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。真空電渣爐的發(fā)展是冶金工作者關心的問題，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電渣熔煉基礎上發(fā)展起來的特種鋼熔煉技術。實現(xiàn)真空電渣熔煉技術的設備稱為真空電渣爐。真空電渣爐是提高冶金產(chǎn)品質量、改善冶煉產(chǎn)品品質、增加冶煉產(chǎn)品品種的先進冶金設備，具有很好的發(fā)展前景。然而，目前世界上只有少數(shù)幾個國家才有這種設備。我國至今還沒有這種設備上市，甚至在科研界，對這種設備的發(fā)展還具有爭論。本文站在支持新生事物的角度，對真空電渣爐的發(fā)展提出一些認識和策略。
1、真空電渣爐的誕生和發(fā)展現(xiàn)狀
20 世紀90 年代德國Hanau 城Leybold 公司綜合了真空電弧重熔的特點：對超級合金而言，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，而且容易形成白點及產(chǎn)生年輪狀偏析。同時，普通電渣爐熔煉金屬的特點如下：熔煉的合金具有良好的組織結構、純度高、脫除硫等非金屬夾雜物效果良好、不容易形成白點或產(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，氣體含量有時會增加。
考慮到真空電弧重熔與普通電渣重熔各自的優(yōu)缺點，德國ALD 真空工業(yè)有限公司開發(fā)了能利用兩者優(yōu)點、克服兩者缺點的真空電渣重熔技術與設備。并且利用真空電渣重熔設備生產(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模次成本對比。從表2 可以看到，隨著模具鋼質量的提高，盡管模具的生產(chǎn)總成本依次提高，但壓鑄件實際單個成本卻呈下降趨勢，真空電渣重熔鋼模具的實際單件成本僅為普通材料模具的45.5%，實際生產(chǎn)成本最低。
表1 Incone1718 合金真空電渣重熔前后的化學成分對比(wt%)
表2 不同冶煉方法鋼制模具的單個模次成本對比
這些事實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。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，專利說明該方法結合了真空感應電爐熔煉與真空電渣重熔兩種技術，被稱為雙聯(lián)技術。東北大學劉喜海等人成立了真空電渣爐研究小組，先后發(fā)表了幾篇有關真空電渣爐方面的文章。并且于2013 年3 月由劉景遠工程師設計，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，正在進行各種實驗研究。圖2 為該設備外形照片。
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：
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，物質的物理性質會發(fā)生改變，沸騰溫度會降低。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)都不會被氧化。
3)真空電渣重熔可實現(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)，必然增加設備的成本和運轉費用，但實際上并非如此。真空電渣重熔無廢水、廢氣、廢渣，對環(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)品的質量和銷售價格，效益好。因此，可以從長期使用真空電渣重熔的高度分析，實現(xiàn)了環(huán)保節(jié)能，提高產(chǎn)品質量節(jié)能，增加效益節(jié)能。綜合分析的結果，真空電渣重熔設備的投資和運轉費用增加可以忽略。
同時，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)等高端技術領域的應用。
但是，真空電渣爐的發(fā)展確實很慢，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產(chǎn)生，符合常規(guī)的電阻發(fā)熱定律。因此，應該確保渣阻與供給功率的電壓、電流之間的平衡關系。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系很復雜，把這種關系調到最佳值是操作者的技術。
(2)熔渣對非金屬材料是溶劑。當金屬電極進入渣池時，電極端部達到熔化溫度，就會形成金屬熔化膜，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又不影響渣的性質，為此，在重熔時必須連續(xù)調整渣成分。
(3)渣是電渣重熔工藝中的精煉劑。重熔過程中化學反應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于快速反應是最理想的。
(4)渣起到保護金屬免受污染的作用。由于金屬在渣層下熔化和凝固，已熔化的金屬不會與大氣接觸而氧化。
(5)渣能形成結晶器襯。由于水冷結晶器壁溫度維持在渣熔點溫度以下，熔渣與結晶器之間必定形成渣殼，這層渣殼起著結晶襯的作用。在真空條件與渣的聯(lián)合作用下，達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電導率值比較大;②熔點低，揮發(fā)物少，蒸汽壓低;③化學性質穩(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階段。甚至在研究無氟渣方面積累了豐富經(jīng)驗的蒂森特殊鋼公司克雷費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，研究無氟渣應探索解決這些問題的途徑。
(1)引燃問題。無氟渣熔點高、導電率低，引燃困難。應調整渣成分適當降低渣的熔點，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 共晶點附近，該共晶點附近液相線陡升。當液相渣成分稍微波動時，渣熔點變化顯著，影響鑄錠成形。因此使用無氟渣電渣重熔時輸入功率要穩(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、結晶器壁上的冷凝水以及渣中的結晶水反應形成羥基負離子(OH-)溶于渣中，再進一步以[H]溶于鋼中。同時無氟渣- 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，所以使用無氟渣應充分烘烤脫水，保持氣氛干燥，同時渣中可適當加入SiO2，以減少O2- 活度。
(4)球狀夾雜物的問題。德國加瑪爾試驗發(fā)現(xiàn)，用CaO-Al2O3 渣重熔合金結構鋼時，鋼中球狀夾雜物平均級別比用CaF2-Al2O3 渣重熔時高26.5%。前蘇聯(lián)梅多瓦爾試驗發(fā)現(xiàn)，CaO-Al2O3 渣重熔軸承鋼時，球狀夾雜物平均級別高一倍。根據(jù)定性分析， 這類夾雜物是鋁酸鹽鈣mCaO·nAl2O3，應考慮改變電極冶煉終脫氧制度和調整渣成分解決。
(5)關于工作電壓過高的問題。無氟渣的電導率低，使用無氟渣電渣重熔時，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，不但會影響真空冶金效果，而且還會影響真空電渣爐的設計與制造，甚至關系到真空電渣爐的發(fā)展、前途和命運。
2)真空電渣爐真空系統(tǒng)的設計
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)的設計既不同于真空電弧爐，也不同于真空感應爐。因為，真空電渣爐里有渣，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?是否需要設置冷凝器?電極桿與真空罩之間的動密封如何設計?是否會有磨損問題?等等，一系列的問題都需要認真研究解決。上述問題都是暫時無法解決的難題。
3、發(fā)展真空電渣爐的策略
任何事物的發(fā)展都不是一帆風順的。遇到難題就放棄的觀點是不科學的;看不到難題，盲目生產(chǎn)真空電渣爐也是不負責任的。新事物的成長都需要認真、耐心的去扶植，需要有人花時間去研究、探索。而探索的方法就是實踐，實踐是檢驗真理的唯一標準。
對于設計、生產(chǎn)真空電渣爐的實踐，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臺，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反應，渣與真空泵油是否會有化學反應。這些性能參數(shù)都是真空電渣爐設計計算必不可少的，這些研究都是基礎性的研究。
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。應該研究不同渣成分時的上述特性，配制、尋找適合真空電渣熔煉的、經(jīng)濟的、環(huán)保的新型渣系。
2)建立小型實驗用真空電渣熔煉系統(tǒng)
設計、制造小型真空電渣爐比較省錢，實驗用的設備比較靈活，可以隨時拆裝、改造;但是，必須功能齊全，特別是測試裝置的功能、精度要求可靠。
實驗用真空電渣爐裝配好后，需要進行真空冶煉實驗。具體的實驗方案，需要周密的編制，這里給出一種實驗方案，供使用者參考。
(1)空載性能實驗
設備安裝好后，在沒有加負載的情況下進行實驗，檢測真空電渣爐的空載性能：①真空性能實驗：漏氣率、極限真空度、真空室抽氣到1 Pa 需要的抽氣時間等;②控制性能實驗：真空泵的運轉、閥門的開啟、關閉、測量儀表的運行、加料量的控制、電極桿的運行速度控制;③運動性能實驗：電極桿、拖錠車、真空罩等運動部件需要運動靈活。
(2)負載性能實驗
?、偌釉嶒灒菏紫葘嶒炘诖髿鈮合乱。绻诖髿鈮合乱№樌龠M一步實驗在真空狀態(tài)下的引弧。真空度對于引弧會有什么影響?現(xiàn)在的實驗還正在進行中，目前的現(xiàn)象是真空度對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 時引弧順利，600 Pa 時引弧困難，低于600 Pa 不能正常起弧。
② 正常熔煉實驗：改變真空度，考察真空度對熔煉過程的影響;改變電流、電壓，考察對熔煉過程的影響;改變熔煉速度，考察對熔煉過程的影響;改變冶煉鋼的品種，考察對熔煉過程的影響;改變渣的配方，考察對熔煉過程的影響。
③檢測冶金品質：對各種實驗方法得到的熔煉金屬錠，進行微觀組織檢測(包括組織結構、偏析程度、含氣量、非金屬夾雜等)，金屬性能檢測等。
?、芊€(wěn)定性能實驗：考察設備長期運轉的穩(wěn)定性;冶煉金屬錠的組織、成分、性能的穩(wěn)定性;冶煉金屬過程對真空設備的影響等。
真空電渣冶煉技術、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，只是從機械設計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，也可能會有不當之處，僅供關心真空電渣爐發(fā)展的科技工作者參考。
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