[拼音]：zhenkong yejin

[外文]：vacuum metallurgy

在低于1大氣壓直至超高真空（從小于760托至10^-12托）條件下進(jìn)行的冶金過(guò)程，包括金屬及合金的冶煉、提純、精煉、成型和處理。目的主要在于：

（1）盡量減少金屬受氣相的污染；

（2）降低溶解于金屬中的氧、氫、氮等雜質(zhì)或較易揮發(fā)的雜質(zhì)元素（如鉛、鋅等）的含量；

（3）促進(jìn)有氣態(tài)產(chǎn)物產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)，以達(dá)到特定的冶煉效果；

（4）利用真空熔煉過(guò)程（真空自耗電極電弧爐、電子束爐等），可以避免由耐火材料容器（坩堝）帶來(lái)的不良影響。

真空冶金是在20世紀(jì)30年代末至40年代初隨著真空設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。第二次世界大戰(zhàn)期間及戰(zhàn)后，為了適應(yīng)軍事工業(yè)及尖端技術(shù)對(duì)高性能金屬材料及新型金屬材料的需要，真空冶金在工業(yè)先進(jìn)的國(guó)家得到迅速發(fā)展。中國(guó)的真空冶金是在50年代后期建立的。真空冶金已成為現(xiàn)代冶金技術(shù)的重要領(lǐng)域之一。

真空還原

即在真空下從礦石或化合物提取金屬。某些金屬的熱還原反應(yīng)產(chǎn)生氣態(tài)產(chǎn)物（一氧化碳、金屬蒸氣等），在真空下進(jìn)行這樣的反應(yīng)，往往可以采用比在常壓下低幾百度的溫度，從而取得經(jīng)濟(jì)上的良好效果。真空條件還能顯著地防止氣態(tài)金屬的再氧化。下面是這類過(guò)程的一些例子。

在10^-2托級(jí)壓力下，用含硅75％的硅鐵還原煅燒白云石，在1150℃左右即可得到鎂：

形成的氣態(tài)鎂在反應(yīng)器的較冷部位凝結(jié)。鈣和鋇則可在1200℃和10^-2～10^-3托壓力下用鋁從氧化鈣或氧化鋇還原而得：

還發(fā)展了用鋁或硅在真空下從氧化鋰或鋰礦石還原出鋰蒸氣的方法。與電解法比較，用真空熱還原法生產(chǎn)輕金屬的優(yōu)點(diǎn)是：

（1）可用的原料分布較廣；

（2）生產(chǎn)工藝較簡(jiǎn)單；

（3）電耗低；

（4）產(chǎn)品純度較高。

釩、鈮、鉭等也可用真空碳還原制得。真空熱還原法生產(chǎn)金屬是在電阻爐、感應(yīng)爐或用不同方式加熱的鋼制蒸餾器（如鎂還原爐）中進(jìn)行的。

真空蒸餾

即在真空下依靠不同金屬間蒸氣壓的差別，用蒸餾法精煉金屬或分離金屬。目前工業(yè)上將此法用于汞、鋅以及鎂、鈣、鈹?shù)木珶?。真空精煉的鈹?shù)募兌冗_(dá)99.97％;真空精煉的鋅可達(dá)光譜純。真空蒸餾法還用于從鉛中除鋅，從用鎂還原法生產(chǎn)的鈦中去除殘留的鎂及氯化鎂，以及將鉛錫、鋅銀、鋅鋁、鎂鋁等合金中的兩種金屬分離。堿金屬、堿土金屬、稀土金屬也都可以用真空蒸餾法分離和提純。在工業(yè)生產(chǎn)中，真空蒸餾法是在電阻爐或感應(yīng)爐中進(jìn)行的。

真空脫氣

鋼液真空處理是目前真空冶金中應(yīng)用最廣、規(guī)模最大的一種工藝方法。它最初(50年代)是為了從鋼中除去溶解的氫，以防止大型鋼鑄件中由氫引起的特殊裂紋（稱“白點(diǎn)”）而發(fā)展起來(lái)的，現(xiàn)在普遍用于脫氧、脫碳、提高合金添加劑的收得率、微調(diào)鋼的成分等（見(jiàn)鋼的脫氧反應(yīng)，鋼的去氣）。對(duì)于某些含碳量極低的鋼種（如純鐵、某些類型的不銹鋼、電器硅鋼等），為了避免煉鋼爐內(nèi)最后脫碳帶來(lái)的困難（延長(zhǎng)煉鋼時(shí)間、爐襯侵蝕等），可在真空處理過(guò)程中實(shí)現(xiàn)最后的脫碳。

由于鋼液真空處理的目的不同，處理的方式和所用的設(shè)備也多種多樣（見(jiàn)爐外精煉）。

真空熔煉

始于第一次世界大戰(zhàn)時(shí)期，用于小量熔煉鎳基合金、熱電偶材料及電阻發(fā)熱合金等。50年代鈦生產(chǎn)的要求及真空泵的改進(jìn)，進(jìn)一步促進(jìn)了真空熔煉的發(fā)展。70年代已有容量為數(shù)十噸以至百噸以上的真空熔煉設(shè)備，一些高級(jí)特殊鋼種的生產(chǎn)也采用真空熔煉工藝。真空熔煉的特點(diǎn)是爐料與大氣隔絕，所以能熔煉在高溫下易與氧、氮等氣體化合或?yàn)槠湮廴镜慕饘?。?duì)于鐵基、鎳基等材料，在真空熔煉常用的真空度下(10^-2～10^-4托)，除能脫除氣體外，還能通過(guò)揮發(fā)而除去金屬或合金中的蒸氣壓較高的微量雜質(zhì)。在真空條件下可以精確控制產(chǎn)品成分，必要時(shí)可以加入較大量的活性元素。這些都對(duì)提高合金性能和發(fā)展新型合金提供了條件。主要的真空熔煉裝置有真空感應(yīng)爐、真空自耗電極電弧爐和電子束爐（見(jiàn)電爐）。

真空感應(yīng)爐

是裝在真空室內(nèi)帶坩堝的高頻或中頻感應(yīng)電爐。為了不破壞真空而完成澆鑄，錠?；蜩T模也放在真空室內(nèi)。原料可以用新料（基體金屬和合金添加料），也可以用返回料。將原料裝入坩堝，同時(shí)配入大部分合金添加料，但有些元素（如錳）由于蒸氣壓較高，為了防止過(guò)多損失，應(yīng)在熔煉末期通過(guò)給料器加入。鈦、鋁、鋯、硼等活性大的金屬也在末期加入。在間歇式真空感應(yīng)爐中，整個(gè)操作周期（裝料、抽真空、熔化、精煉、澆鑄）結(jié)束后打開(kāi)真空室，取出鑄模裝入新模，然后開(kāi)始下一爐操作。為了提高作業(yè)率以降低成本，大型真空感應(yīng)爐本身與鑄模分別裝在互相連接但用閘門隔開(kāi)的兩個(gè)真空室內(nèi)，每次澆鑄后關(guān)閉閘門，待凝固完成后更換模子，而不破壞爐子本身的真空。因此出爐后，可以立即通過(guò)給料裝置裝入爐料，進(jìn)行下一爐熔煉。

真空感應(yīng)熔煉中，熔池與坩堝耐火材料接觸，可能發(fā)生反應(yīng)，從而影響提純效果。因此必須采用高級(jí)耐火材料作坩堝，通常用的是電熔鎂砂。真空感應(yīng)熔煉在高溫合金、高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼等生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，對(duì)現(xiàn)代航空、航天技術(shù)的發(fā)展有重要貢獻(xiàn)。還用于有特殊抗蝕和強(qiáng)度性能的不銹鋼、軟磁材料、導(dǎo)熱材料和其他特殊合金。

真空自耗電極電弧爐

是一種重熔裝置（圖1），將所需的金屬材料用其他方法冶煉并做成棒狀的自耗電極，通常是作為負(fù)極。另一個(gè)極（正極）是水冷的銅結(jié)晶器。自耗電極被兩極之間形成的低電壓（20～40伏）大電流電弧釋放的熱量熔化，并在結(jié)晶器內(nèi)凝固成錠。自耗金屬電極桿通過(guò)專門的密封裝置伸入爐內(nèi)，隨著電極的消耗不斷喂入，直到消耗完畢。爐內(nèi)壓力一般在10^-2～10^-4托，但電弧區(qū)的工作壓力由于放氣而要高得多，可能達(dá)0.1～1托。

真空自耗電極電弧爐與真空感應(yīng)爐相比有兩個(gè)重要的特點(diǎn)：

（1）熔煉過(guò)程中金屬不與耐火材料接觸，除一般金屬外，可以熔化熔點(diǎn)很高的金屬（難熔金屬）鎢、鉬、鈮、鉭和活性很高的金屬如鈦、鋯。

（2）爐料邊熔化邊凝固，得到的錠子可完全消除一般錠中常有的缺陷（即縮孔、中心疏松和偏析）。因此可以生產(chǎn)巨型錠。目前真空自耗電極電弧爐容量可熔煉重達(dá)百噸的錠。大型設(shè)備為了提高作業(yè)率，一般備有兩個(gè)交替使用的固定的結(jié)晶器，而上部爐體可以轉(zhuǎn)動(dòng)，與之配合（見(jiàn)二次重熔）。

除上述難熔金屬和活潑金屬及其合金外，真空電弧爐亦用于中合金、高合金特殊鋼及鎳基、鈷基合金。在特殊情況下，真空電弧爐也可以充氣工作，例如為了生產(chǎn)含氮合金鋼，可以在充氮條件下進(jìn)行重熔。

真空電子束爐

工作原理是在較高真空下（10^-4 ～10^-8托)用一個(gè)或數(shù)個(gè)電子槍發(fā)射出電子束，轟擊被熔物料（作為陽(yáng)極），使之熔化，并滴入一個(gè)水冷銅結(jié)晶器，凝固成錠（圖2）。為了保持結(jié)晶器內(nèi)熔體液面位置穩(wěn)定并增大錠重和提高爐子作業(yè)率，通常將結(jié)晶器作成無(wú)底的，用適當(dāng)?shù)臋C(jī)械裝置在重熔過(guò)程中將錠子以合適的速率連續(xù)地向下抽出。電子束的方向和形狀可以按需要調(diào)節(jié)，因此可以對(duì)結(jié)晶器內(nèi)熔池表面作必要地、均勻地加熱，也可以為此設(shè)專門的電子槍，以便給金屬的提純和非金屬夾雜物的浮出提供良好條件，能達(dá)到比其他真空熔煉方法更高的純凈度。電子束熔煉適于熔化鎢、鉬、鈮、鉭、鉿、鈹、鈦等金屬及其合金，高級(jí)合金鋼，高溫合金和超純金屬。它可以處理各種形態(tài)的原料：錠狀、棒狀、粉狀、粒狀、片狀或海綿狀（海綿鈦）。目前工業(yè)上應(yīng)用的電子束爐功率已達(dá)1200千瓦。

以上幾種真空熔煉方法，可以單獨(dú)使用，也可以聯(lián)合使用。例如，為了得到特別高的合金純度和性能，有時(shí)先用真空感應(yīng)爐熔煉，然后再用真空自耗電極電弧爐或電子束爐重熔一次。這類方法通常稱作“雙真空”熔煉。也可以用真空脫氣處理后的鋼作真空重熔原料。

鐵合金真空脫碳

用通常的碳還原法生產(chǎn)的鐵合金含碳量很高，工業(yè)上最早成功的真空冶金方法之一就是碳素鉻鐵的真空脫碳。在真空感應(yīng)爐中熔化碳素鉻鐵，加入鐵礦或鉻鐵礦，在1700℃和1～2托殘余氣體壓力下，就可以達(dá)到0.04％左右的碳含量。碳素鉻鐵也可以在固體狀態(tài)下真空脫碳（見(jiàn)鐵合金冶煉）。

其他應(yīng)用真空的冶金過(guò)程有：

（1）某些類型的粉末冶金壓制坯的燒結(jié)過(guò)程（如鉭、鈮制品）；

（2）某些銅、鈹、青銅及其他合金的熱處理；

（3）稀有金屬冶金中若干純鹵化物的蒸餾法生產(chǎn)；

（4）焊接；

（5）金屬鍍層──將鋁、鉻、鈹、銀蒸發(fā)，然后在鏡面上沉積；電容器生產(chǎn)中在絕緣材料表面上鍍鋅或鋁；在玻璃、織物或塑料表面上鍍鋁、鈹、鉻、銀或金。

參考書目

1. O.Winkler & R.Bakish，Vacuum Metallurgy，Else-vier，Amsterdam，1971.

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標(biāo)簽：真空冶金

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文章名稱：《真空冶金》

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