特種熔煉

特種熔煉泛指轉爐、電弧爐、平爐、感應爐等普通熔煉方法以外的熔煉方法，主要有真空熔煉、等離子熔煉和電渣冶金等，用於製備那些以普通熔煉方法不能或難以熔煉的特殊金屬材料。

基本介紹

• 中文名：特種熔煉
• 外文名：special melting
• 方法：真空熔煉、等離子熔煉等
• 適用範圍：難熔金屬
• 學科：冶金工程
• 分類：單煉、雙聯、三次冶煉

介紹

現代化工業技術的迅速發展，特別是隨著海洋開發、航空航天、信息工程、生物工程及能源開發而出現的現代尖端技術的迅速發展，對特殊金屬材料（高級合金鋼及合金）的品種、質量提出了越來越高的要求。例如，主要使用於航空發動機、艦艇燃氣輪機及某些火箭發動機關鍵部件（葉片及渦輪盤）的高溫合金，除要求承受一定的高溫作用外，還要能夠在氧化性氣氛或燃氣條件下長期工作。為此，它們必須具有特定的組織結構和化學成分，從而獲得較高的強度、塑性、韌性、持久性能、疲勞性能、蠕變性能、抗氧化性能、長期組織穩定性及其他力學、物理性能和良好的加工性能，等等。由於爐外精煉技術的發展，用電爐流程或轉爐流程已經能夠生產一些以前必須用特種熔煉方法才能生產的品種（例如航空滾珠鋼等），但特種熔煉在特殊鋼及合金生產中仍然具有十分重要的作用與地位。

分類

特種熔煉通常按熱源類型或工藝流程類型進行分類。

熱源分類

按熱源類型可以分為7類：（1）真空感應熔煉，包括懸浮熔煉及冷坩堝熔煉，屬於感應加熱；（2）真空電弧重熔，包括真空電弧雙電極重熔及凝殼爐熔煉，屬於電弧加熱；（3）電子束熔煉，屬於電子束加熱；（4）等離子熔煉，包括等離子重熔，屬於電漿加熱；（5）電渣冶金，包括電渣重熔、電渣熔鑄、電渣澆鑄、有襯電渣熔煉、電渣離心澆鑄、電渣熱封頂及中間包電渣加熱等，屬於電渣加熱；（6）等離子感應爐熔煉，同時具有電漿加熱與感應加熱兩種熱源；（7）感應電渣離心澆鑄，同時具有感應加熱與電渣加熱兩種熱源。

按工藝流程分類

按工藝流程可以分為3類：

（1）單煉。包括電弧爐熔煉（AAM），感應爐熔煉（AIM），真空感應爐熔煉（VIM），等離子熔煉（PAF——等離子電弧爐熔煉或PIF——等離子感應爐熔煉）。

（2）雙聯。兩種熔煉方法的聯合使用：熔煉變形合金時，由先一種熔煉方法為後一種熔煉方法生產自耗電極，後者生產成品錠子。製備自耗電極的熔煉方法可以是普通熔煉方法，也可以是特種熔煉方法；熔煉鑄造合金時，先一種熔煉方法用來製備母合金，後一種熔煉方法生產成品鑄件。

用於變形金屬熔煉的雙聯法包括：真空電弧重熔（VAR——用非真空熔煉的電極進行真空電弧重熔，包括電弧爐熔煉加真空電弧重熔及感應爐熔煉加真空電弧重熔）；真空電弧雙電極重熔（VADER——用非真空或真空熔煉電極進行真空電弧雙電極重熔）；雙真空熔煉或真空感應熔煉加真空電弧重熔；非自耗電極真空電弧熔煉電極的真空電弧重熔或凝殼爐熔煉電極的真空電弧重熔（NAV）；等離子熔煉電極的真空電弧重熔（PMV）；電渣重熔（ESR——用非真空熔煉的電極進行電渣重熔，包括電弧爐熔煉加電渣重熔及感應爐熔煉加電渣重熔）；真空感應爐熔煉加電渣重熔（EVR）；非自耗電極真空電弧熔煉（凝殼爐熔煉）電極的電渣重熔（NER）；等離子重熔（PAR）；電子束熔煉（EBM，通常為電子束重熔）；真空感應爐熔煉電極的電子束連續流熔煉（VEB或VIM+EBCFM）；非自耗電極真空電弧熔煉（凝殼爐熔煉）電極的電子束熔煉（NEB）．

用於鑄造合金熔鑄的雙聯法有：感應爐加感應爐；感應爐加真空感應爐；電弧爐加感應爐；電弧爐加真空感應爐；真空感應爐加真空感應爐。

（3）三次熔煉。三種熔煉方法聯合使用，製備質量要求特別高的金屬材料。通常第一次熔煉是製備自耗電極，第二次為重熔，重熔金屬再經第三次熔煉也是重熔。屬於三次熔煉的方法有：真空感應爐熔煉加真空電弧重熔加電渣重熔；真空感應爐熔煉加電渣重熔加真空電弧重熔；非自耗電極真空電弧熔煉（凝殼爐熔煉）加電子束熔煉加真空電弧重熔。

實踐表明，真空感應爐在高溫合金生產中具有重要的作用和地位，一方面它是生產為真空電弧重熔及電渣重熔所需白耗電極的重要熔煉設備；另一方面它是用來生產鑄造高溫合金（製備母合金及熔鑄精密鑄件）的主要設備。在雙聯工藝中，雙真空熔煉及真空感應爐熔煉加電渣重熔所占的比例最大。同樣值得指出的是，電渣重熔在合金鋼及高溫合金的生產中具有顯著的優越性，特別是真空感應爐熔煉加電渣重熔雙聯工藝方法具有強大的生命力。美國在用於航空燃氣渦輪發動機的高溫合金的生產方面，VIR所占比例逐年減少，而EVR所占比例逐年增加，很多品種的高溫合金，特別是用於製造大型盤材的高溫合金品種，已由原來用VIR生產改用EVR生產了。三次熔煉則是用於對質量要求特別高的合金的生產。第三次熔煉採用電渣重熔主要是為了進一步改善鑄造組織；而採用電渣重熔金屬作為第三次真空電弧重熔的自耗電極，主要是為了保證合金具有很低的氣體含量與微觀偏析。

不同熔煉方法的對比

各種熔煉方法（包括雙聯及三次熔煉），其技術經濟指標有很大差異，它們的冶煉質量也有所不同。

能源設備及技術經濟指標： 不同熔煉方法工作原理不同、能源不同，因而所使用的設備也不同，各自的投資費用及產品能耗、金屬收得率、成本等差別很大，如表1所示，用作單煉，真空感應爐熔鍊金屬質量較好，但設備費用及成本較高；作為二次重熔，電渣重熔較經濟。

冶煉質量：合金鋼及合金的冶煉質量可以用成分控制、純潔度及鑄態組織作為評價指標。不同熔煉方法冶煉質量的對比列於表2。

套用範圍

特種熔煉主要用於難熔金屬、活潑金屬、高純金屬及近終形鑄件或熔鑄件的製備。

（1）難熔金屬熔煉。難熔金屬鎢、鉬、鈮、鉭、錸的熔點分別為3380℃、2675℃、2468℃、2980℃及3180℃，顯然，用轉爐、平爐及感應爐熔煉，熔煉溫度達不到金屬熔點。電弧爐電弧的溫度雖可達4500℃以上，但在大氣下熔煉，金屬將被嚴重氧化，也不能用於難熔金屬的製備。難熔金屬必須用具有高溫熱源且在真空或惰性氣氛下操作的特種熔煉方法來熔煉。

（2）活潑金屬熔煉。鈦、鋯等活潑金屬及其化合物或合金不能在大氣下熔煉，鈦還會與坩堝耐火材料作用，故只能用那些在真空條件下及水冷銅結晶器中進行的特種熔煉方法（例如真空電弧重熔或電子束熔煉）來製備，對於像Ti3Al那樣的金屬間化合物，為了保證成分的均勻性，需採用具有感應攪拌的冷坩堝熔煉。

（3）高純金屬熔煉。在特種熔煉過程中的真空條件有利於碳一氧反應充分地進行，從而達到良好的脫氧效果；同時對一些雜質元素及低價金屬氧化物的揮發去除效果亦十分明顯。加上沒有耐火材料污染，可以獲得高純金屬材料，甚至可以通過多次重熔得到超純的零夾雜物含量的鋼及合金。

（4）近終形鑄件或熔鑄件的製備。通過真空精密鑄造、真空凝殼爐離心澆鑄、電渣離心澆鑄、感應電渣離心澆鑄、電渣熔鑄等特種熔煉，可以獲得各種各樣高性能的特殊鋼及合金的近終形鑄件或熔鑄件。

發展展望

特種熔煉是隨著對材料性能要求的不斷提高而不斷發展和完善起來的，它反過來又促進新型材料的發展。特種熔煉今後在下述方面將有進一步發展：（1）新型特種金屬材料的製備技術。所謂新型特種材料是指由密度差別很大的金屬元素組成的金屬間化合物、超高純（例如零夾雜）合金鋼及高溫合金、控制凝固材料、異型精密鑄件和其他具有特殊性能的材料；（2）在有熔渣條件下的真空熔煉（包括重熔）技術開發；（3）新型特種熔煉技術的發展或同一特種熔煉技術套用領域的拓寬；（4）特種熔煉過程及冶金質量控制的數值模擬和計算機控制。