第三章真空熔炼原理与技术真空熔炼包括真空铸造，是一种生产难熔、稀有和活性金属的基本方法，也是获得高纯度、高质量金属材料的现代熔炼技术。真空冶炼的突出优点是能得到高纯洁度、高质量的熔铸合金，具有气体含量低、夹杂物少且尺寸小，加工性能优异等特点。高温合金，热电合金，磁性合金，活性金属钛、锆，难熔金属钨、钼、钽、铌，镍及其合金等，都采用真空重熔法生产。利用炉外真空处理，可降低熔体的气体和夹渣，提高铸锭质量。第2节真空熔炼热力学第1节概述真空熔炼有利于形成气相产物的化学反应进行，促进部分氮化物及氢化物的热分解，因而具有提纯作用强、杂质易挥发、去气效果好、脱氧能力强等特点。真空熔炼过程，反应在不断抽气的低压条件下进行，气体产物可及时排除，使化学反应始终按正向进行，气体在恒温条件下的状态方程：PV＝nRT，真空挥发过程的自由焓变化为：真空度越高，挥发物质的平衡分压越小，自由焓负值越大，反应越容易进行。第3节真空熔炼动力学3.1金属的挥发3.1.1金属的挥发过程真空熔炼的特点之一是熔体组成易于挥发。元素的挥发速度与该元素的蒸气压及活度成正比，金属挥发及烧损量随着温度升高、时间的延长而增大，且随着熔池面积的增大而增加。金属的挥发过程包括：原子从钢液内部通过边界层迁移到钢液表面，2.钢液表面发生从液相转变成气相的气化过程，以及逆反应凝聚过程，3.挥发物质通过气相边界层迁移到气相内部。图3.1铁液中各元素的挥发反应速度常数（kA）和传质系数（kd）3.1.2金属的传质系数真空下，钢液中元素的扩散系数和传质系数大致相同，约为0.02-0.03厘米/秒。粗线kd以下的元素，挥发反应速度常数小于传质系数，总的挥发过程由表面挥发反应所控制，元素在表面的浓度近似等于钢液内部的浓度。在粗线kd以上的元素，挥发反应速度常数大于传质系数，总的挥发过程由边界层传质速度所控制。在恒温下，若挥发过程由液相边界层扩散所控制，则i元素的挥发速度为：可见，熔池面积大，熔炼温度高、时间长，元素的挥发损失增大。K--传质系数，随温度升高及压力降低而增大，在保护气氛熔炼时，随着时间的延长而减小；3.2脱气真空脱气的特点是脱氢、脱氮效果好。脱气速度可用下式表示：积分后为：可知，真空感应炉的坩埚因熔池面积小且深度大，不利于挥发去气，但由于电磁搅拌作用，增大界面的表面积，故去气效果仍然较好。脱氮主要靠界面处氮化物的分解。提高真空度对脱氮有利，但对脱氢效果并不明显。实践表明：脱氢所需真空度并不高。--分别为熔体及界面处元素i的浓度；K--传质系数，d--界面层厚度；D--气体原子在熔体中的扩散系数；C0、C1–分别为：t＝0及t＝t时熔体中的气体浓度；C2--界面处熔体中的气体浓度。3.3脱氧氧化物分解压很低，提高真空度脱氧几乎不可能，只能靠脱氧剂进行脱氧处理。真空脱氧特点：所有形成气体产物的化学反应均能达到脱氧的效果，故脱氧反应可在较低温度下实现，且脱氧效果良好。碳作脱氧剂，可还原所有氧化物。碳在真空下的脱氧能力是在大气下脱氧能力的100倍，脱氧能力远高于铝、硅，其原因是碳的脱氧产物是CO气体。从动力学因素考虑，碳脱氧在熔体中形成CO气泡时，会受到炉气压力、液柱静压力及熔体表面张力的影响。采用碳及其它脱氧剂进行脱氧时，须注意以下几点：1）当熔体含有钛、锆、铌等时，采用碳脱氧可形成稳定碳化物，铸锭易形成闭合孔洞，使CO气泡不易逸出而使熔体脱氧不完全，并形成碳化物夹杂。2）真空熔炼时，碳与坩埚中A12O3相互作用，会使熔体中铝、硅增多，缩短坩埚寿命，熔体中的残留碳也会污染金属。应注意元素的烧损和补偿。如：含l％Zr的锆合金在电子束炉熔炼时，由于形成ZrO并挥发，使熔体中[O]由0.15％～0.2％降至0.02％～0.03％，但锆损失约90％，因此，应补充元素Zr。分别为基体金属氧化物和脱氧元素氧化物的蒸汽压，第4节真空感应炉熔炼技术4.1概况真空感应炉是在真空条件下，用感应电炉进行熔炼和浇注的一种方法。真空感应电炉炉体部分构造示于图3.2。图3.2真空感应炉工作原理1-绞盘，2—炉料，3,10—阀门，4—熔炼室，5—加料斗，6—感应器，7—弹簧，8—卸锭门，9—锭模，11—升降机构，12—旋转台，13—机械泵，14—扩散泵操作时，先打开炉盖，将炉料装入坩埚内，盖好炉盖．并加以紧固。然后开动真空泵，抽去炉壳内的