特種電冶金工藝技術的發展與應用

付 毅，趙義峰，康宏宇

（1.中國有色建設股份有限公司，北京 100070；2.武漢華科天元水務工程有限公司，湖北 武漢 430205；3.奎屯銅冠冶化有限責任公司，新疆 奎屯 833200）

隨著社會的不斷前進與發展，金屬材料在各行各業中的應用越來越廣泛，但是在金屬材料的部分應用場合對材料性能的要求較為嚴格，在這樣的發展背景下，合金以其優異的材料性能越來越被廣泛應用。合金材料是不同的金屬與其他組織按照一定的比例混合而成，有效的改善的材料的性能，從而滿足各種應用場合下的材料性能需求。在合金材料中，包含有多種金屬元素，其中還有些金屬的性質較為特殊，有的金屬難以熔融，有的金屬活潑性較強，無法采用傳統的熔煉方法對其進行提煉。隨著冶金技術的不斷發展，各種先進的特種電冶金工藝技術逐漸的被應用在了冶金行業中，例如：電子束熔煉技術、等離子熔煉技術、冷坩堝感應熔煉技術、冷床爐熔煉技術等，每一種特種電冶金工藝技術都具有各自的優勢與特點，能夠有效的彌補傳統熔煉方法對特殊金屬難以提煉的問題，在冶金行業的發展史上具有重要的里程碑意義，且具有良好的發展與應用前景。

1 電子束熔煉技術的發展與應用

1.1 電子束熔煉技術的發展

電子束熔煉技術是一種高壓電子束所產生的熱能來實現對金屬的冶煉方法，不僅具有熔煉溫度高的特點，而且產品的質量也十分的良好。在20世紀初，德國首先將這種熔煉技術應用在了金屬鉭的提煉當中來，與傳統的真空電弧爐重熔技術相比，電子束熔煉技術所提煉的鉭不僅具有較高的純度，而且其加工性能也十分的優異。但是，電子束熔煉技術的應用通常需要在高真空環境下來進行。由于早期真空技術發展較為緩慢，限制了電子束熔煉技術的廣泛應用。在20世紀中期，真空技術獲得了飛速的發展，與此同時，電子束熔煉技術也逐漸的向規模化應用發展，其中美國是最早將電子束熔煉技術進行規模化生產應用的國家。由于電子束熔煉技術具有純度高、產品質量好等優點，這一技術也逐漸的受到了世界上各個國家的廣泛關注，并相繼開展電子束熔煉技術的研究，有效地推動了電子束熔煉技術的進一步發展。

1.2 電子束熔煉技術的應用

電子束熔煉技術不僅可以有效地實現對金屬材料的提純而且能夠制取高質量的半導體材料與難熔金屬的單晶。一方面，電子束熔煉技術應用環境為真空，且電子束的能量可以調節，能夠有效的實現對熔池溫度的精準控制，從而保障產品的純度。另一方面，電子束熔煉技術在應用過程中可以實現對原件中非金屬雜志、氣體以及部分金屬雜質的去除，具有十分良好的提純效果。除此之外，由于電子束具有良好的可控性，可根據不同的應用需求，靈活的對電子束熱源進行調整，在此基礎上，電子束熔煉技術又衍生出電子束滴溶法、電子束熔模鑄造等多種精煉方法。在具體的應用中，熔化的金屬被滴入水冷鑄模中，不僅具有比傳統真空電弧熔煉更加優異的雜質去除效果，而且能夠實現對鑄錠的連續鑄造。

2 等離子熔煉技術的發展與應用

2.1 等離子熔煉技術的發展

等離子熔煉技術是一種利用等離子電弧所產生的熱能來實現對金屬冶煉的方法，主要用于特殊鋼、超低碳不銹鋼、高溫合金以及活潑和難熔金屬的生產。早在18世紀中期，就已經存在使用電弧來熔化金屬的方法，隨著技術的發展，金屬冶煉中電弧逐漸的被等離子弧來替代。在20世紀50年代末，美國一家公司研制了等離子電弧爐，與此同時，蘇聯、東歐等發達國家也相繼加入了等離子熔煉技術的研究當中來，有效地推動了等離子熔煉技術的發展。在20世紀80年代，等離子熔煉技術已經相對較為成熟，且等離子電弧爐的規模也越來越大。

2.2 等離子熔煉技術的應用

等離子熔煉可分為一次熔煉和二次重熔兩種方式。一次熔煉是用廢鋼和鐵合金或其他塊狀粗級金屬作原料，在耐火材料坩堝中熔化成金屬液的過程。二次重熔是將通過其他冶煉方法初煉的金屬或合金用等離子電弧重新熔化和精煉，并在水冷結晶器中凝固成錠的過程。等離子熔煉作為特種電冶金工藝技術的一個重要分支，普及度相比其他熔煉技術較低。一方面，等離子熔煉技術在應用前期需要投入的設備成本相對較高，而且在實際的生產應用中對各種材料的消耗也較大。另一方面，等離子槍的壽命較低，在應用過程中需要及時的更換損耗的等離子槍。因此，為了推動等離子熔煉技術的進一步廣泛應用，不僅需要進一步推動等離子熔煉設備技術性能的提升，還要注重研發高壽命的等離子槍，以降低等離子熔煉技術應用的成本，提升等離子熔煉技術的應用優勢。

3 冷坩堝感應熔煉技術的發展與應用

3.1 冷坩堝感應熔煉技術的發展

冷坩堝感應熔煉技術是一種利用高頻交換電磁場來實現對金屬冶煉方法，由于熔融金屬玉坩堝壁之間始終保持一種非接觸的狀態，所以能夠有效的避免坩堝材料對于熔煉金屬程度的影響。冷坩堝感應熔煉技術的雛形為感應渣熔煉技術，但是感應渣熔煉技術在應用過程中會有一定的熔渣混入熔體，影響到金屬的程度，這一問題導致感應渣熔煉技術沒有得到廣泛的應用。

為了避免熔渣對金屬材料的污染，很多公司都在加大對感應渣熔煉技術的研究力度。

在80年代初期，美國一家公司提出了利用高頻磁場來避免熔融金屬與坩堝壁進行接觸的一種熔煉方法，這種方法能夠有效地避免熔渣對于金屬材料的污染，而且在熔煉的過程中坩堝壁溫度為冷態，因此，這種技術被稱作為冷坩堝感應熔煉技術。

3.2 冷坩堝感應熔煉技術的應用

冷坩堝熔煉技術不僅可以實現對鈦、鎳、鉻、鎢等多種金屬的熔煉，還可以實現多種金屬間化合物的熔煉，例如：鎳鋁合金、鎳鈦記憶合金等。冷凝坩堝技術與連鑄技術相結合，能進行冷坩堝電磁連鑄技術，提高鑄錠表面質量，改善內部組織；與定向凝固和連鑄技術相結合的冷坩堝定向凝固技術，已成功進行鈦合金的定向凝固；與多晶硅制備技術相結合能連續制備多晶硅，雜質含量少；與霧化沉積技術相結合的冷坩堝霧化沉積技術，具有熔化合金種類多、適用范圍廣的優點。在冷坩堝感應熔煉技術的應用中，大型坩堝的結構形式通常采用平底直通式，這種結構能夠有效的減少坩堝的生產與制造成本，但同時也會帶來一定的弊端，即坩堝底部會殘留有較大的凝殼。而小型坩堝的結構形式通常采用拋物面型，不僅能夠有效的方便物料的攪拌，而且能夠增加熔體的懸浮力。另外，坩堝的分瓣數量也會對熔煉效果產生影響。

因此，需要合理的選擇分瓣數量，保證坩堝的整體結構強度，并減少對電磁場的屏蔽作用。瓣間應該留有一定的間隙，為凝殼的清理提供便利。

4 冷床爐熔煉技術的發展與應用

4.1 冷床爐熔煉技術的發展

真空電弧重熔技術在早期的冶金行業當中，被廣泛的應用于難熔金屬與活潑金屬的冶煉中，其中鈦與鈦合金的冶煉是最為典型的冶煉類型。

但是冷床爐熔煉技術在應用中難以有效地對鈦合金的疲勞裂紋進行去除，經常需要多次進行熔煉，不僅對能量的消耗較大，而且效率較低。在這樣的發展背景下，冷床爐熔煉技術逐漸的應用在鈦合金的冶煉當中，取代了傳統的真空電弧重熔技術。冷床爐熔煉技術在西方歐美國家的發展較為迅速，而且這種技術的鈦合金產能在總產能中占有很大的比重。與西方歐美國家相比，我國的冷床爐熔煉技術發展較為緩慢，其與國外存在有較大的差距，有待進一步的發展與提升。

4.2 冷床爐熔煉技術的應用

隨著冶金行業對熔煉質量要求的不斷提升，冷床爐熔煉在應用中也在不斷的向著高質量方向發展，例如：通過對冷床結構進行一定的優化，能夠使得熔煉質量更加的符合產品要求。另外，在傳統的冷床爐應用上，由于只有一個爐室，每一次熔煉開始之前都需要對冷床殼體進行冷卻，導致生產效率較為低下。

因此，在新型冷床爐熔煉技術的應用中，分為兩個爐室，分別實現對金屬鑄錠的熔煉冷卻與在此熔煉，保證熔煉的連續性，提升生產效率。除此之外，隨著智能化技術與自動化技術的飛速發展，冷床爐熔煉技術也應用中充分的利用了智能化與自動化技術，實現對工藝參數的智能控制、金屬成分自動取樣與分析、遠程的觀察與控制等功能，為保障金屬的熔煉質量奠定了重要的基礎。

5 結語

由上可知，隨著時代的前進，對金屬材料性能的要求也越來越，特種電冶金工藝技術在冶金行業當中的重要性也日益凸顯出來。

不同的特種電冶金工藝技術雖然在原理上存在著較大的差異，但其最終目的是實現對特殊金屬的高質量熔煉，從而為滿足金屬材料的性能需求提供服務。

總而言之，特種電冶金工藝技術在冶金行業具有廣闊的應用前景，這對于冶金行業的健康與可持續發展具有深遠的影響。