào)整和控制，工操作簡單，爐溫便于調(diào)整和控制，工作環(huán)境好。作環(huán)境好。 12.1.2 熔煉爐的種類和應(yīng)用熔煉爐的種類和應(yīng)用 常用有色金屬及合金熔煉爐可分為常用有色金屬及合金熔煉爐可分為燃料爐燃料爐和和電爐電爐兩大類。兩大類。 燃料爐常用的有燃料爐常用的有焦炭爐焦炭爐和和燃油爐燃油爐。 焦炭爐焦炭爐燃油爐燃油爐 電爐分為電爐分為電阻熔化爐電阻熔化爐、感應(yīng)熔化爐感應(yīng)熔化爐和和電弧爐電弧爐。 12.1.2 熔煉爐的種類和應(yīng)用熔煉爐

3、的種類和應(yīng)用 井式電阻熔化爐井式電阻熔化爐電阻絲電阻絲 電爐分為電爐分為電阻熔化爐電阻熔化爐、感應(yīng)熔化爐感應(yīng)熔化爐和和電弧爐電弧爐。 12.1.2 熔煉爐的種類和應(yīng)用熔煉爐的種類和應(yīng)用 感應(yīng)熔化爐感應(yīng)熔化爐 電爐分為電爐分為電阻熔化爐電阻熔化爐、感應(yīng)熔化爐感應(yīng)熔化爐和和電弧爐電弧爐。 12.1.2 熔煉爐的種類和應(yīng)用熔煉爐的種類和應(yīng)用 電弧爐電弧爐12.2 坩堝爐和反射爐熔煉技術(shù)坩堝爐和反射爐熔煉技術(shù) 12.2.1 坩堝爐熔煉坩堝爐熔煉 坩堝爐熔煉是一種古老的冶煉方法，一直沿用至今。坩堝爐熔煉是一種古老的冶煉方法，一直沿用至今。 坩堝坩堝12.2 坩堝爐和反射爐熔煉技術(shù)坩堝爐和反射爐熔煉技術(shù)

4、坩堝一般是用耐火材料制成，也有使用坩堝一般是用耐火材料制成，也有使用石墨石墨、鑄鐵鑄鐵或或鑄鋼鑄鋼制成，金屬坩堝在使用時內(nèi)表面應(yīng)涂覆涂料保護(hù)，還制成，金屬坩堝在使用時內(nèi)表面應(yīng)涂覆涂料保護(hù)，還有用有用剛玉剛玉和和鉑金鉑金制作。制作。 鑄鐵坩堝鑄鐵坩堝鑄鋼鑄鋼坩堝坩堝石英坩堝石英坩堝石墨石墨坩堝坩堝剛玉坩堝剛玉坩堝鉑金坩堝鉑金坩堝12.2 坩堝爐和反射爐熔煉技術(shù)坩堝爐和反射爐熔煉技術(shù) 12.2.1 坩堝爐熔煉坩堝爐熔煉 坩堝爐的加熱可用固體、液體、氣體燃料，坩堝爐的加熱可用固體、液體、氣體燃料，也可用電加熱。也可用電加熱。 坩堝爐熔煉的特點(diǎn)是坩堝爐熔煉的特點(diǎn)是: :靈活、小批量、多品種、靈活、小批

5、量、多品種、合金成分控制精確、燒損小合金成分控制精確、燒損小。 現(xiàn)多用電阻或感應(yīng)加熱，用于小型鑄造廠、現(xiàn)多用電阻或感應(yīng)加熱，用于小型鑄造廠、實(shí)驗(yàn)室或用于中間合金生產(chǎn)。實(shí)驗(yàn)室或用于中間合金生產(chǎn)。12.2.1.1 坩堝電阻爐坩堝電阻爐 利用電流通過電加熱元件發(fā)熱，輻射坩堝傳利用電流通過電加熱元件發(fā)熱，輻射坩堝傳導(dǎo)給金屬使其熔化升溫。導(dǎo)給金屬使其熔化升溫。 鎳鉻合金鎳鉻合金鐵鋁鉻合金鐵鋁鉻合金鉑銠鉑銠硅化鉬硅化鉬12.2.1.1 坩堝坩堝電阻電阻爐爐 組成部分組成部分p 電爐本體電爐本體p 控制柜（控溫儀表）控制柜（控溫儀表）p 坩堝坩堝結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)形式p 固定式固定式p 傾斜式傾斜式12.2.1.

6、1 坩堝坩堝電阻電阻爐爐 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)p 結(jié)構(gòu)緊湊結(jié)構(gòu)緊湊p 電器設(shè)備簡單電器設(shè)備簡單p 價格低廉價格低廉p 溫度易控制溫度易控制p 元素?zé)龘p小元素?zé)龘p小p 合金吸氣少合金吸氣少p 工作環(huán)境好工作環(huán)境好缺點(diǎn)缺點(diǎn)p 熔煉時間長熔煉時間長p 耗電量大耗電量大p 生產(chǎn)效率低生產(chǎn)效率低 12.2.1.2 燃料燃料坩堝爐坩堝爐 通過燃料燃燒加熱坩堝傳導(dǎo)給金屬爐料升溫通過燃料燃燒加熱坩堝傳導(dǎo)給金屬爐料升溫熔化。分為熔化。分為焦炭、燃油和燃?xì)饨固?、燃油和燃?xì)? (煤氣煤氣) )坩堝爐。坩堝爐。p 焦炭坩堝爐焦炭坩堝爐 熔煉銅、鋁合金熔煉銅、鋁合金 自然通風(fēng)自然通風(fēng) 鼓風(fēng)鼓風(fēng)p 燃油坩堝爐燃油坩堝爐12.2.2

7、反射爐熔煉反射爐熔煉 4.2.2.1 火焰反射爐熔煉技術(shù)火焰反射爐熔煉技術(shù) 是是目前生產(chǎn)的主要用爐目前生產(chǎn)的主要用爐，利用高溫火焰加熱，利用高溫火焰加熱爐頂，靠爐頂和火焰的輻射傳熱加熱和熔化爐料。爐頂，靠爐頂和火焰的輻射傳熱加熱和熔化爐料。燃料可用煤、石油、煤氣和天然氣等。燃料可用煤、石油、煤氣和天然氣等。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)p 熔池面積大，容量大熔池面積大，容量大p 溫度高，熔化速度快，生產(chǎn)效率高溫度高，熔化速度快，生產(chǎn)效率高 缺點(diǎn)缺點(diǎn)p 上下溫差大，熔池不能太深，應(yīng)加強(qiáng)攪動上下溫差大，熔池不能太深，應(yīng)加強(qiáng)攪動p 大熔池加劇了氧化和吸氣，應(yīng)加強(qiáng)覆蓋大熔池加劇了氧化和吸氣，應(yīng)加強(qiáng)覆蓋 靠安裝在爐頂?shù)目堪?/p>

8、裝在爐頂?shù)碾娮璋l(fā)熱元件電阻發(fā)熱元件（鎳鉻高溫合鎳鉻高溫合金金、或、或碳化硅棒等碳化硅棒等）產(chǎn)生的）產(chǎn)生的熱量輻射熱量輻射加熱爐料。加熱爐料。 12.2.2.2 電阻反射爐熔煉技術(shù)電阻反射爐熔煉技術(shù) 12.2.2.2 電阻反射爐熔煉技術(shù)電阻反射爐熔煉技術(shù) 電阻反射爐電阻反射爐 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單，電熱效率高電熱效率高（70%-80%70%-80%），溫度和氣），溫度和氣氛容易控制，熔體受爐氣污染小，金屬損耗僅次于感應(yīng)爐、氛容易控制，熔體受爐氣污染小，金屬損耗僅次于感應(yīng)爐、遠(yuǎn)低于火焰反射爐，熔體質(zhì)量高。遠(yuǎn)低于火焰反射爐，熔體質(zhì)量高。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：電阻發(fā)熱體是易耗品，受爐氣、熔劑、飛濺金：電阻

9、發(fā)熱體是易耗品，受爐氣、熔劑、飛濺金屬的腐蝕，容易損壞，使用壽命短。屬的腐蝕，容易損壞，使用壽命短。 應(yīng)用應(yīng)用：多用于鋁及鋁合金、鎂及鎂合金的熔化和保溫，：多用于鋁及鋁合金、鎂及鎂合金的熔化和保溫，容量一般不超過容量一般不超過l0tl0t（大容量的鋁合金熔化爐均不采用電阻大容量的鋁合金熔化爐均不采用電阻加熱加熱）。 12.3 .3 感應(yīng)爐熔煉技術(shù)感應(yīng)爐熔煉技術(shù) 12.3.1 感應(yīng)加熱原理感應(yīng)加熱原理 感應(yīng)線圈中通入交變電流，則在線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)線圈中通入交變電流，則在線圈內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的相應(yīng)的交變磁場交變磁場。當(dāng)把金屬放在線圈內(nèi)時，根據(jù)。當(dāng)把金屬放在線圈內(nèi)時，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，金屬內(nèi)必定會產(chǎn)生電磁感

10、應(yīng)定律，金屬內(nèi)必定會產(chǎn)生感生電勢感生電勢。由。由于金屬是導(dǎo)體，于是在感生電勢的作用下，金屬于金屬是導(dǎo)體，于是在感生電勢的作用下，金屬內(nèi)就有感應(yīng)電流產(chǎn)生，而金屬又具有電阻，因此內(nèi)就有感應(yīng)電流產(chǎn)生，而金屬又具有電阻，因此金屬被加熱甚至熔化。金屬被加熱甚至熔化。（電（電-磁磁-電電-熱）熱） 感應(yīng)爐就是感應(yīng)爐就是利用電磁感應(yīng)原理利用電磁感應(yīng)原理，使處于交變，使處于交變磁場中的金屬材料內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而把材磁場中的金屬材料內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而把材料加熱直至熔化的一種電熱設(shè)備。料加熱直至熔化的一種電熱設(shè)備。12.3.2 感應(yīng)爐的分類和特點(diǎn)感應(yīng)爐的分類和特點(diǎn) 12.3.2.1 感應(yīng)爐的分類感應(yīng)爐的分

11、類 按工作頻率分類按工作頻率分類 (1)工頻感應(yīng)爐工頻感應(yīng)爐：工作頻率為：工作頻率為50Hz，可由可由單相單相、兩相兩相和和三相三相電源供電。電源供電。 (2)中頻感應(yīng)爐中頻感應(yīng)爐：50Hz - 100kHz。常用的有：常用的有：150、(250)、450、1000、2500、4000、8000、10000，現(xiàn)可擴(kuò)大，現(xiàn)可擴(kuò)大到到100kHz，單相供電。單相供電。 (3)高頻感應(yīng)爐高頻感應(yīng)爐：高于：高于100kHz。12.3.2 感應(yīng)爐的分類和特點(diǎn)感應(yīng)爐的分類和特點(diǎn) 按結(jié)構(gòu)分類按結(jié)構(gòu)分類 根據(jù)根據(jù)有無鐵芯有無鐵芯穿過被熔化的金屬熔池，又可穿過被熔化的金屬熔池，又可把感應(yīng)熔煉爐分為無把感應(yīng)熔煉爐

12、分為無(鐵鐵)芯和有芯和有(鐵鐵)芯兩種。芯兩種。 (1)無芯感應(yīng)熔煉爐無芯感應(yīng)熔煉爐：無鐵芯穿過被熔化的金：無鐵芯穿過被熔化的金屬熔池，分為真空和非真空兩種。屬熔池，分為真空和非真空兩種。 (2)有芯感應(yīng)熔煉爐有芯感應(yīng)熔煉爐：有圍繞鐵芯的液體金屬熔：有圍繞鐵芯的液體金屬熔溝，又叫熔溝爐或溝槽式感應(yīng)爐。溝，又叫熔溝爐或溝槽式感應(yīng)爐。熱效率較高，熱效率較高，熔化速率快，熔化速率快，熔溝部分容易出現(xiàn)局部過熱。熔溝部分容易出現(xiàn)局部過熱。1212.3.3.1 工頻無芯熔煉爐工頻無芯熔煉爐 20世紀(jì)世紀(jì)40年代發(fā)展年代發(fā)展起來，用于熔化銅、鋁、起來，用于熔化銅、鋁、鈦及鐵合金。不需變頻鈦及鐵合金。不需變

13、頻設(shè)備，發(fā)展迅速。設(shè)備，發(fā)展迅速。 右圖例：容量右圖例：容量1.5t，坩坩堝尺寸堝尺寸5801190，最高最高溫度溫度1600，熔化時間熔化時間2-3h，功率為功率為420kW，供供電電560kVA，電壓電壓380V（50Hz），），最大傾轉(zhuǎn)角最大傾轉(zhuǎn)角度度900。12.3.3.2 中頻無芯熔煉爐中頻無芯熔煉爐 工作頻率通常在工作頻率通常在4kHz以下以下，結(jié)構(gòu)和工頻爐，結(jié)構(gòu)和工頻爐結(jié)構(gòu)基本相同，但存在以下差異：結(jié)構(gòu)基本相同，但存在以下差異： 中頻爐中頻爐電動效應(yīng)較弱電動效應(yīng)較弱，所以不必使熔體液，所以不必使熔體液面高度顯著超過感應(yīng)圈的上端，通常維持兩面高度顯著超過感應(yīng)圈的上端，通常維持兩者大

14、體上平齊。者大體上平齊。 感應(yīng)圈靠物料的一側(cè)的管壁較工頻爐薄，感應(yīng)圈靠物料的一側(cè)的管壁較工頻爐薄，因?yàn)槠湟驗(yàn)槠漕l率較高，穿透深度小頻率較高，穿透深度小。 所需補(bǔ)償電容多，一般配有獨(dú)立的補(bǔ)償電所需補(bǔ)償電容多，一般配有獨(dú)立的補(bǔ)償電容器架或柜。容器架或柜。 單耗（單耗（kWht）: 銅銅400-500，鎳鎳650-700，黃銅黃銅220360。12.3.3.3 高頻無芯感應(yīng)爐高頻無芯感應(yīng)爐 工作頻率通常高于工作頻率通常高于100kHz。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，坩堝傾倒采用手動。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，坩堝傾倒采用手動。適合于適合于實(shí)驗(yàn)或小規(guī)模生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)或小規(guī)模生產(chǎn)，或供特種鋼和特種合金熔煉使，或供特種鋼和特種合金熔

15、煉使用。裝料量一般在用。裝料量一般在50kg以下，輸入功率在以下，輸入功率在100kW以以下。下。高頻爐起熔容易高頻爐起熔容易，可處理碎料，熔池穩(wěn)定，熔，可處理碎料，熔池穩(wěn)定，熔體凸起小，產(chǎn)品質(zhì)純且金屬損耗小。體凸起小，產(chǎn)品質(zhì)純且金屬損耗小。 缺點(diǎn)：高頻變頻器效率低，設(shè)備費(fèi)用較高。電缺點(diǎn)：高頻變頻器效率低，設(shè)備費(fèi)用較高。電能單耗較高，為中頻爐電耗能單耗較高，為中頻爐電耗23倍。倍。 例如：例如：10kg的爐子輸入功率為的爐子輸入功率為30-60kW，熔化熔化時間為時間為15-25min，電能單耗為電能單耗為1500-2000kWh /t。12.3.4 有芯感應(yīng)爐熔煉有芯感應(yīng)爐熔煉 也稱也稱熔溝

16、感應(yīng)熔溝感應(yīng)爐爐，由，由熔池熔池、熔溝熔溝爐襯爐襯、感應(yīng)器感應(yīng)器及及爐爐殼殼等組成。等組成。 熔溝爐襯中有熔溝爐襯中有一或兩條環(huán)溝，其一或兩條環(huán)溝，其中充滿和熔池聯(lián)通中充滿和熔池聯(lián)通的熔體，稱為的熔體，稱為熔溝熔溝。鐵芯鐵芯由硅鋼片制作，由硅鋼片制作，感應(yīng)圈套在鐵芯上。感應(yīng)圈套在鐵芯上。 12.3.4 有芯感應(yīng)爐熔煉有芯感應(yīng)爐熔煉 工作原理與坩堝感應(yīng)爐相同。工作原理與坩堝感應(yīng)爐相同。 特點(diǎn)：使用工頻電，電氣設(shè)備費(fèi)較特點(diǎn)：使用工頻電，電氣設(shè)備費(fèi)較少。少。熔溝部分易局部過熱熔溝部分易局部過熱，爐襯壽命較，爐襯壽命較長，長，熔煉溫度較低熔煉溫度較低。熔溝金屬熔溝金屬感生電流感生電流大、可作起熔體，故

17、大、可作起熔體，故熔化速率較高熔化速率較高，熱，熱電效率較高。爐子容量電效率較高。爐子容量0.3-400.3-40t t，并正向并正向大型化發(fā)展。常用來熔煉大型化發(fā)展。常用來熔煉鋼與銅合金鋼與銅合金。12.3.4 有芯感應(yīng)爐熔煉有芯感應(yīng)爐熔煉 單熔溝感應(yīng)爐單熔溝感應(yīng)爐問題問題：1）熔溝金屬）熔溝金屬液流紊亂液流紊亂，局部過熱（局部過熱（100-200）；）；2）熔溝底部泄漏磁場對）熔溝底部泄漏磁場對熔溝金屬施加電磁力，熔溝金屬施加電磁力，產(chǎn)生局域性渦流而產(chǎn)生局域性渦流而出現(xiàn)出現(xiàn)死區(qū)死區(qū)。 已發(fā)展出一種已發(fā)展出一種單向流單向流動單熔溝動單熔溝，可減小熔體，可減小熔體溫差、消除死區(qū)、縮短溫差、消除

18、死區(qū)、縮短熔煉時間熔煉時間10%-30%、增、增加爐襯壽命加爐襯壽命0.5-1.0倍、降倍、降低電耗和成本。低電耗和成本。12.3.4 有芯感應(yīng)爐熔煉有芯感應(yīng)爐熔煉 多相雙熔溝也可得到單多相雙熔溝也可得到單向流動向流動。利用中部共用熔。利用中部共用熔溝與邊部熔溝磁場強(qiáng)度的溝與邊部熔溝磁場強(qiáng)度的差異，使中部熔溝熔體向差異，使中部熔溝熔體向下流動，兩側(cè)熔溝熔體向下流動，兩側(cè)熔溝熔體向上流動。上流動。 如：如：3t熔煉黃銅鐵芯感熔煉黃銅鐵芯感應(yīng)爐，應(yīng)爐，750kW，三鐵芯感三鐵芯感應(yīng)器，生產(chǎn)率應(yīng)器，生產(chǎn)率5t/h，電耗電耗200kW.h/t，電效率電效率0.95，熱效率熱效率0.89。T12.3.2

19、.2 感應(yīng)熔煉爐的特點(diǎn)感應(yīng)熔煉爐的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): (1)(1)金屬本身感應(yīng)電流加熱，金屬本身感應(yīng)電流加熱，加熱溫度均勻加熱溫度均勻，燒損少燒損少。這對于稀貴金屬的熔煉有重要意義，例。這對于稀貴金屬的熔煉有重要意義，例如，鎳、鉻、釩、鎢在感應(yīng)爐中熔煉的燒損比在如，鎳、鉻、釩、鎢在感應(yīng)爐中熔煉的燒損比在電弧爐中少電弧爐中少2/32/3。 (2) (2)電磁力引起金屬液攪動，電磁力引起金屬液攪動，金屬成分均勻，金屬成分均勻，質(zhì)量高質(zhì)量高。 (3) (3)升溫快升溫快，爐溫容易控制，生產(chǎn)效率高，廣，爐溫容易控制，生產(chǎn)效率高，廣泛應(yīng)用于黑色及有色金屬的熔煉。泛應(yīng)用于黑色及有色金屬的熔煉。 (4) (4

20、)爐周圍溫度低，煙塵少，噪聲小，環(huán)境好。爐周圍溫度低，煙塵少，噪聲小，環(huán)境好。 (5) (5)可以間歇或連續(xù)運(yùn)行?？梢蚤g歇或連續(xù)運(yùn)行。 12.3.2.2 感應(yīng)熔煉爐的特點(diǎn)感應(yīng)熔煉爐的特點(diǎn) 缺點(diǎn)缺點(diǎn): (1)(1)對加熱對象有對加熱對象有導(dǎo)電導(dǎo)電要求，只能用于金屬和合金的重要求，只能用于金屬和合金的重熔。熔。 (2) (2)冷料開爐時，需要冷料開爐時，需要起熔塊起熔塊( (頻率較低的爐子頻率較低的爐子) )，升溫，升溫慢。慢。 (3) (3)爐渣本身不導(dǎo)電，爐渣溫度比金屬液低，爐渣本身不導(dǎo)電，爐渣溫度比金屬液低，不利于造不利于造渣精煉渣精煉，從而影響精煉的進(jìn)行。這一缺點(diǎn)，決定它，從而影響精煉的進(jìn)

21、行。這一缺點(diǎn)，決定它只適宜只適宜于熔化金屬，而不適于金屬精煉于熔化金屬，而不適于金屬精煉。 (4) (4)功率因數(shù)低功率因數(shù)低，需要輔之以一定數(shù)量的補(bǔ)償電容器，需要輔之以一定數(shù)量的補(bǔ)償電容器，提高了成本。提高了成本。 (5) (5)難以實(shí)現(xiàn)對熔體保溫，不便靜置處理難以實(shí)現(xiàn)對熔體保溫，不便靜置處理12.4 真空熔煉真空熔煉 真空熔煉可真空熔煉可防止大氣污染防止大氣污染，利于，利于除氣和雜質(zhì)除氣和雜質(zhì)。 1905年采用自耗電極、水冷銅結(jié)晶器、低壓氬氣年采用自耗電極、水冷銅結(jié)晶器、低壓氬氣下熔煉鉭獲得成功。下熔煉鉭獲得成功。 20世紀(jì)世紀(jì)50年代后，隨著真空技術(shù)、密封材料等的年代后，隨著真空技術(shù)、密

22、封材料等的發(fā)展，以及鈦合金、高純金屬及合金、鎢鉬鉭鈮鋯等發(fā)展，以及鈦合金、高純金屬及合金、鎢鉬鉭鈮鋯等稀有金屬、耐熱材料、磁性及超導(dǎo)材料、電真空材料、稀有金屬、耐熱材料、磁性及超導(dǎo)材料、電真空材料、核材料、高強(qiáng)度鋼等的應(yīng)用需求，相繼出現(xiàn)了核材料、高強(qiáng)度鋼等的應(yīng)用需求，相繼出現(xiàn)了真空自真空自耗電弧爐、真空電弧爐、真空感應(yīng)熔煉、真空電子束耗電弧爐、真空電弧爐、真空感應(yīng)熔煉、真空電子束爐、真空等離子爐爐、真空等離子爐熔煉等多種方法。熔煉等多種方法。真空熔煉已成為真空熔煉已成為高品質(zhì)金屬材料生產(chǎn)的一個重要手段。高品質(zhì)金屬材料生產(chǎn)的一個重要手段。 已出現(xiàn)了已出現(xiàn)了100t的真空感應(yīng)爐，以及的真空感應(yīng)爐，

23、以及50t、直徑直徑1.5m鑄錠的真空電弧爐。鑄錠的真空電弧爐。 12.4 真空熔煉真空熔煉 真空熔煉特點(diǎn)真空熔煉特點(diǎn): (1)采用采用水冷銅結(jié)晶器水冷銅結(jié)晶器時，可防止受大氣和時，可防止受大氣和耐火材料的污染；耐火材料的污染； (2)真空有真空有凈化提純作用凈化提純作用，可獲得含氣量低、，可獲得含氣量低、夾雜少、偏析小、力學(xué)性能及加工性能優(yōu)良的夾雜少、偏析小、力學(xué)性能及加工性能優(yōu)良的金屬及合金。是獲得高純、高質(zhì)量金屬材料的金屬及合金。是獲得高純、高質(zhì)量金屬材料的最好方法；最好方法； (3)真空電弧可獲得真空電弧可獲得2000以上的高溫，以上的高溫，可滿足高熔點(diǎn)金屬的熔煉要求?？蓾M足高熔點(diǎn)金屬

24、的熔煉要求。12.4.1 真空感應(yīng)爐熔煉技術(shù)真空感應(yīng)爐熔煉技術(shù) 無鐵芯感應(yīng)熔煉無鐵芯感應(yīng)熔煉爐，坩堝裝在真空室爐，坩堝裝在真空室里，熔煉時抽成真空，里，熔煉時抽成真空，爐料在真空或惰性氣爐料在真空或惰性氣氛下熔煉和澆鑄。氛下熔煉和澆鑄。 坩堝用耐火材料坩堝用耐火材料做成，不能熔煉與坩做成，不能熔煉與坩堝起作用的活潑金屬，堝起作用的活潑金屬，如鈦、鋯等純金屬及如鈦、鋯等純金屬及其合金，也不能熔煉其合金，也不能熔煉高熔點(diǎn)的難熔金屬，高熔點(diǎn)的難熔金屬，如鎢、鉬等。如鎢、鉬等。12.4.2 真空電弧爐熔煉技術(shù)真空電弧爐熔煉技術(shù) 真空下真空下，通過，通過低電壓、強(qiáng)電流低電壓、強(qiáng)電流形成電弧形成電弧熔煉熔

25、煉金屬產(chǎn)生鑄錠。金屬產(chǎn)生鑄錠。 產(chǎn)生電弧的電極可以是產(chǎn)生電弧的電極可以是損耗損耗的的(自耗，如鈦等自耗，如鈦等) ，也可以是，也可以是不損耗不損耗的的(非自耗，如石墨等非自耗，如石墨等) 。 自耗基本過程：金屬電極在直流自耗基本過程：金屬電極在直流電弧高溫（電弧高溫（5000）作用下，迅速）作用下，迅速熔化、精煉，并在水冷熔化、精煉，并在水冷紫紫銅結(jié)晶器銅結(jié)晶器內(nèi)凝固。內(nèi)凝固。 用于鈦、鎢、鉬、釩、鋯、鎳基用于鈦、鎢、鉬、釩、鋯、鎳基合金等的熔煉。合金等的熔煉。 設(shè)備包括設(shè)備包括:電路本體、電源設(shè)備、電路本體、電源設(shè)備、真空系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)等幾部

26、分。水冷系統(tǒng)等幾部分。 12.5 快速熔爐熔煉技術(shù)快速熔爐熔煉技術(shù) 近來，利用電解鋁液直接輸入保溫爐，合近來，利用電解鋁液直接輸入保溫爐，合金化、精煉后鑄錠和加工成材，可節(jié)約能耗、金化、精煉后鑄錠和加工成材，可節(jié)約能耗、縮短生產(chǎn)周期、降低成本?？s短生產(chǎn)周期、降低成本。（減少中間過程、（減少中間過程、節(jié)能）節(jié)能） 為強(qiáng)化熔煉過程，為強(qiáng)化熔煉過程，節(jié)約能耗節(jié)約能耗，提高熱效率，提高熱效率和生產(chǎn)率，已開發(fā)出一些新的熔爐和熔煉工藝。和生產(chǎn)率，已開發(fā)出一些新的熔爐和熔煉工藝。 下面介紹幾種快速熔煉爐技術(shù)。下面介紹幾種快速熔煉爐技術(shù)。 12.5.1 豎爐熔煉技術(shù)豎爐熔煉技術(shù) 爐料由爐頂側(cè)裝入，與爐料由爐頂

27、側(cè)裝入，與燃燒爐氣燃燒爐氣接觸、吸收熱量而接觸、吸收熱量而熔化。燃燒爐氣由多個可控熔化。燃燒爐氣由多個可控高速噴嘴產(chǎn)生，廢氣由爐頂高速噴嘴產(chǎn)生，廢氣由爐頂導(dǎo)入換熱器以預(yù)熱空氣和煤導(dǎo)入換熱器以預(yù)熱空氣和煤氣。氣。 特點(diǎn)特點(diǎn): :可連續(xù)快速熔化可連續(xù)快速熔化金屬，熔化率高，設(shè)備簡單，金屬，熔化率高，設(shè)備簡單，爐襯壽命長。爐襯壽命長。但要嚴(yán)格控制但要嚴(yán)格控制空氣過剩量，既能完全燃燒空氣過剩量，既能完全燃燒又不氧化產(chǎn)品。又不氧化產(chǎn)品。 可用于紫銅、鋁的連鑄可用于紫銅、鋁的連鑄連軋等。連軋等。12.5.2 噴射式熔爐熔煉技術(shù)噴射式熔爐熔煉技術(shù) 用火焰爐熔鋁時，因鋁的用火焰爐熔鋁時，因鋁的黑度低黑度低，吸

28、熱性差，所以，吸熱性差，所以加熱速度慢，熱效率低加熱速度慢，熱效率低(15%-30%)。用高速燃?xì)庵苯訃娪酶咚偃細(xì)庵苯訃娚錉t料熔鋁法可使射爐料熔鋁法可使熔化速率及熱效率提高熔化速率及熱效率提高，金屬燒損和，金屬燒損和能耗顯著降低。能耗顯著降低。 黑度概念：黑度概念： 一定溫度下，將灰體的吸收輻射能力與同溫度下一定溫度下，將灰體的吸收輻射能力與同溫度下黑黑體體的吸收輻射能力之比定義為的吸收輻射能力之比定義為物體的黑度物體的黑度，或物體的發(fā)，或物體的發(fā)射率。射率。黑度越高，則吸收輻射熱的能力越強(qiáng)，反之亦然黑度越高，則吸收輻射熱的能力越強(qiáng)，反之亦然。 凡是將輻射熱全部反射的物體稱為凡是將輻射熱全部反

29、射的物體稱為絕對白體絕對白體，能全，能全部吸收的稱為部吸收的稱為絕對黑體絕對黑體，能全部透過的則稱為，能全部透過的則稱為絕對透明絕對透明體或熱透體體或熱透體。 物體的黑度與物體的性質(zhì)、表面狀況和溫度等因素物體的黑度與物體的性質(zhì)、表面狀況和溫度等因素有關(guān)，是物體本身的固有特性。有關(guān)，是物體本身的固有特性。 12.5.2 噴射式熔爐熔煉技術(shù)噴射式熔爐熔煉技術(shù) 在爐頂及爐墻上裝有在爐頂及爐墻上裝有加 氧 的 、 燒 油 的 高 速加 氧 的 、 燒 油 的 高 速(200-250(200-250m ms)s)旋轉(zhuǎn)噴嘴，旋轉(zhuǎn)噴嘴，使火焰直接噴到爐料上，使火焰直接噴到爐料上，以以強(qiáng)制對流傳熱強(qiáng)制對流傳熱

30、，使傳，使傳熱速度提高到熱速度提高到(12.6-(12.6-1 6 . 7 ) 1 6 . 7 ) 1 01 05 5 k Jk J (m(m2 2h)h)，為普通反射爐為普通反射爐的的5 5倍，縮短熔煉時間倍，縮短熔煉時間30%-50%30%-50%，熱效率提高到熱效率提高到50%50%以上，降低金屬燒損以上，降低金屬燒損20%-26%20%-26%。12.6 電子束爐熔煉技術(shù)電子束爐熔煉技術(shù) 原理：原理：加熱陰極加熱陰極熱陰極表面熱陰極表面發(fā)射電子發(fā)射電子高壓作用下電子做高速高壓作用下電子做高速運(yùn)動（聚焦、偏轉(zhuǎn)控制）運(yùn)動（聚焦、偏轉(zhuǎn)控制） 高速電高速電子轟擊陽極子轟擊陽極使陽極金屬熔化。使

31、陽極金屬熔化。 應(yīng)用：應(yīng)用：用于蒸氣壓低（不易揮用于蒸氣壓低（不易揮發(fā)）的金屬材料發(fā)）的金屬材料，如鎢、鉬、鉭、，如鎢、鉬、鉭、鋯以及鈦等，這些材料應(yīng)用電子束鋯以及鈦等，這些材料應(yīng)用電子束爐熔煉，被公認(rèn)為是最理想的熔煉爐熔煉，被公認(rèn)為是最理想的熔煉方法。方法。 對于優(yōu)質(zhì)合金鋼，特別是鎳基對于優(yōu)質(zhì)合金鋼，特別是鎳基和鈷基合金鋼，電子束爐熔煉也得和鈷基合金鋼，電子束爐熔煉也得到了廣泛的應(yīng)用。到了廣泛的應(yīng)用。 電子束爐的功率已達(dá)幾千千瓦，電子束爐的功率已達(dá)幾千千瓦，能熔煉重達(dá)能熔煉重達(dá)l0t以上的鋼錠。以上的鋼錠。12.6 電子束爐熔煉技術(shù)電子束爐熔煉技術(shù) 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): (1)高真空度高真空度(0.0

32、0027-0.027Pa)，使蒸氣壓較高的雜使蒸氣壓較高的雜質(zhì)被除去質(zhì)被除去，如碳、釩、鐵、硅、鋁、鎳、鉻、銅等比精，如碳、釩、鐵、硅、鋁、鎳、鉻、銅等比精煉前可降低兩個數(shù)量級，可得到無氧化物的鉬和鎢，氧煉前可降低兩個數(shù)量級，可得到無氧化物的鉬和鎢，氧可從可從0.002%降至降至0.0004%-0.0009%，氮降至，氮降至0.004%-0.008%，氫含量低于，氫含量低于0.0001%-0.0002%。 (2)熔煉速度和加熱速度可以在較大范圍調(diào)節(jié)，有利熔煉速度和加熱速度可以在較大范圍調(diào)節(jié)，有利于液態(tài)中的碳和氧反應(yīng)，于液態(tài)中的碳和氧反應(yīng)，擴(kuò)散能力低的雜質(zhì)能擴(kuò)散到熔擴(kuò)散能力低的雜質(zhì)能擴(kuò)散到熔體蒸

33、發(fā)去除體蒸發(fā)去除。 (3)功率密度高，可達(dá)到功率密度高，可達(dá)到104108Wcm2，熔池表面熔池表面溫度高、可調(diào)；同時，溫度高、可調(diào)；同時，電子束對金屬熔體有攪拌作用電子束對金屬熔體有攪拌作用。 (4)用水冷銅坩堝凝固鑄錠，不被耐火材料污染。用水冷銅坩堝凝固鑄錠，不被耐火材料污染。 (5)可得到很高的溫度，可得到很高的溫度，能熔化任何難熔金屬能熔化任何難熔金屬，也可，也可熔化非金屬熔化非金屬。12.6 電子束爐熔煉技術(shù)電子束爐熔煉技術(shù)缺點(diǎn)缺點(diǎn): (1)熔煉合金時，添加元素熔煉合金時，添加元素易于揮發(fā)易于揮發(fā)，合金的，合金的成分及成分及均勻性不易控制均勻性不易控制。 (2)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需采用直流

34、高壓電源，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需采用直流高壓電源，運(yùn)行運(yùn)行費(fèi)用較高費(fèi)用較高。 (3)采用高壓加速電子流，會產(chǎn)生對人體有害采用高壓加速電子流，會產(chǎn)生對人體有害的的x射線射線，需采取防護(hù)措施。，需采取防護(hù)措施。 12.7 等離子爐熔煉技術(shù)等離子爐熔煉技術(shù) 等離子爐是利用等離子爐是利用氣體電離氣體電離產(chǎn)生的產(chǎn)生的等離子等離子體體的能量進(jìn)行加熱的電爐。的能量進(jìn)行加熱的電爐。 由氣體電離產(chǎn)生的由氣體電離產(chǎn)生的等離子體等離子體，是物質(zhì)第四，是物質(zhì)第四態(tài)（氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)），由態(tài)（氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)），由正離子正離子、負(fù)離子負(fù)離子、自由電子自由電子以及以及中性分子中性分子組成。組成。 20世紀(jì)世紀(jì)60年代發(fā)展起來，年

35、代發(fā)展起來，用于熔煉鎢、用于熔煉鎢、鉬、鉭、鈮、鈦、鋯等鉬、鉭、鈮、鈦、鋯等難熔、活潑金屬難熔、活潑金屬，也，也可熔煉工具鋼、耐熱鋼、耐蝕鋼、高強(qiáng)度鋼可熔煉工具鋼、耐熱鋼、耐蝕鋼、高強(qiáng)度鋼等等優(yōu)質(zhì)鋼優(yōu)質(zhì)鋼。 12.7.1 基本原理基本原理 等離子電熱原理：等離子電熱原理： 在等離子槍（空心電極、電場、在等離子槍（空心電極、電場、電火電火化高頻發(fā)生器化高頻發(fā)生器 ）的作用下，陰、陽極間）的作用下，陰、陽極間觸觸發(fā)電弧發(fā)電弧，使期間的，使期間的工作氣體弧光放電工作氣體弧光放電，產(chǎn)，產(chǎn)生等離子流束，等離子體中的自由電子、生等離子流束，等離子體中的自由電子、負(fù)離子與正離子隨即復(fù)合為負(fù)離子與正離子隨即復(fù)

36、合為氣體原子或分氣體原子或分子子，并放出原先電離時吸收的能量，生成，并放出原先電離時吸收的能量，生成等離子焰等離子焰，從而實(shí)現(xiàn)對物料的加熱。，從而實(shí)現(xiàn)對物料的加熱。 等離子焰可達(dá)比電弧更高的溫度等離子焰可達(dá)比電弧更高的溫度，如，如Ar等離子焰中心溫度可達(dá)等離子焰中心溫度可達(dá)15000。這種等。這種等離子焰可供金屬噴涂或焊接等使用。離子焰可供金屬噴涂或焊接等使用。12.7.1 基本原理基本原理 陰、陽極陰、陽極：陰極為：陰極為鎢、鎢、或者空心電極（或者空心電極（鉭鉭管）管）；陽極為；陽極為銅電極銅電極或被加熱材料?；虮患訜岵牧?。 起弧方式起弧方式：電火化高頻發(fā)生器電火化高頻發(fā)生器、或、或石墨或石

37、墨或鎢引發(fā)棒鎢引發(fā)棒+ +高頻感應(yīng)電流。高頻感應(yīng)電流。 工作氣體工作氣體：氬、氦、氫、氮、氬氫混合氣，氬、氦、氫、氮、氬氫混合氣，氬氮混合氣等。氬氮混合氣等。氬氣用得最多，因其為單原子氣氬氣用得最多，因其為單原子氣體、容易電離、惰性、便宜。體、容易電離、惰性、便宜。 4.7.2 爐型與爐體構(gòu)造爐型與爐體構(gòu)造 等離子體熔煉爐爐型：等離子體熔煉爐爐型： 按配置等離子槍的類型，有轉(zhuǎn)移弧式、非轉(zhuǎn)按配置等離子槍的類型，有轉(zhuǎn)移弧式、非轉(zhuǎn)移弧式、中空陰極式等。移弧式、中空陰極式等。 按爐體結(jié)構(gòu)，有耐火材料爐襯，也有水冷銅按爐體結(jié)構(gòu)，有耐火材料爐襯，也有水冷銅結(jié)晶器。結(jié)晶器。 就爐內(nèi)壓力而言，有常壓爐和真空爐。就爐內(nèi)壓力而言，有常壓爐和真空爐。 12.