真空電渣爐的發(fā)展策略
真空電渣熔煉具有脫氧性能好、防止金屬氧化等眾多優(yōu)點(diǎn)。真空電渣爐的發(fā)展是冶金工作者關(guān)心的問題，但目前真空電渣爐的發(fā)展很慢。本文將分析真空電渣爐發(fā)展緩慢的原因、找出其問題并給出相應(yīng)的發(fā)展方向和策略。
真空電渣熔煉是在真空電弧熔煉和氣體保護(hù)電渣熔煉基礎(chǔ)上發(fā)展起來的特種鋼熔煉技術(shù)。實(shí)現(xiàn)真空電渣熔煉技術(shù)的設(shè)備稱為真空電渣爐。真空電渣爐是提高冶金產(chǎn)品質(zhì)量、改善冶煉產(chǎn)品品質(zhì)、增加冶煉產(chǎn)品品種的先進(jìn)冶金設(shè)備，具有很好的發(fā)展前景。然而，目前世界上只有少數(shù)幾個(gè)國家才有這種設(shè)備。我國至今還沒有這種設(shè)備上市，甚至在科研界，對(duì)這種設(shè)備的發(fā)展還具有爭(zhēng)論。本文站在支持新生事物的角度，對(duì)真空電渣爐的發(fā)展提出一些認(rèn)識(shí)和策略。
1、真空電渣爐的誕生和發(fā)展現(xiàn)狀
20 世紀(jì)90 年代德國Hanau 城Leybold 公司綜合了真空電弧重熔的特點(diǎn)：對(duì)超級(jí)合金而言，真空電弧重熔純凈度高、氣體含量極低、成分可精確控制、凝固件質(zhì)量好、鑄錠組織致密、成分比較均勻;但是，真空電弧重熔不能脫除硫等有害的非金屬夾雜，而且容易形成白點(diǎn)及產(chǎn)生年輪狀偏析。同時(shí)，普通電渣爐熔煉金屬的特點(diǎn)如下：熔煉的合金具有良好的組織結(jié)構(gòu)、純度高、脫除硫等非金屬夾雜物效果良好、不容易形成白點(diǎn)或產(chǎn)生年輪狀偏析;但是，普通電渣重熔過程中活潑元素的燒損較多，成分控制困難，氣體含量有時(shí)會(huì)增加。
考慮到真空電弧重熔與普通電渣重熔各自的優(yōu)缺點(diǎn)，德國ALD 真空工業(yè)有限公司開發(fā)了能利用兩者優(yōu)點(diǎn)、克服兩者缺點(diǎn)的真空電渣重熔技術(shù)與設(shè)備。并且利用真空電渣重熔設(shè)備生產(chǎn)出錠徑250 mm，錠重360 kg 的重熔錠。鑄錠表面光滑，無任何表面缺欠，在有效脫硫的情況下，活潑元素鈦、鋁等幾乎沒有燒損。
真空電渣熔煉金屬具有良好的特性，表1 給出了Inconel 718 合金在真空電渣重熔后的金屬成分變化情況。從表1 可以看出真空電渣重熔脫硫效果十分顯著，活潑元素Ti、Al 等沒有燒損。表2 為不同冶煉方法鋼制模具的單個(gè)模次成本對(duì)比。從表2 可以看到，隨著模具鋼質(zhì)量的提高，盡管模具的生產(chǎn)總成本依次提高，但壓鑄件實(shí)際單個(gè)成本卻呈下降趨勢(shì)，真空電渣重熔鋼模具的實(shí)際單件成本僅為普通材料模具的45.5%，實(shí)際生產(chǎn)成本最低。
表1 Incone1718 合金真空電渣重熔前后的化學(xué)成分對(duì)比(wt%)
表2 不同冶煉方法鋼制模具的單個(gè)模次成本對(duì)比
這些事實(shí)引起了冶金工作者的注意和興趣，特別是在特殊鋼的冶煉方面，需要新的冶煉技術(shù)。為此，德、意、日、美等國家先后開發(fā)生產(chǎn)出了真空電渣爐，目前已有真空電渣爐和真空電渣重熔產(chǎn)品上市，并銷售到了其他國家。圖1 為這些國家開發(fā)出來的真空電渣熔煉設(shè)備的原理示意圖。我國李正邦院士最先介紹了真空電渣爐。沈陽金屬研究所申報(bào)了“一種低氧低夾雜物銅鉻合金觸頭的生產(chǎn)方法”的專利，專利說明該方法結(jié)合了真空感應(yīng)電爐熔煉與真空電渣重熔兩種技術(shù)，被稱為雙聯(lián)技術(shù)。東北大學(xué)劉喜海等人成立了真空電渣爐研究小組，先后發(fā)表了幾篇有關(guān)真空電渣爐方面的文章。并且于2013 年3 月由劉景遠(yuǎn)工程師設(shè)計(jì)，沈陽科友真空有限公司制造的10 kg 真空電渣爐已經(jīng)誕生，正在進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)研究。圖2 為該設(shè)備外形照片。
2、真空電渣爐發(fā)展過程中遇到的難題
很多人都看到了真空電渣爐的特點(diǎn)：
1) 真空環(huán)境中的低氣體壓力使冶煉的物理過程發(fā)生了改變，有利于氣體的脫出。在真空條件下，物質(zhì)的物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變，沸騰溫度會(huì)降低。例如，水在常壓下沸騰溫度為100 ℃，而在真空條件下只要70 ℃~80 ℃，隨真空度的變化而變化。金屬也是一樣，例如鋅在常壓下906 ℃沸騰，而在真空條件下只要800多℃即可沸騰。鉛在常壓下沸點(diǎn)為1740 ℃，而在真空中1000 ℃即可蒸發(fā)。就是說在真空條件下，金屬的沸點(diǎn)降低了，有利于金屬的氣化，蒸發(fā)和脫氣。
真空條件下，金屬熔化時(shí)原來夾雜在金屬中的氣體放出后能很快離開金屬熔液被真空泵抽走。原來金屬與氣體生成的化合物，在熔煉過程中分解放出的氣體也很快被真空泵抽走。
在真空條件下，渣的溫度、粘度、透氣性都有改變，隨冶煉溫度的升高，渣的濕含量降低、粘度降低、透氣性變好，使得熔煉過程中氣體夾雜物減少，更容易脫氣。
金屬在真空中精煉不會(huì)形成氣孔或中間夾雜。金屬或氧化物在真空中形成氣體之后其分子直徑很小且分散性好。在真空中多原子分子傾向于分解成較少原子組成的分子，形成的氣體分子很小，粒徑一般在10-10 m，容易被真空系統(tǒng)抽走。
2)真空環(huán)境中氣體稀薄，金屬氧化物被還原成氣態(tài)金屬或液態(tài)金屬，金屬與氣體生成的化合物也能被分解放出氣體，金屬在熔化過程中無論在液態(tài)或是固態(tài)都不會(huì)被氧化。
3)真空電渣重熔可實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。從表面上看真空電渣重熔比普通電渣重熔多了一套真空系統(tǒng)，必然增加設(shè)備的成本和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用，但實(shí)際上并非如此。真空電渣重熔無廢水、廢氣、廢渣，對(duì)環(huán)境極少污染;金屬回收率高，燒損少;能解決普通電渣爐解決不了的問題，提高了熔煉產(chǎn)品的質(zhì)量和銷售價(jià)格，效益好。因此，可以從長(zhǎng)期使用真空電渣重熔的高度分析，實(shí)現(xiàn)了環(huán)保節(jié)能，提高產(chǎn)品質(zhì)量節(jié)能，增加效益節(jié)能。綜合分析的結(jié)果，真空電渣重熔設(shè)備的投資和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用增加可以忽略。
同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了真空電渣爐的廣泛用途：真空電渣熔煉適合于真空感應(yīng)熔煉或普通電渣熔煉后金屬錠的重熔和精煉。精煉后的金屬錠中O2、N2、H2 等氣體含量極低，硫、磷等非金屬夾雜很少，金屬產(chǎn)品的質(zhì)量有較大提高，適合于航空、航天、航海、軍工、高鐵和核工業(yè)等高端技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。
但是，真空電渣爐的發(fā)展確實(shí)很慢，究其原因，主要有：
1)真空電渣爐的用渣
真空電渣熔煉過程中渣的作用與常壓電渣熔煉和氣體保護(hù)電渣熔煉中所起的作用一樣，主要是消除金屬中的硫、磷等夾雜物和起發(fā)熱元件的作用。具體表現(xiàn)在：
(1)渣起發(fā)熱元件的作用。重熔過程中熱量通過焦耳效應(yīng)產(chǎn)生，符合常規(guī)的電阻發(fā)熱定律。因此，應(yīng)該確保渣阻與供給功率的電壓、電流之間的平衡關(guān)系。大多數(shù)渣的電阻率在熔煉溫度下為0.2~0.8 Ω·cm，熔煉溫度通常比金屬熔化溫度高200~300 ℃。在高溫度下渣呈液態(tài)。重熔電流、電壓、渣池深度和渣電阻率之間的關(guān)系很復(fù)雜，把這種關(guān)系調(diào)到最佳值是操作者的技術(shù)。
(2)熔渣對(duì)非金屬材料是溶劑。當(dāng)金屬電極進(jìn)入渣池時(shí)，電極端部達(dá)到熔化溫度，就會(huì)形成金屬熔化膜，熔化的金屬靠自重匯成熔滴，暴露出來的非金屬夾雜將熔解在渣里，起到了冶煉提純金屬的作用。因此，渣的成分必須能溶解雜質(zhì)又不影響渣的性質(zhì)，為此，在重熔時(shí)必須連續(xù)調(diào)整渣成分。
(3)渣是電渣重熔工藝中的精煉劑。重熔過程中化學(xué)反應(yīng)的主要部位在電極端部金屬熔膜與渣的界面處，這里的金屬膜條件對(duì)于快速反應(yīng)是最理想的。
(4)渣起到保護(hù)金屬免受污染的作用。由于金屬在渣層下熔化和凝固，已熔化的金屬不會(huì)與大氣接觸而氧化。
(5)渣能形成結(jié)晶器襯。由于水冷結(jié)晶器壁溫度維持在渣熔點(diǎn)溫度以下，熔渣與結(jié)晶器之間必定形成渣殼，這層渣殼起著結(jié)晶襯的作用。在真空條件與渣的聯(lián)合作用下，達(dá)到了真空電渣重熔冶金，精煉金屬的目的。
在真空電渣熔煉過程中，渣溫達(dá)1973~2173 K，氟化物渣蒸汽壓高，污染環(huán)境，不適合真空電渣熔煉。比較適合真空電渣熔煉的渣，應(yīng)該是無氟渣系，高堿性渣。通常要求該類渣系具有以下特性：①電導(dǎo)率值比較大;②熔點(diǎn)低，揮發(fā)物少，蒸汽壓低;③化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有脫氧，脫硫、磷能力。雖然無氟渣在防止污染和提高電渣重熔熱效率方面具有突出的優(yōu)越性，但目前在世界上仍處于試驗(yàn)階段。甚至在研究無氟渣方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)的蒂森特殊鋼公司克雷費(fèi)爾德鋼廠大量采用的仍是含氟渣40%CaO+40%Al2O3+20%CaF2及70%CaF2+30%Al2O3。這是由于無氟渣電渣重熔存在以下問題，研究無氟渣應(yīng)探索解決這些問題的途徑。
(1)引燃問題。無氟渣熔點(diǎn)高、導(dǎo)電率低，引燃困難。應(yīng)調(diào)整渣成分適當(dāng)降低渣的熔點(diǎn)，采用高電壓的化渣爐熔渣，液渣引燃，然后重熔階段再降低電壓。
(2)鑄錠成形問題。無氟渣電渣重熔鑄錠表面附著的渣皮薄，但厚度不均勻，影響鑄錠表面光潔度。這是由于通用無氟渣成分一般選擇5CaO·3Al2O3 共晶點(diǎn)附近，該共晶點(diǎn)附近液相線陡升。當(dāng)液相渣成分稍微波動(dòng)時(shí)，渣熔點(diǎn)變化顯著，影響鑄錠成形。因此使用無氟渣電渣重熔時(shí)輸入功率要穩(wěn)定。
(3)氫的問題。CaO-Al2O3 渣系中自由氧離子O2- 活度較高，容易與大氣中的水蒸氣、結(jié)晶器壁上的冷凝水以及渣中的結(jié)晶水反應(yīng)形成羥基負(fù)離子(OH-)溶于渣中，再進(jìn)一步以[H]溶于鋼中。同時(shí)無氟渣- 鋼之間氫的分配系數(shù)小，CaO-Al2O3渣(H)/ [H]≈1，而70%CaF2+30%Al2O3 渣(H)/ [H]為7～10，所以使用無氟渣應(yīng)充分烘烤脫水，保持氣氛干燥，同時(shí)渣中可適當(dāng)加入SiO2，以減少O2- 活度。
(4)球狀?yuàn)A雜物的問題。德國加瑪爾試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用CaO-Al2O3 渣重熔合金結(jié)構(gòu)鋼時(shí)，鋼中球狀?yuàn)A雜物平均級(jí)別比用CaF2-Al2O3 渣重熔時(shí)高26.5%。前蘇聯(lián)梅多瓦爾試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，CaO-Al2O3 渣重熔軸承鋼時(shí)，球狀?yuàn)A雜物平均級(jí)別高一倍。根據(jù)定性分析， 這類夾雜物是鋁酸鹽鈣mCaO·nAl2O3，應(yīng)考慮改變電極冶煉終脫氧制度和調(diào)整渣成分解決。
(5)關(guān)于工作電壓過高的問題。無氟渣的電導(dǎo)率低，使用無氟渣電渣重熔時(shí)，往往需要較高的工作電壓。
特別重要的是渣的真空特性直至今日還未見到有人研究報(bào)道。渣的真空特性包括渣的放氣量、放出的氣體成分、氣體中是否含有顆粒、顆粒度大小、渣的含水量、渣與水的結(jié)合情況、渣的透氣性、渣的粘溫特性等，到現(xiàn)在還不清楚。這些特性非常重要，不但會(huì)影響真空冶金效果，而且還會(huì)影響真空電渣爐的設(shè)計(jì)與制造，甚至關(guān)系到真空電渣爐的發(fā)展、前途和命運(yùn)。
2)真空電渣爐真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
真空電渣爐與普通電渣爐相比其主要區(qū)別在于多出一套真空系統(tǒng)，這套真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)既不同于真空電弧爐，也不同于真空感應(yīng)爐。因?yàn)椋婵针娫鼱t里有渣，熔煉過程中還要加渣，而且渣的真空特性還不清楚。所以，真空電渣熔煉需要的真空度是多少?主泵選用哪種類型的泵?熔煉過程中放氣量有多大?選用多大抽速的真空泵?熔煉過程中揮發(fā)物的量有多大?顆粒物的直徑有多大?選用什么樣的過濾器?熔煉過程中放出的氣體溫度有多少?是否需要設(shè)置冷凝器?電極桿與真空罩之間的動(dòng)密封如何設(shè)計(jì)?是否會(huì)有磨損問題?等等，一系列的問題都需要認(rèn)真研究解決。上述問題都是暫時(shí)無法解決的難題。
3、發(fā)展真空電渣爐的策略
任何事物的發(fā)展都不是一帆風(fēng)順的。遇到難題就放棄的觀點(diǎn)是不科學(xué)的;看不到難題，盲目生產(chǎn)真空電渣爐也是不負(fù)責(zé)任的。新事物的成長(zhǎng)都需要認(rèn)真、耐心的去扶植，需要有人花時(shí)間去研究、探索。而探索的方法就是實(shí)踐，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。
對(duì)于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)真空電渣爐的實(shí)踐，可以分成兩步走：
1)從真空冶煉用渣的真空特性開始研究
建立渣的真空特性試驗(yàn)臺(tái)，研究渣在真空、常溫環(huán)境下的放氣量，放出的氣體成分、顆粒度;研究渣在真空、高溫(金屬熔煉溫度)下的放氣量，放出的氣體成分、顆粒度，渣的黏度、粘溫特性，渣的透氣性等;研究渣與金屬是否有化學(xué)反應(yīng)，渣與真空泵油是否會(huì)有化學(xué)反應(yīng)。這些性能參數(shù)都是真空電渣爐設(shè)計(jì)計(jì)算必不可少的，這些研究都是基礎(chǔ)性的研究。
在熔煉過程中還要研究渣的電特性、冶金特性，在真空環(huán)境下加渣的物理特性。應(yīng)該研究不同渣成分時(shí)的上述特性，配制、尋找適合真空電渣熔煉的、經(jīng)濟(jì)的、環(huán)保的新型渣系。
2)建立小型實(shí)驗(yàn)用真空電渣熔煉系統(tǒng)
設(shè)計(jì)、制造小型真空電渣爐比較省錢，實(shí)驗(yàn)用的設(shè)備比較靈活，可以隨時(shí)拆裝、改造;但是，必須功能齊全，特別是測(cè)試裝置的功能、精度要求可靠。
實(shí)驗(yàn)用真空電渣爐裝配好后，需要進(jìn)行真空冶煉實(shí)驗(yàn)。具體的實(shí)驗(yàn)方案，需要周密的編制，這里給出一種實(shí)驗(yàn)方案，供使用者參考。
(1)空載性能實(shí)驗(yàn)
設(shè)備安裝好后，在沒有加負(fù)載的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)真空電渣爐的空載性能：①真空性能實(shí)驗(yàn)：漏氣率、極限真空度、真空室抽氣到1 Pa 需要的抽氣時(shí)間等;②控制性能實(shí)驗(yàn)：真空泵的運(yùn)轉(zhuǎn)、閥門的開啟、關(guān)閉、測(cè)量?jī)x表的運(yùn)行、加料量的控制、電極桿的運(yùn)行速度控制;③運(yùn)動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)：電極桿、拖錠車、真空罩等運(yùn)動(dòng)部件需要運(yùn)動(dòng)靈活。
(2)負(fù)載性能實(shí)驗(yàn)
?、偌釉?shí)驗(yàn)：首先實(shí)驗(yàn)在大氣壓下引弧，如果在大氣壓下引弧順利，再進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)在真空狀態(tài)下的引弧。真空度對(duì)于引弧會(huì)有什么影響?現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)還正在進(jìn)行中，目前的現(xiàn)象是真空度對(duì)于引弧有較大的影響。在相同的引弧劑和渣料的情況下，真空度在800 Pa 時(shí)引弧順利，600 Pa 時(shí)引弧困難，低于600 Pa 不能正常起弧。
?、?正常熔煉實(shí)驗(yàn)：改變真空度，考察真空度對(duì)熔煉過程的影響;改變電流、電壓，考察對(duì)熔煉過程的影響;改變?nèi)蹮捤俣?，考察?duì)熔煉過程的影響;改變冶煉鋼的品種，考察對(duì)熔煉過程的影響;改變?cè)呐浞?，考察?duì)熔煉過程的影響。
?、蹤z測(cè)冶金品質(zhì)：對(duì)各種實(shí)驗(yàn)方法得到的熔煉金屬錠，進(jìn)行微觀組織檢測(cè)(包括組織結(jié)構(gòu)、偏析程度、含氣量、非金屬夾雜等)，金屬性能檢測(cè)等。
?、芊€(wěn)定性能實(shí)驗(yàn)：考察設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性;冶煉金屬錠的組織、成分、性能的穩(wěn)定性;冶煉金屬過程對(duì)真空設(shè)備的影響等。
真空電渣冶煉技術(shù)、真空電渣爐都是新生事物，目前還不成熟、不完善、不盡如人意，需要發(fā)展、需要研究、需要冶金工作者的開發(fā)和扶植。發(fā)展真空電渣爐的途徑很多，本文談到的只是其中的一種，只是從機(jī)械設(shè)計(jì)與制造人員角度出發(fā)討論問題，所討論的問題可能有些片面，也可能會(huì)有不當(dāng)之處，僅供關(guān)心真空電渣爐發(fā)展的科技工作者參考。
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