真空熔炼技术课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,真空熔炼,本章内容要点,：,真空熔炼技术简介,真空熔炼的相关理论,真空熔炼设备介绍,真空熔炼本章内容要点：,第七章，真空熔炼,本课程内容目录：,7.1,真空熔炼技术简介,7.1.1,真空熔炼的特点,7.1.2,稀有金属熔炼的特点,7.1.3,真空熔炼对稀有金属的适应性,7.2,真空熔炼的理论基础,7.2.1,分解,7.2.2,脱氧,7.2.3,金属及非金属成分的挥发,7.2.4,坩锅与金属间的反应,第七章，真空熔炼本课程内容目录：,7.3,真空感应炉熔炼,7.4,真空电弧炉熔炼,7.4.1,真空电弧炉工作原理,7.4.2,真空电弧炉,7.4.3,真空自耗电弧熔炼过程,7.5,电子束炉熔炼,7.6,等离子炉熔炼,真空熔炼技术,7.1,真空熔炼技术的发展,7.1.1,真空熔炼的特点,根据熔体中,H,的溶解度与其分压的平方根关系：,式中：,S,为金属熔体中的气体溶解度；,P,为金属与气体接触处的气体分压；,K,为比例常数，与金属、气体及温度条件有关。,可见，（,1,）通过降低外界压力，就可以减少气体在金属熔体中的熔解,度，从而减少气体的含量具有除气作用；,（,2,）同时，根据分压差原理，通过降低压力使溶解在金属熔体,中的气体，有强烈的析出倾向具有除气作用；,（,3,）,并且,，生成的气泡在上浮过程中，能吸附非金属夹杂物带,出金属熔体具有除杂作用；,（,4,）另外，真空条件下，能减少金属熔体的氧化倾向具有防,止氧化作用。,7.1真空熔炼技术的发展,7.1.2,稀有金属熔炼的特点,（,1,）,具有较高的熔点，其中，钨、钼、钽、铌被称为四大难熔金,属,(3380, 2620, 3410 , 2468),，在熔炼时需要较高的加热温度，,增加了氧化、吸气、造渣的危险；,（,2,）具有较高的化学活性，特别是与氧、氮和氢等间隙元素的亲,和力大，具有很强的氧化和吸气倾向；,（,3,）间隙元素对稀有金属的加工性能和使用性能的影响极其敏感，,氧、氮和氢三大元素的含量大于,0.0350.045%,时，则难以加,工变形。,7.1.3,真空熔炼对稀有金属的适应性,（,1,）真空熔炼，能防止稀有金属受大气和耐火材料的污染；,（,2,）真空熔炼，可以获得气体与夹杂含量低，机械性能高，加工性好,的金属铸锭；,（,3,）采用真空电弧熔炼，可以获得,2000C,以上的高温，保证了稀有金属熔,炼所需的高温条件。,7.1.2稀有金属熔炼的特点,7.2,真空熔炼的理论基础,除了上述真空熔炼的特点： （,1,）通过降低外界压力，就可以减少气体在金属熔体中的熔解 度，从而减少气体的含量具有除气作用； （,2,）同时，根据分压差原理，通过降低压力使溶解在金属熔体 中的气体，有强烈的析出倾向具有除气作用； （,3,）并且，生成的气泡在上浮过程中，能吸附非金属夹杂物带 出金属熔体具有除杂作用； （,4,）另外，真空条件下，能减少金属熔体的氧化倾向具有防 止氧化作用。,还包括：,7.2.1,真空对化合物分解特点,当气体和夹杂以金属化合物形式存在时，是难以去除的，然而，在真空和高温条件下，它们容易分解形成气体，从而比较好去除。（见图,7,1,，氧化物生成自由能与温度关系曲线,）,7.2真空熔炼的理论基础,7.2.2,真空的脱氧特点,与氮化物、氢化物相比，氧化物的分解压很低，通常是,1.3310,-5,Pa,，远低于真空设备所能达到的真空条件，因此，只能靠加入脱氧剂（还原剂）脱氧。,脱氧剂包括：碳脱氧剂、氢脱氧剂和金属脱氧剂。,（,1,）碳脱氧剂在真空条件下，其脱氧能力是常压下的,100,倍，是一种真空强脱氧剂，其脱氧反应简式为：,C+OCO,由于真空条件下，生成的气体被逐渐的抽走，所以，使反应顺利进行。,（,2,）氢脱氧剂用氢还原金属氧化物的氧，其反应简式为：,H,2,+OH,2,O,当采用碳脱氧形成稳定的化合物的情况，适合采用氢脱氧法，但有一定的危险。,（,3,）金属脱氧剂加入一种高活性的金属，它与氧的亲合力大，从而使氧化物还原，并形成低熔解度的稳定氧化物，达到脱氧的目的。,7.2.2 真空的脱氧特点,按合金元素与氧的亲和力的大小，由大到小依次排列为：,BeLiMgNaCaAlTiSiMn CrZnFeNiCu,Al,以上的与氧亲和力大，是表面活性元素,按合金元素与氧的亲和力的大小，由大到小依次排列为：BeL,7.2.3,真空使金属及非金属挥发的特点,真空熔炼不仅使易挥发（蒸汽压大）的金属挥发，而且使蒸气压较小的杂质及某些氧化物也能挥发。因此，真空熔炼的重要问题之一是如何控制挥发速率及其损失，可以利用此种特性，去除杂质元素，净化金属熔体，同时，为了控制合金元素的含量不受损失，通常在真空熔炼后期加入易挥发的合金元素，也可以在添加合金元素时，向炉内充入一定压力的惰性气体。,7.2.3,真空条件下坩锅与金属熔体的反应情况,真空条件下，促进了坩锅与熔体的反应，而使耐火材料损坏和金属熔体污染增氧。,例如，熔炼含,Ti,的金属熔体时，与,SiO,2,及,Al,2,O,3,耐火材料反应：,SiO,2,Ti 2SiO+TiO,2,真空条件下，,SiO,不断溢出，从而促进了反应的进行。,同样，,Al,2,O,3,Ti 4/3Al+TiO,2,Al,2,O,3,3C 3CO, +,2 Al,7.2.3 真空使金属及非金属挥发的特点,7.3,真空感应炉熔炼,1,绞盘；,2,炉料；,3,闸门；,4,熔炼室；,5,加料斗；,6,感应器；,7,弹簧；,8,卸锭门；,9,锭模；,10,闸门；,11,升降机构；,12,旋转门；,13,机械泵；,14,扩散泵。,真空感应电炉结构图,7.3真空感应炉熔炼1 绞盘；真空感应电炉结构图,7.3.1,真空感应熔炼的工作原理：,（,1,）加热采用无铁芯的感应熔炼炉（两吨以下的真空熔炼炉，通常采用,5004000Hz,的中频电源，大型电炉多采用三倍工频或工频电源）；（,2,）熔炼炉装在一个真空室中，炉料在真空或惰行气体中熔炼，真空系 统采用初级真空泵和增压泵抽取真空，并由真空阀门和检测仪表组 成，对于采用油增压泵和罗茨泵并联的真空系统，其真空度可达,0.06Pa,；（,3,）在水冷条件下，对感应加热器及结晶器进行冷却处理；（,4,）并在真空条件下，熔炼和浇铸金属熔体。,7.3.2,真空感应熔炼的特点：,（,1,）净化效果好，是熔炼金属或合金的含气量低；（,2,）合金元素的氧化损失小，氧化夹杂少；（,3,）可以不用覆盖剂，熔体不易被氧化；（,4,）能提高金属或合金的机械性能和塑性成形能力。,7.3.1真空感应熔炼的工作原理：（1）加热采用无铁芯的感,7.4,真空电弧炉熔炼,7.4.1,真空电弧熔炼的工作原理：,电弧熔炼是利用电弧放电产生的高温来熔炼金属，并在真空条件下，实现熔体的脱氧、杂质挥发和夹杂分解等熔体净化过程。 （,1,）电弧：,1,阴极区；,2,弧柱区；,3,阳极区；,4,温度曲线；,5,聚弧；,6,边弧；,7,爬弧；,8,阴极斑点；,9,自耗电极；,10,铸锭。,7.4真空电弧炉熔炼7.4.1真空电弧熔炼的工作原理：,1,阴极区,=,阴极斑点负刷暗区；,2,弧柱区,=,弧柱负弧焰；,3,阳极区,=,阳极斑点正刷,。,电弧分区,阴极斑点为：阴极表面发射的电子是在局部区域发射的，并在该区域显示出,光亮的轮廓，成为阴极斑点或发射辉点，具有游动的特点（发射电子逸出功,最小的区域移动）。,典型的螺旋型电弧图片,1 阴极区= 阴极斑点负刷暗区；2 弧柱区=,弧柱：弧柱是电弧的主体，它是电弧中温度最高的区域，比阴极斑点和阳极斑点的温度还高，其温度的高低与气体的导电性和电离势有关，同时，压力对电弧的温度和稳定性影响非常大，压力增加，弧柱断面积减小，电流密度增大，其温度增加，当压力在,10KPa,4KPa,时，电弧的稳定性较好，当压力低于,4KPa,时，电流密度降低，弧柱分散，出现爬弧现象（电弧出现在电极侧面和坩锅之间），使电弧热量分散，不足以使熔池内的金属熔化，使电弧稳定的临界压力为,13KPa66KPa,之间，此压力下的电弧成为“真空电弧”此时，弧区完全由金属蒸汽代替原来的气体来支持电弧。阳极斑点：位于阳极表面，其外观与阴极斑点有些相似，是接收电子和负离子的地方，阳极斑点是电子和离子的轰击区域，其温度高于阴极斑点，,（,2,）电弧的稳定性：,电弧受气体和磁场影响会出现吹偏的现象，通常在结晶器外设置稳弧线圈，线圈产生与电弧平行的纵向磁场，磁场强度对电弧起压缩作用，以保持电弧的稳定性，同时，电弧旋转也带动熔池旋转，使成分分布均匀，改善铸锭表面质量，并且，结晶核心增加，阻碍一次晶粒生长，具有细化晶粒作用。,弧柱：弧柱是电弧的主体，它是电弧中温度最高的区域，比阴极斑点,7.4.2,真空电弧熔炼的结构：,1,电缆；,2,水冷电杆；,3,炉壳；,4,夹头；,5,过渡极；,6,真空管道；,7,自耗电极；,8,结晶器；,9,稳弧线圈；,10,电弧；,11,熔池；,12,铸锭；,13,冷却水；,14,冷却水口。,真空电弧炉结构图,真空电弧分为：自耗和非自耗型,电弧的工作电压：,20,28VDC,电流：几千到几万安培,7.4.2真空电弧熔炼的结构： 1 电缆；真空电弧炉结构,7.4.3,真空自耗电弧熔炼的过程：,熔炼的全过程分为：引弧阶段、正常熔炼阶段、头部补缩阶段。（,1,）引弧阶段：使电弧引燃并形成一定深度的熔池；（,2,）正常熔炼阶段：熔炼并去除气体、金属夹杂物及有害杂质，使成分均匀化 改善结晶组织；（,3,）头部补缩阶段：尽量减少铸锭头部的缩孔和疏松现象，通常采用多级补缩 和低电流保温的工艺操作。,7.4.3真空自耗电弧熔炼的过程：熔炼的全过程分为：引弧阶,7.5,电子束炉熔炼,7.5.1,电子束炉的工作原理：,阴极表面发射的电子流，在电场作用下高速运动，并通过聚焦使电子流准确射向阳极，把高速电子的动能转化成热能，使阳极熔化。,电子束炉的结构原理图,1,电子枪罩；,2,钽阴极；,3,钨丝；,4,屏蔽极；,5,聚焦极；,6,加速阳极；,7,、,10,聚焦线圈；,8,栏孔栅；,9,阀门；,11,搁板；,12,结晶器；,13,铸锭；,14,料仓；,15,观察口,。,7.5电子束炉熔炼7.5.1电子束炉的工作原理：,电子枪的结构,7.5.2,电子束炉的基本特点：,电子束炉是电子束发射、真空熔炼和水冷坩锅铸锭三个主要技术的结合，其基本优点是：（,1,）高的真空度（,0.027Pa0.00027Pa),，对于难熔的金属,(,钨、钼、钽、 铌）中的蒸汽压较高的杂质（碳、钒、铁和硅等金属）挥发并去 除；（,2,）熔炼速度和加热速度可以在较大范围内调节，有利于液态金属中碳 和氧反应及扩散能力低的杂质，迅速扩散到金属表面；（,3,）功率密度高，溶池温度高，同时电子束的扫描，对金属溶池有搅拌 作用； 缺点是：（,1,）熔炼时金属容易挥发，成分控制困难；（,2,）熔炼炉结构复杂，造价和运行费用高；（,3,）电子束的高压（,2,万伏特,3,万伏特）加速电子流，产生,X,射线，对 人体有伤害。,7.5.2电子束炉的基本特点： 电子束炉是电子束,7.6,等离子炉熔炼,7.6.1,等离子炉熔炼的工作原理,：,1,等离子枪；,2,棒料；,3,搅拌线圈；,4,结晶器；,5,铸锭；,6,料槽；,7, 振动器；,8,料仓；,9,电源；,10,溶池；,11,等离子体；,12,钨电极；,13,非转移弧；,14,转移弧；,15,高频电源。,等离子炉的结构原理图,7.6等离子炉熔炼7.6.1等离子炉熔炼的工作原理： 1,等离子炉的工作原理,:,用直流电加热非自耗电极或中空阴极以产生电子束，将通过阴极附近的惰性气体离解，再以高度稳定的等离子弧从枪口喷到阳极炉料上使之熔化。,7.6.2,等离子炉熔炼的特点：,（,1,）温度高，能量集中，熔化速度快；（,2,）功率调节方便，工艺适应性好；（,3,）不完全依靠真空条件，可使炉内充填所需气体；（,4,）具有良好的脱气净化作用； （,5,）合金元素的烧损比较小；（,6,）电压低绝缘性好。,等离子炉的工作原理: 用直流电加热非自耗电,总结：,7.1,真空熔炼技术简介,7.2,真空熔炼的理论基础,7.3,真空感应炉熔炼,7.4,真空电弧炉熔炼,7.5,电子束炉熔炼,7.6,等离子炉熔炼,总结：,思考题：真空熔炼过程的动力学和热力学分析,思考题：真空熔炼过程的动力学和热力学分析,