特种电冶金工艺技术的发展与应用

付 毅，赵义峰，康宏宇

（1.中国有色建设股份有限公司，北京 100070；2.武汉华科天元水务工程有限公司，湖北 武汉 430205；3.奎屯铜冠冶化有限责任公司，新疆 奎屯 833200）

随着社会的不断前进与发展，金属材料在各行各业中的应用越来越广泛，但是在金属材料的部分应用场合对材料性能的要求较为严格，在这样的发展背景下，合金以其优异的材料性能越来越被广泛应用。合金材料是不同的金属与其他组织按照一定的比例混合而成，有效的改善的材料的性能，从而满足各种应用场合下的材料性能需求。在合金材料中，包含有多种金属元素，其中还有些金属的性质较为特殊，有的金属难以熔融，有的金属活泼性较强，无法采用传统的熔炼方法对其进行提炼。随着冶金技术的不断发展，各种先进的特种电冶金工艺技术逐渐的被应用在了冶金行业中，例如：电子束熔炼技术、等离子熔炼技术、冷坩埚感应熔炼技术、冷床炉熔炼技术等，每一种特种电冶金工艺技术都具有各自的优势与特点，能够有效的弥补传统熔炼方法对特殊金属难以提炼的问题，在冶金行业的发展史上具有重要的里程碑意义，且具有良好的发展与应用前景。

1 电子束熔炼技术的发展与应用

1.1 电子束熔炼技术的发展

电子束熔炼技术是一种高压电子束所产生的热能来实现对金属的冶炼方法，不仅具有熔炼温度高的特点，而且产品的质量也十分的良好。在20世纪初，德国首先将这种熔炼技术应用在了金属钽的提炼当中来，与传统的真空电弧炉重熔技术相比，电子束熔炼技术所提炼的钽不仅具有较高的纯度，而且其加工性能也十分的优异。但是，电子束熔炼技术的应用通常需要在高真空环境下来进行。由于早期真空技术发展较为缓慢，限制了电子束熔炼技术的广泛应用。在20世纪中期，真空技术获得了飞速的发展，与此同时，电子束熔炼技术也逐渐的向规模化应用发展，其中美国是最早将电子束熔炼技术进行规模化生产应用的国家。由于电子束熔炼技术具有纯度高、产品质量好等优点，这一技术也逐渐的受到了世界上各个国家的广泛关注，并相继开展电子束熔炼技术的研究，有效地推动了电子束熔炼技术的进一步发展。

1.2 电子束熔炼技术的应用

电子束熔炼技术不仅可以有效地实现对金属材料的提纯而且能够制取高质量的半导体材料与难熔金属的单晶。一方面，电子束熔炼技术应用环境为真空，且电子束的能量可以调节，能够有效的实现对熔池温度的精准控制，从而保障产品的纯度。另一方面，电子束熔炼技术在应用过程中可以实现对原件中非金属杂志、气体以及部分金属杂质的去除，具有十分良好的提纯效果。除此之外，由于电子束具有良好的可控性，可根据不同的应用需求，灵活的对电子束热源进行调整，在此基础上，电子束熔炼技术又衍生出电子束滴溶法、电子束熔模铸造等多种精炼方法。在具体的应用中，熔化的金属被滴入水冷铸模中，不仅具有比传统真空电弧熔炼更加优异的杂质去除效果，而且能够实现对铸锭的连续铸造。

2 等离子熔炼技术的发展与应用

2.1 等离子熔炼技术的发展

等离子熔炼技术是一种利用等离子电弧所产生的热能来实现对金属冶炼的方法，主要用于特殊钢、超低碳不锈钢、高温合金以及活泼和难熔金属的生产。早在18世纪中期，就已经存在使用电弧来熔化金属的方法，随着技术的发展，金属冶炼中电弧逐渐的被等离子弧来替代。在20世纪50年代末，美国一家公司研制了等离子电弧炉，与此同时，苏联、东欧等发达国家也相继加入了等离子熔炼技术的研究当中来，有效地推动了等离子熔炼技术的发展。在20世纪80年代，等离子熔炼技术已经相对较为成熟，且等离子电弧炉的规模也越来越大。

2.2 等离子熔炼技术的应用

等离子熔炼可分为一次熔炼和二次重熔两种方式。一次熔炼是用废钢和铁合金或其他块状粗级金属作原料，在耐火材料坩埚中熔化成金属液的过程。二次重熔是将通过其他冶炼方法初炼的金属或合金用等离子电弧重新熔化和精炼，并在水冷结晶器中凝固成锭的过程。等离子熔炼作为特种电冶金工艺技术的一个重要分支，普及度相比其他熔炼技术较低。一方面，等离子熔炼技术在应用前期需要投入的设备成本相对较高，而且在实际的生产应用中对各种材料的消耗也较大。另一方面，等离子枪的寿命较低，在应用过程中需要及时的更换损耗的等离子枪。因此，为了推动等离子熔炼技术的进一步广泛应用，不仅需要进一步推动等离子熔炼设备技术性能的提升，还要注重研发高寿命的等离子枪，以降低等离子熔炼技术应用的成本，提升等离子熔炼技术的应用优势。

3 冷坩埚感应熔炼技术的发展与应用

3.1 冷坩埚感应熔炼技术的发展

冷坩埚感应熔炼技术是一种利用高频交换电磁场来实现对金属冶炼方法，由于熔融金属玉坩埚壁之间始终保持一种非接触的状态，所以能够有效的避免坩埚材料对于熔炼金属程度的影响。冷坩埚感应熔炼技术的雏形为感应渣熔炼技术，但是感应渣熔炼技术在应用过程中会有一定的熔渣混入熔体，影响到金属的程度，这一问题导致感应渣熔炼技术没有得到广泛的应用。

为了避免熔渣对金属材料的污染，很多公司都在加大对感应渣熔炼技术的研究力度。

在80年代初期，美国一家公司提出了利用高频磁场来避免熔融金属与坩埚壁进行接触的一种熔炼方法，这种方法能够有效地避免熔渣对于金属材料的污染，而且在熔炼的过程中坩埚壁温度为冷态，因此，这种技术被称作为冷坩埚感应熔炼技术。

3.2 冷坩埚感应熔炼技术的应用

冷坩埚熔炼技术不仅可以实现对钛、镍、铬、钨等多种金属的熔炼，还可以实现多种金属间化合物的熔炼，例如：镍铝合金、镍钛记忆合金等。冷凝坩埚技术与连铸技术相结合，能进行冷坩埚电磁连铸技术，提高铸锭表面质量，改善内部组织；与定向凝固和连铸技术相结合的冷坩埚定向凝固技术，已成功进行钛合金的定向凝固；与多晶硅制备技术相结合能连续制备多晶硅，杂质含量少；与雾化沉积技术相结合的冷坩埚雾化沉积技术，具有熔化合金种类多、适用范围广的优点。在冷坩埚感应熔炼技术的应用中，大型坩埚的结构形式通常采用平底直通式，这种结构能够有效的减少坩埚的生产与制造成本，但同时也会带来一定的弊端，即坩埚底部会残留有较大的凝壳。而小型坩埚的结构形式通常采用抛物面型，不仅能够有效的方便物料的搅拌，而且能够增加熔体的悬浮力。另外，坩埚的分瓣数量也会对熔炼效果产生影响。

因此，需要合理的选择分瓣数量，保证坩埚的整体结构强度，并减少对电磁场的屏蔽作用。瓣间应该留有一定的间隙，为凝壳的清理提供便利。

4 冷床炉熔炼技术的发展与应用

4.1 冷床炉熔炼技术的发展

真空电弧重熔技术在早期的冶金行业当中，被广泛的应用于难熔金属与活泼金属的冶炼中，其中钛与钛合金的冶炼是最为典型的冶炼类型。

但是冷床炉熔炼技术在应用中难以有效地对钛合金的疲劳裂纹进行去除，经常需要多次进行熔炼，不仅对能量的消耗较大，而且效率较低。在这样的发展背景下，冷床炉熔炼技术逐渐的应用在钛合金的冶炼当中，取代了传统的真空电弧重熔技术。冷床炉熔炼技术在西方欧美国家的发展较为迅速，而且这种技术的钛合金产能在总产能中占有很大的比重。与西方欧美国家相比，我国的冷床炉熔炼技术发展较为缓慢，其与国外存在有较大的差距，有待进一步的发展与提升。

4.2 冷床炉熔炼技术的应用

随着冶金行业对熔炼质量要求的不断提升，冷床炉熔炼在应用中也在不断的向着高质量方向发展，例如：通过对冷床结构进行一定的优化，能够使得熔炼质量更加的符合产品要求。另外，在传统的冷床炉应用上，由于只有一个炉室，每一次熔炼开始之前都需要对冷床壳体进行冷却，导致生产效率较为低下。

因此，在新型冷床炉熔炼技术的应用中，分为两个炉室，分别实现对金属铸锭的熔炼冷却与在此熔炼，保证熔炼的连续性，提升生产效率。除此之外，随着智能化技术与自动化技术的飞速发展，冷床炉熔炼技术也应用中充分的利用了智能化与自动化技术，实现对工艺参数的智能控制、金属成分自动取样与分析、远程的观察与控制等功能，为保障金属的熔炼质量奠定了重要的基础。

5 结语

由上可知，随着时代的前进，对金属材料性能的要求也越来越，特种电冶金工艺技术在冶金行业当中的重要性也日益凸显出来。

不同的特种电冶金工艺技术虽然在原理上存在着较大的差异，但其最终目的是实现对特殊金属的高质量熔炼，从而为满足金属材料的性能需求提供服务。

总而言之，特种电冶金工艺技术在冶金行业具有广阔的应用前景，这对于冶金行业的健康与可持续发展具有深远的影响。