《特种冶金》
课程学习总结
特种冶炼的方法及原理概述
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提交日期：2012年10月20日
结合世界钢铁产业的现状，我们可以看到随着科技的进步，现代社会需求更多的不再是普通钢材，而是特种合金，因此，学习《特种冶金》的必要性就很明显了。在学习《特种冶金》的过程中，虽然学得有些仓促，但上课认真听讲，课下熟读课本，摘出重点，仔细体会，我也学到了许多理论知识，针对这本书而言，它主要阐述了特种冶金所采用的设备以及针对各种设备的特点所适合生产的产品。常用的特种熔炼方法包括感应炉熔炼、电渣熔炼、等离子弧熔炼、真空电弧熔炼和电子束熔炼等方式。特种冶炼是生产特种钢、高温合金、精密合金、高合金钢、难熔金属及合金、钛及钛合金、电热合金等高级合金的特殊而有效的方法。用特种冶炼方法生产的特种钢、精密合金、高温合金等特殊金属材料能够在高温、高压、高速度、高辐射以及高腐蚀等环境下稳定使用，其产品广泛应用于现代航空航天、电子技术以及海洋和能源等高科技领域中。
在此书中，它首先叙述了许多常见的并被广泛使用的金属功能材料，如磁性材料、电性合金、热膨胀合金、弹性合金、形状记忆合金、高温合金等，这些材料都是我们熟知的重要材料，一方面，引起了我们对《特种冶金》的重视并激发我们的阅读兴趣，让我们在生活中看到学习《特种冶金的》的重要性；另一方面，通过简单的举例也让我们在抽象的理论学习中明确了学习这本书的目的，让我们了解了它的研究方向。
这些特殊的金属材料主要通过感应炉熔炼、真空感应熔炼、电渣重熔、真空电弧重熔、等离子熔炼、电子束重熔等工艺生产出来的。
感应炉的工作原理依据法拉第电磁感应定律（E=BLvsinθ）和焦耳—楞次定律（Q=I²Rt）这两则电学基本定律。当一座无芯感应炉的感应线圈中通有频率为f的交变电流时，则在感应炉所包围的空间和四周产生一个交变磁场，该交变磁场的极性、磁感应强度和交变的频率，随着产生该交变磁场的交变电流的变化而变化。若感应线圈内砌有坩埚并装满金属炉料，则交变磁场的一部分磁力线将穿过金属炉料，磁力线的交变就相当于金属炉料与磁力线之间产生的切割磁力线的相对运动。因此，在金属炉料中将产生感应电动势，又由于金属炉料本身形成闭合回路，所以在金属炉料中形成电流，那么，根据焦耳定律炉料中就会产生大量的热量，从而使炉料熔化。按照电源的工作频率，可将感应炉分为工频、中频和高频三类。工频感应炉的电源频率为50Hz—60Hz，主要用在黑色冶金领域
作为熔化炉，熔化灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和合金铸铁。此外，还可以作为保温炉使用。电源频率为10—300kHz的感应炉称为高频感应炉。由于高频感应炉安全性差、电效率低，高频电磁波对无线电通信有干扰，所以高频炉的容量一般不超过100kg，一般作为科学研究实验炉。中频感应炉电源频率范围为150—10000Hz，主要用来熔炼钢和合金。与电弧炉相比，感应炉的特点有：1.电磁感应加热，杜绝了电极增碳的可能，而且没有电弧下的局部过热区，所以吸气的可能性减小，故可生产含碳量低、气体含量低的产品；2.熔池中存在着一定强度的电磁搅拌；3.熔池的比表面积小，减少金属氧化，有利于脱除杂质；4.输入功率方便调节，可以精确控制熔池温度；5.同一电源可向几个不同容量的炉座供电；
6.热效率相对较高；7.烟尘少，相对污染小；8.耐火材料消耗较高，坩埚寿命短。
真空感应熔炼（VIM）是在真空条件下，利用电磁感应在金属导体内产生涡流加热炉料进行熔炼的方法。新型真空感应熔炼又称为真空感应脱气浇铸VIDP，其具有熔炼室体积小，抽真空时间和熔炼周期短，便于温度压力控制、回收易挥发元素和准确控制合金成分等特点。真空感应炉熔炼法有以下特点：1.产品的气体含量低、纯洁度高；2.能精确控制产品成分含量；3.对原材料的适应性强；4.可在真空条件下浇注成锭，也可浇注成复杂形状的铸件，从而较好地解决已精炼钢液在成型过程中被再污染的问题。真空感应炉熔炼的整个周期可分为以下几个主要阶段，即装料、熔化、精炼、合金化和脱氧、浇注等。加料时，严禁使用潮湿的炉料，熔化期开始抽真空，精炼期提高液态金属的纯洁度及进行合金化，待坩埚里的金属液达到目标成分和温度，真空室内的真空度也符合技术要求的规定，则可以破真空，出钢。
电渣重熔法（ESR）是在水冷结晶器中，利用熔渣的电阻热来重熔自耗电极，生产高质量钢和合金的一种方法。其基本原理是当电流通过熔渣时，由于熔渣有较大的电阻，在熔池中产生强大的电阻热，从而使插入熔渣部分的自耗电极形成熔滴，在熔滴滴落瞬间，熔滴与电极末端产生瞬间的空隙，导致瞬间电弧放电，击碎熔滴，分散成细小的金属熔滴穿过渣层而聚集进入金属熔池中。从原理中我们就可以看出电渣重熔具有一系列的优越性：1.重熔金属能被熔渣有效精炼；
2.改善金属锭的结晶条件，提高金属的成材率；3.设备简单，生产费用低，操作易握；4.产品品种多，应用范围广；5.能精炼出不同截面的金属锭，还可以生产
出空管和熔铸不同形状的铸件。电渣重熔法有一些不足之处，如生产率低、电能消耗高、钢种化学成分不易准确控制、去气效果差。
真空电弧重熔是在无渣和低压环境下，利用金属电极与被熔化的金属熔池之间产生的直流电弧的高温作用将自耗电极逐层熔化并在电极的端部形成金属液滴的。该金属液滴在通过高温弧区进入金属熔池的过程中，被高温电弧迅速加热，得到净化和精炼，并在水冷结晶器中凝固。真空电弧炉分自耗和非自耗两大类。后者是指这种真空电弧炉所用的电极是一种耐高温的导体，常用的有钨和石墨等，被熔炼的金属放在结晶器中，依靠电弧的热量将这些金属熔化并得到精炼。在熔化过程中，电极本身不消耗或消耗很少，所以称为非消耗。自耗电弧炉是将被熔炼的金属做成电极，在燃弧过程中，电极以一定的速率熔化并得到精炼，所以这种类型的电弧炉称为自耗电弧炉。生产钢和合金的真空电弧炉绝大多数是自耗电弧炉。
等离子体熔炼是利用等离子弧作为热源的，既可熔炼金属材料，又可熔化非金属材料，主要用于金属材料的精炼以及熔炼高纯度和特殊性能的钢和合金，尤其是高温合金和精密合金的生产。按照加热方式，等离子熔炼主要包括等离子电弧熔炼、等离子感应炉熔炼、等离子电弧重熔、等离子电子束熔炼等。在一般条件下，气体是中性的，当给气体原子的外层电子以一定的能量时，则外层电子便会脱离原子核的吸引变成自由电子，而原子变为正离子，形成等离子体。这些离子在外加电场中做定向运动，气体导电截面收缩得比较小、能量相对集中，从而形成一种压缩电弧，等离子枪通工作气体，由于气流的稳定作用，加之弧柱的密度大，使等离子弧具有较强的稳定性。因此，等离子熔炼的优越性也就很明显：
1.熔化速度快，热效率高;2.去除气体和非金属夹杂物较充分；3.合金元素烧损少；
4.工作电流、电压稳定；5.可以在不同的气氛、压力下工作；6.可造渣精炼；7.避免增碳的可能性；8.元素蒸发量较小；9.可使金属渗氮；10.设备简单，易于调节温度；11.重熔的炉料范围较广。
电子束重熔法是在高真空的条件下，利用电子枪发射出高速的电子束作为热源轰击出被精炼的金属料，将电子束所具有的动能转化为热能，从而使金属熔炼、提纯的一种熔炼方法。金属被熔化成金属液滴并在水冷结晶器中凝固成形。电子束熔炼是在高真空状态下进行，熔炼时过热温度高，维持也太时间长，使金
属的精炼提纯作用得以充分有效进行，可以脱气、脱氧、挥发去除杂质。在下引铸锭过程中，不溶杂质上浮富集在锭头顶部，高熔点金属富集在外表面，去掉铸锭顶部及精整去掉外表皮可得到高纯的金属铸锭。电子束重熔法的工作原理与真空二极管相似，即阴、阳两级置于一个真空室内，分别连接在直流电源的负极和正极上。当阴极用其他电源通电加热后，温度提高，在阴极材料中有自由电子因受热而被激发逸出。若此时的阴极和阳极被接通一定电压的直流电源，则激发出的电子就处于一定强度的电场作用下，被加速并射向阳极。在电子束重熔炉中，借此高温的电子流轰击阳极金属料，将电子的动能在阳极上转换成热能，从而加热和熔化阳极。通过电子束熔炼，钢的主要优点是金属和非金属杂质以及杂质元素极大减少，采用连续流熔炼或冷床精炼特殊钢和超耐热合金，可以大大减少生产成本。
以上是对特种冶炼的简单概述，我们了解特种冶炼的基本方法和原理，针对不同产品的要求，从成分控制、纯洁度、铸态组织去分析和解决钢和合金的冶炼质量问题，合理选择冶炼工艺，可改善钢和合金的性能，提高产品的综合质量，从而生产出满足现代社会对科技含量要求越来越高的产品。
