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技术:一种先进的清洁精细冶金技术-真空冶金

技术:一种先进的清洁精细冶金技术-真空冶金

“冶金”就是从矿物中提取金属或金属化合物,用各种加工方法将金属制成具有一定性能的金属材料的过程和工艺。冶金具有悠久的发展历史,从石器时代到随后的青铜器时代,再到近代冶金工业的建立和发展,人们不断探索各种工艺方法,以减少大气环境和杂质对金属材料冶炼的影响,但一直无法从根本上解决这一难题,直到真空冶炼技术的出现,才使冶金技术有了根本性的突破。

真空冶金技术的提出

我们都工作和生活在地球的大气环境之中,所从事的冶金过程自然也不例外,这也就是常见的“常压冶金”。这种传统冶金技术的历史非常悠久,早在公元前人们就早已能冶炼金属和铸造。

然而,受到这种环境的限制,妨碍了物质的气化,在冶炼和加工时大气中的O2,可能使金属和化合物氧化,活性金属甚至难以留存,液态金属还会溶解大气中的某些成分,这些都严重地影响金属材料性能的提高。另外,由于常压下的冶金过程向周围的环境开放,使冶金过程与大气环境造成内外物质交流,金属内部出现杂质,大气环境受到了污染。

随着真空技术的不断发展,在一些工业部门开始应用真空技术,之后它也扩张到冶金的技术工艺中,出现了真空冶金。早在19世纪末,真空冶金就被研究者们正式提出,而且在1917年,世界上出现了第一台真空感应炉,开始进行小型的试验研究。

20世纪初期,随着人们对材料的要求日益提高,真空冶金技术逐步得到了发展,1923年德国开始用真空感应炉熔炼镍基合金,1938年德国博丘姆·维尔恩(Bochum Veren) 钢厂开始在工业生产中进行液钢的真空脱气。


真空冶金技术特点和优势

广义上来讲,真空冶金指的是,在低于甚至远低于大气压力的“稀薄空气气氛”下,所发生的冶炼过程。而通常情况下,现在所说的真空冶金技术,一般的真空度在0.1~50 Pa。

真空冶金技术的使用是建立在真空技术的进步和广泛应用的基础之上的,工业和真空科学上的真空指的是,当容器中的压力低于大气压力时,把低于大气压力的部分叫做真空,而容器内的压力叫绝对压力。另一种说法是,凡压力比大气压力低的容器里的空间都称做真空。该技术主要具有如下几点特点:

1、有利于增容反应。由于真空冶金过程在气体压力极低的环境下进行,所以对增加容积的过程都非常有利,比如物质的汽化过程、有气体生成的化学反应过程等,在真空环境下发生这些反应,可以明显的加快反应速度或者降低反应所需的温度;

2、没有或者很少有气体参与反应。真空环境中气体稀薄,金属在真空中熔化时不会溶解气体,加热到较高温度时也不会被氧化,这些特性有利于制备出纯度更高的物质或材料,是真空冶金的一大优势;

3、系统内的物质流可控。真空冶金过程所处的环境是一个较为密闭的体系,与大气基本隔离,只经过管道和泵,将真空系统中的残余气体送入大气环境,大气不能进入真空系统,所以系统内的物质完全在控制之下;

4、没有燃料燃烧带来的环境问题。在真空冶金技术下,如果需要较高的温度,则加热系统要用电在炉内加热,因而该技术不会带来诸如SO2气体排放、烟尘等一些列对环境不友好的问题;

由于以上这些特点,使得真空冶金技术可以实现大气中某些无法进行的冶金过程,因此受到了即为广泛的研究和应用,是一种具有良好前景的新型冶金技术。


真空冶金技术应用领域

当真空技术被引进到冶金工艺以后,开始对各种材料进行了表面研究,使得真空冶金的研究和生产的领域更加广阔。几乎所有的冶金工艺,都可以加入真空技术,得到进一步的改进,而由于设备的限制和考量,目前已经成熟的研究领域主要包括:真空脱气、真空熔炼及铸造、真空热处理、真空焊接、真空还原以及真空表面处理等。下面对几种热门的真空冶金的主要应用领域做简单介绍。

真空脱气

真空脱气主要应用在钢水的处理中,常压冶炼的钢水中,一般都含有有害气体,使钢锭出现缺陷和钢材性能下降。早在19世纪就有人开始研究在减压下处理钢水,以脱出气体。到1952年左右,德国的冶金学家开始了钢水真空脱气的处理研究,解决了大型锻件中出现白点的问题,脱出H2、O2、N2等气体是钢水真空脱气的主要研究内容。

为了处理大量的钢水,又有研究者提出了提升式真空处理法和循环式真空处理法。其中循环式真空处理法将真空精炼与钢水循环流动结合起来,得到了世界各地钢厂的广泛推广应用。

真空感应熔炼

真空感应熔炼法多用于熔炼耐热钢、轴承钢、铁镍合金以及不锈钢等多种金属材料。这一方法可以使材料的断裂强度、温度韧性以及耐氧化性等都得到明显的改善,因此得到了钢铁厂家的广泛应用。

这种技术提出和应用都相对较早,后来随着真空抽气设备的大型化,该技术也想大型化发展。目前,已经可以实现在冶炼过程中不破坏真空,在装料、浇铸等过程中实现连续或半连续的真空感应熔炼。

真空电弧熔炼

真空电弧熔炼是在真空中利用电弧来加热熔炼金属的一种方法。真空熔炼工艺简单,但电极制备很重要,将原料加工成待用电极,其化学成分要合格,导电性要好。

这种方法还用于真空电弧凝壳熔炼和浇铸,随之发明了凝壳炉,这种新的炉型采用的也是电弧熔炼的方法,但客服了传统真空电弧炉不能铸型的不足,同时也消除了坩埚耐火材料对活性金属的污染问题。为了适应对高温活性金属的熔铸,后来在热源上又有了一定发展,开创了包括电子束加热、离子弧加热在内的一系列新方法。

除此之外,真空冶金还具有其他的应用领域,如真空蒸馏、真空区域熔炼等。

在有色金属冶金方面,真空冶金的实际应用不及钢铁冶金领域那么成熟,这就需要我们做更多的工作。

真空冶金技术未来发展

真空冶金技术在钢铁领域已经有了非常成熟的应用,但该技术却仍然存在着很大的潜力可以挖掘。笔者认为,真空冶金技术的发展应该集中在两个方向,即特种冶金和有色金属冶金先进技术。

昆明理工大学在2006年,以真空冶金领域拥有的自主创新成熟技术优势,受托组建真空冶金国家工程实验室,成为全国首批启动建设的3个实验室之一。

真空冶金国家工程实验室将围绕有色金属先进的真空冶金技术,开展稀有稀散金属提取与提成、有色金属二次资源再生等技术的研究,增强有色冶金产业的自主创新能力;突破新型真空反应器研制、高纯金属材料制备技术等关键技术,促进有色金属工业的技术进步和产业升级;建立有色金属真空冶金技术仿真验证和性能检测的专业实验设施,为企业技术开发提供支持;加强国内外的学术交流与合作,吸引、培养冶金行业的高水平工程技术研究人才。

该实验室已研发的具有自主知识产权的“铅锡真空分离”、“真空法从硬锌中回收锌和富集锗铟银”等十余项新技术及其配套设备,已大部分实现产业化,并应用于国内12个省区的41个企业,出口到南美和东南亚地区,标志着我国有色金属冶金领域的真空冶金技术正在向产业化、市场化的目标迈进。

随着科技水平的不断进步和发展,以及对材料性能的要求进一步提高,也对冶炼水平提出了更高的要求,真空冶金及时在这种形势下应运而生,成为了一种拥有广阔前景的新型冶金技术和具有广阔市场前景的技术。

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