有色金属真空冶金技术的开发和应用

张雪冰

摘 要：文章对有色金属真空冶金技术特点如金属反应受气体影响较小、把控系统内外物质流動及生产过程污染度较低等进行分析，并对真空冶金的几种开发技术如真空还原、真空蒸馏、真空脱气及真空烧结等进行阐述，真空冶金技术的应用，是将真空技术的广泛应用及技术进步作为基础。因此，文章以真空熔炼、铸造领域中的冷坩埚真空感应熔炼炉应用及真空热处理领域中的新型电子束熔炼为例进行具体分析，望以此推动我国冶金技术进一步发展。

关键词：有色金属；真空冶金技术；真空蒸馏；真空烧结；真空脱气

中图分类号：TF13 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）32-0159-02

Abstract： The technical characteristics of vacuum metallurgy of nonferrous metals， such as less influence of gas on metal reaction， material flow inside and outside the control system， and low contamination in production process， are analyzed in this paper. Several development technologies of vacuum metallurgy such as vacuum reduction， vacuum distillation， vacuum degassing and vacuum sintering are expounded. The application of vacuum metallurgy technology is based on the extensive application and technical progress of vacuum technology. Therefore， the application of cold crucible vacuum induction melting furnace in the field of vacuum melting and casting and the new type electron beam melting in the field of vacuum heat treatment are analyzed in detail in order to promote the further development of metallurgical technology in our country.

Keywords： nonferrous metals； vacuum metallurgy technology； vacuum distillation； vacuum sintering； vacuum degassing

自1960年后，真空冶金技术的成长、发展均较为迅速。因真空冶金技术的不断进步，相应的冶金设备质量也随之持续提升，发展趋势越发多样化、自动化及大型化。此外，高真空技术、超高真空技术也在金属冶金领域被广泛应用。目前，真空冶金涂层技术也随之发展，此项技术除可改变材料表面性能外，也逐渐成为新型材料的制作途径。

1 真空冶金技术特点

首先，金属反应受气体影响较小。因真空环境下气体稀薄，所以真空环境下的冶金操作受气体影响较小。金属于真空环境下熔化时，并不会溶解气体。当金属材料于真空环境下加热至一定温度时，无论是液态金属、固体金属均极少产生氧化现象，真空环境下的气体充分遵守理想气体方程。其次，真空系统可有效把控系统内、外物质流动。真空系统密度程度较高，同大气具有明显分隔。真空系统中，仅通过泵、管道将真空体系中的剩余气体送至大气中，大气却无法通过泵、管道进入真空体系，所以，真空环境下，可对系统内部物质、外部物质的流动进行完全控制。再次，生产过程污染度较低。金融材料操作环境需达到较高温度，此温度同真空室壁材料所需的软化温度相比较高，因此，金属材料加热系统需在炉内进行加热操作。所以，真空体系中并不存在因燃烧燃料所造成的环境污染问题。此外，氧化物、金属材料于真空体系中形成气体后，气体中分子高度分散或分子通常较小。真空环境中，多原子分子通常倾向于原子数量较少或原子较为分散的分子。一般情况下，气体分子粒径为10-10米。

2 真空冶金技术的开发技术

2.1 真空还原

于真空环境下，借助铝、硅及碳等还原剂，将金属氧化物、金属化合物进行还原，制取金属。真空环境下，还可对金属还原温度予以大幅度降低，以此完成部分于常压环境下难以完成的金属冶金作业。如以五氧化二铌的碳还原为例，常压环境下，碳无法完全还原铌，通常会反应生成多种碳化铌，还原最高温度为2834卡。而当真空环境为10-2帕时，还原温度为1956卡，真空环境为10-4帕时还原温度降至1694卡。其他金属元素如钛、钒、锆、钽、钼及钨的还原情况也同上述情况类似。真空环境下，还可借助碳、碳化物对碱金属、碱土金属进行还原。

2.2 真空蒸馏

真空蒸馏、精炼是借助真空蒸发工艺将有色金属中的杂质清除，提取金属中纯材料的一项技术。此项技术主要分为化学迁移反应法、真空蒸馏分离法两种工艺方式。化学迁移反应法即借助气体物质、金属两者反应所生成的化合物，将生成化合物转移至另一位置后，使化合物产生逆反应，反应生成纯金属、气体产物。真空蒸馏分离法为于真空环境下，依据不同金属间各蒸汽压的差别，借助挥发过程、冷凝过程对金属进行分离、提纯操作。工业领域中，多使用感应炉、电阻炉对有色金属执行蒸馏操作。

2.3 真空脱气

真空脱气即于真空环境下将有害气体如（氮、氧、氢等）从合金中、液态金属中脱去的工艺方式。此类有色金属通过脱气处理后，于金属熔铸时不会因金属自身所存气体而对金属结构造成影响。与此同时，因经脱气处理后的有色金属中晶粒边界所含杂质大幅度减少，有效提升金属强度，增强有色金属的物理性能。所以，真空脱气处理工艺为提升金属质量，改善金属物理性能、机械性能的重要方式。真空脱气处理工艺也成为有色金属真空冶金中应用范围最广，使用规模最大的金属工艺处理方式。

2.4 真空烧结

真空烧结为真空环境下，即真空度處于10～10-3帕间，可将合金、金属化合物、金属粉末于适当的低温环境下进行烧结操作，由此形成金属坯、金属制品。于真空环境下进行烧结，既不受金属与气体间二者反应的影响，也不存在吸附气体对此操作的影响。此操作环境所形成的金属坯、金属制品不仅具有良好的密化效果，同时也可起到还原、净化作用。此外，也可将烧结温度进行适当的降低，如可将烧结温度降低100℃-150℃左右，降低后的烧结环境同常温烧结环境相比，更加节能环保，同时也可有效延长真空烧结设备使用年限，也可对所得金属产品质量具有一定提升。

3 真空冶金的应用

真空冶金的主要应用领域为真空熔炼、铸造领域中的冷坩埚真空感应熔炼炉应用；真空热处理领域中的新型电子束熔炼；真空铸造领域中的倒包大气注锭应用；真空热处理领域中的电阻加热；表面处理领域中的活性气体腐蚀、超高真空加热等，下文主要针对冷坩埚真空感应熔炼炉、新型电子束熔炼进行详细分析，如下。

3.1 冷坩埚真空感应熔炼炉

冷坩埚真空感应熔炼炉主要是由真空熔炼炉、电磁感应加热电源、电控系统及真空一隋性气体系统四部分构成。其中，电源可为中频或高频，电源频率依炉料重量大小而进行相应调整，炉料越多则电源频率越低。此类熔炼炉一般使用导热性能较高的金属材料（如紫铜）制成，坩埚壁沿坩埚轴瓣间多数使用耐绝缘材料进行填充，也可选择不填充，填充与否依据实际情况进行改动。部分规模庞大的熔炼炉一般使用金属材料进行壳体制作；小型熔炼炉则大多使用非金属材料（如石英）进行壳体制作。底注式、翻转浇注式为金属壳体熔炼炉的两种主要结构。冷坩埚熔炼具有污染较小，所制作产品成分均匀等特点。除此之外，冷坩埚溶体温度均匀且易于控制，不会产生溶体局部过热现象。现阶段此技术被广泛应用于金属间化合物熔炼中。

3.2 新型电子束熔炼

电子束非间断性熔炼中允许将精炼、熔化、凝固分离。此种熔炼方式除可有效防止所熔铸金属中大部分非熔成分进行熔铸过程外，也可为熔化反应提供充足的反应时间，同时也可对金属中的杂质元素、残存物进行完全清除。但此熔炼过程中所存在问题为必须于炉料中补足Cr。据相关报道显示，此种熔炼方式中氧含量、氮含量明显降低，非金属类杂物也可借助水冷分液器被予以机械清除，或可通过电子束所具有的强烈热量将非金属类杂物进行分解，提升所制作材料的纯净度，同其他熔炼方法相比具有明显优势。电子束渣膜熔炼为金属液面于冷床中形成的渣膜，且此渣膜具有相应比例，同时渣膜未覆盖区域可有助于金属液进行脱气，而渣膜覆盖区域可有效降低因挥发所造成的损失，完成杂质清除操作。

4 结束语

我国现阶段有色金属冶金技术的不断提升，对相关冶金设备也具有较高标准，多种新型冶金技术也随之产生。于真空环境下进行冶金操作，既可有效清除金属材料中的杂质，提升所制备材料的纯净度，又可提升所制备材料的物理性能、使用性能。真空还原技术、真空蒸馏技术、真空脱气技术及真空烧结技术均为目前我国冶金技术中所开发的新型技术，上述技术于提升材料制作质量的同时，也可节约能耗，同我国所制定的可持续发展战略相符合。与此同时，我国冶金技术的发展也可在一定程度上推动我国工业领域的进步。

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