有色金屬真空冶金的技術分析

張 勇

（廣東金泰達安全科技有限公司，廣東 廣州 510220）

傳統有色金屬冶煉技術在目前應用過程中存在著冶煉流程相對較長、資源消耗過高等缺陷，且煉制后資源回收率較低，同時在冶煉過程中產生的污染物同樣會影響自然環境。因此，促進了有色金屬真空冶金技術的發展。在真空條件下，由于氧氣含量很少，有色金屬在冶煉過程中不會出現氧化反應。

同時，利用真空對有色金屬與大氣中物質的交流進行控制，減少對環境的影響。有色金屬冶金技術的快速發展，讓其基本傳統有色金屬冶金技術無法比擬的優勢。真空冶金通過系統壓力低于大氣壓的條件下，在真空范圍中對有色金屬進行加工處理。真空處理技術能夠讓有色金屬中碳的脫氧能力得到加強，使其合金質量得到有效提升。因此，對有色金屬真空冶金的技術進行分析，從而充分發揮有色金屬真空冶金技術的優勢。

1 有色金屬真空冶金的技術

有色金屬真空冶煉技術主要利用真空實現對一切增容反應都產生有利影響，因此在反應過程中很少有氣體參加反應，從而實現對系統內外物質流動的控制，同時減少冶金過程中的污染[1]。有色金屬真空冶金技術的主要應用領域，如表1所示。

1.1 有色金屬真空還原原理

21世紀以來，有色金屬真空冶金技術的快速發展，讓其具備傳統冶煉方法無可比擬的優勢。有色金屬真空冶煉的工作原理為通過系統壓力與大氣壓較小的特性，在真空范圍對有色金屬礦物進行熔煉加工處理，其主要技術分為真空分離、真空蒸餾等。根據其項目類型對其進行詳細劃分，其大分類中主要分為真空蒸餾碳化、真空焊接、真空熱處理、真空脫氣以及真空熔煉與鍛造；其中分類主要分為溶液析出結晶、電阻加熱熔煉、電弧熔煉與鍛造以及感應加熱熔煉等；其細目類分為超真空感應加熱、電阻加熱以及電阻束加熱等。

表1 有色金屬真空冶金應用領域

想要實現有色金屬真空冶金，首先需要對用碳、鋁、硅等還原劑對有色金屬進行還原。在真空條件下大大降低還原溫度，完成在常壓下無法完成的作業。有色金屬真空還原在真空氣壓下，會對增容反應產生有利影響。首先會產生物質的氣化M凝聚態→M氣態，這一反應使有色金屬在發生氣化與蒸發過程中，使其在真空中沸點降低，在氧化物MO被還原劑還原后，R+MO凝聚態→M凝聚態→RO氣態↑，此時金屬氧化物被還原成液態、固態或氣態金屬。溶解后金屬放出氣體G金屬→G↑，金屬與氣體所生成化合物，并分解出氣體MG→M+G↑，實現金屬真空還原[2]。在真空條件下，能夠金屬還原速度進行加速或降低，經過熱力學分析，通過分離系數β來對有色金屬還原過程中的合金分析可能性進行判斷，如下所示：

vi不僅受到還原濃度影響，同時還會受到溫度影響。而其中蒸氣壓同樣受到溫度影響。β＞1時，其元素1在氣相富集，當β＜1時，則為液相富集，因此在β≠1時，可實現元素分離[3]。當β=1時，還原過程的蒸餾氣相與凝聚成分相同，所以不能完成元素分離。由于有色金屬真空熔煉所處環境的空氣壓力標準低于標準大氣壓，因此任何的增容反應都會對真空冶金技術產生積極影響，其常見的為添加氧化劑等方式，通過有關金屬氧化物還原為液態金屬或固態金屬。在真空環境下，這一反應過程會加快，且反應所需溫度降低。但就目前技術來說，很難實現完全真空環境，因此去技術中的真空環境為有色金屬冶金技術的必要條件。

1.2 有色金屬真空熔煉過程

有色金屬通過真空還原后，在真空條件下對有色金屬進行熔煉提純。根據有色金屬種類的不同，選擇真空感應熔煉、真空電弧熔煉、電渣熔煉以及電子束熔煉幾種方式進行金屬熔煉。針對高溫合金、超高強度鋼以及高強度鋼等，主要采用真空感應熔煉技術，即利用真空室內高頻感應爐或中頻感應爐對有色金屬進熔煉；針對鉬、鉭、鈮、鈦等有色金屬，則采用真空電弧熔煉技術，在真空條件下通過電流對金屬加熱熔化；對異性金屬鑄件或金屬提純主要采用點渣熔煉技術；而電子束熔煉即電子轟擊熔煉，則適用于各種有色金屬熔煉，在真空條件下利用陰極電子槍對熔物料進行轟擊，在將電子動能轉化為熱能過程中將爐料熔化。在真空狀態下，大氣中含氧量低于標準大氣壓，而其含氧量可通過技術進行人為控制。因此真空技術下，空氣越稀薄，氧氣的含量也越少，在對金屬進行冶煉時，氧氣和金屬的化學反應也就越弱。在這一環境下，有色金屬與氧氣化學反應較弱，這也使得金屬氧化問題得到有效解決，同時一些活性較強的其他活性含量較強氣體的含量也得到了降低。有色金屬真空熔煉過程，通過真空還原時金屬組分分離程度與成分，對A-B二元體系中氣質物質組分A的質量分數進行計算：

其中，Ag為氣相成分質量分數，A1與B1為液相成分質量分數，VB與VA為氣相組分的蒸汽密度。真空條件下，有很少氣體參與反應，有色金屬在熔煉過程中不會溶解氣體，且金屬在真空中加熱到較高溫度時，金屬極少會發生氧化。在同一溫度下，有色金屬真空提煉根據需要對技術與原料成分進行選擇，從而實現所需產品。

1.3 真空蒸餾與精煉

真空條件下對有色金屬進行提煉后，利用蒸餾與經典技術去雜質以實現材料提純[4]。有色金屬的蒸餾與提純，一種為在真空條件下依據不同金屬蒸氣壓之間的差別，通過揮發和冷凝過程實現對金屬的蒸餾與分離，這以方法主要在感應爐與電阻爐上進行蒸餾；另一種為化學遷移反應，利用氣體與金屬之間反應，將其遷移到另一部位后發生，從而生成氣體與純金屬。有色金屬蒸餾在傳統過程中，需要在高于金屬沸點溫度下進行，因此需要較高溫度。而且在蒸餾過程中，氧氣與金屬發生氧化反應。采用真空蒸餾與精煉，能夠將在解決氧化作用的同時，降低金屬蒸發反應，從而實現金屬的蒸餾與精煉。例如，鉛金屬沸點為1740℃，而在真空中則為1000℃左右，同時使其更快發揮。根據研究表明，有色金屬在真空中蒸發曲線為，如圖1所示：

圖1 金屬蒸發曲線

其中，P為氣體壓力，w為金屬蒸發速率（g·cm-2S-1）。金屬在真空中蒸餾與精煉，金屬的蒸發速率會隨著氣體壓力降低而增加，但隨著壓力降到Pcrit以下時，w不再增加。從而可以確定在真空中，蒸餾適應真空度略小于Pcrit。

1.4 真空燒結

有色金屬在蒸餾與精煉后，利用燒結技術在10～10-3帕真空條件下將金屬在低于熔點溫度條件下燒結成為金屬坯。在真空條件下，由于金屬不會對氣體發生反應，不會受到吸附氣體影響，且致密化效果更好，在起到凈化與還原作用的同時，降低燒結溫度。真空條件下可比常溫燒結降低100℃～150℃，在節省能耗的同時，提高燒結質量。在真空燒結過程中，當β≥1時，利用真空燒結能夠更好的將有色金屬中各成分進行有效分離。真空燒結作為一種物理過程，金屬在進入進料管后，一系列反應，從而實現燒結過程。且相對于傳統燒結過程，真空燒結消耗原料更少，對環境無污染，減少占地面積的同時增加金屬回收率。燒結過程需要較高溫度，因此加熱過程主要利用電在爐進行，真空系統中的SO2氣體排放與收塵等不會對環境造成污染。

1.5 真空脫氣與熱處理

在進行燒結后，真空條件下從液態金屬中對有害氣體進行脫氣。其脫氣處理后金屬，不會在以后的熔鑄過程中釋放有害氣體對整體金屬結構產生影響。使晶粒邊界的雜質減少從而提高金屬強度和物理性能。經過真空脫氣步驟，能夠有效改善金屬質量、金屬機械性能和物理性能，也是目前真空冶金中應用最為廣泛的一種工藝。傳統有色金屬冶金的必要條件為燃料使用，在燃料使用過程中會產生二氧化碳、硫化氣體等，對大氣造成污染。而在真空環境下，只需要在冶煉空間內進行相關工作，不僅降低了冶煉過程中對燃料的依賴，同時對其有害氣體的排放也能夠更好進行控制，使有色金屬冶煉技術的環保水平得到提升。

有色金屬在真空形成氣體后，金屬元分子更傾向于分解成較少的原子，形成氣體分子。為改善金屬的物理、化學性能，在進行脫氣處理后，在真空1～10-8帕條件下進行金屬熱處理，使其組織結構發生轉變。真空熱處理過程主要分為真空化學處理、真空退火以及真空淬火三種分類。真空化學處理常用于真空離子滲碳、真空碳氮共滲、真空滲碳以及真空滲鉻、等離子滲鈹等；真空退火則主要用于難熔金屬等；真空淬火則是在真空條件下對金屬進行加熱后在不同介質中進行冷卻。

1.6 真空鍍膜

在經過以上處理步驟后，在真空1～10-8帕條件下利用金屬濺射或蒸汽使金屬凝結于其他金屬材料上，從而形成金屬膜或覆蓋層。在有色金屬真空冶金技術中，常用的有有真空鍍鋁或錫，真空鍍鎘、鎳、鋯或不銹鋼。真空鍍膜過程主要根據其原料與目的不同，對鍍膜結構與材料進行調整。考慮到鍍膜元素金屬富集度，對其盡可能保證其產量與回收率。有色金屬鍍膜技術不僅能夠加強產品密封性、讓其應用流程簡化且使其使用過程更加智能化。考慮到真空環境下冶金產品密閉性不強的缺點，通過鍍膜技術降低氣體對冶金材料的影響。空氣遵循高壓不斷向低壓流動的規律，在范圍內達到氣壓平衡。且有色金屬真空冶金在未來發展向著更加智能化的方向發展，且已經成為各個材料應用的主流趨勢，對其環境與技術要求有著更高的要求。金屬鍍膜技術能夠解決外界環境對合金的影響，從而使有色金屬真空冶金技術具有更好的穩定性。

2 結語

隨著科技的不斷進步，各領域對有色金屬材料性能要求也越來越高。隨著冶金水平的不斷提升，真空冶金技術也在不斷發展。有色金屬真空冶金技術主要從高液態金屬提純與改善金屬結晶兩方面入手。

根據所需要生產的合金的種類與用途，從而選擇最佳冶煉方法。將冶金技術在真空條件進行，使冶金環境與條件在發生極大改變的同時從而實現以往無法實現的技術，如金屬蒸餾等，減少環境對冶金技術的影響。有色金屬真空冶金技術應用時間較短，其技術與設備都需要有待加強。真空冶金技術作為時代的產物，隨著各行各業對材料細節要求的提升，需要具有冶金過程擁有較好的環保優勢，從而為冶金技術提供更加廣闊的前景。