特种冶炼车间设计(engineering design of specials melting plant)

生产高温合金、高级精密合金和某些高级特殊钢的冶炼车间设计。特种冶炼方法主要有真空感应熔炼、真空电弧熔炼、电渣熔炼、电子束(电子轰击)熔炼和等离子弧熔炼等。用于生产要求严格控制化学成分、高纯洁度、特殊物理性能、良好铸态组织以及在大气条件下不宜或不能生产的产品。高温合金主要用于制造飞机、舰艇和工业用燃气轮机的涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、高压压气机盘和燃烧室等高温部件，还用于制造航天飞行器、火箭发动机、核反应堆、石油化工设备及其他高温部件。精密合金主要用来制造电子、电工器件和精密仪器、仪表等部件。

特种冶炼车间设计包括产品和规模、原材料熔炼设备、工艺选择、车间组成和安全措施等。

简史   20世纪20～30年代，特别是自第二次世界大战以后，对金属材料的性能和质量提出了越来越高的要求，需要发展各类新产品，极大地促进了各种特种冶炼方法的发展。真空冶金作为特种冶炼的一个主要部分首先得到发展。20世纪20年代初，德国开始小规模真空熔炼工业试验，但大规模发展还是在有适当的真空设备之后才开始的。50年代初，真空熔炼在工业发达国家进入了工业生产阶段，以后逐步得到较大发展。电渣熔炼于50年代中期在苏联和美国投入了工业生产，其后世界各国相继采用，也已成为特种冶炼的一种重要手段。中国的特种冶炼是50年代末期开始发展起来的。1958年建成了真空感应炉和真空电弧重熔炉，1960年建成了电渣重熔炉。60年代后期，建设了一座较完善的特种冶炼厂，有真空感应熔炼车间、真空电弧重熔车间、电渣重熔车间、电子束重熔车间以及基本作为一次熔炼的电弧炉和非真空感应炉车间等，工厂辅助设施和公用系统配套完整。在世界各国，许多特种冶炼车间是建在特殊钢厂之内，成为工艺上相对独立的一个部分。世界上一些典型最大的特种冶炼设备有：真空感应炉容量约60t，真空电弧重熔炉锭重约60t，电子束重熔炉锭重约18t，电渣重熔炉生产用于锻造的锭重已达200t。

产品和规模   特种冶炼的产品主要为：(1)铁基、镍基和钴基高温合金；(2)高级精密合金，包括软磁合金、硬磁合金、弹性合金、电阻合金、电热合金和膨胀合金等；(3)重要用途和要求严格的高级特殊钢，如结构钢、轴承钢、工具钢和不锈耐热钢等；(4)大气下熔炼困难和熔炼后加工困难或不能加工的产品，如含10％A1以上的铁铝合金，含1％B以上的不锈钢以及某些含铝、钛等成分的高温合金等。此外，许多重要用途且质量要求高的异型铸件也采用了特种冶炼方法，特别是采用了电渣熔炼方法进行生产。

特种冶炼车间由于只生产某些特种性能和用途的产品，其生产规模较小，有的年产几百吨，有些年产几千吨到1万t或更多一些，视具体要求而定。

原材料   特种冶炼用的原材料较一般冶炼用的原材料要严格得多。其产品质量与原材料质量之间有着明显的依赖关系。特种冶炼原材料可分为一次熔炼用原材料和二次熔炼(重熔)用原材料。

(1)一次熔炼用原材料。对气体杂质、有害金属和非金属杂质要求严格，纯净度要高，要求一定的块度和粒度。金属料在入炉之前要进行表面处理(去锈、去油污)和预热等。金属和合金的成分要准确，经表面处理后要具金属光泽。对渣料、脱氧剂和耐火材料等，同样有严格要求。

一次熔炼的金属料除采用外供料外，还有本厂的返回金属料，要根据冶炼产品品种，严格配合使用。

在一次熔炼中，为保证较高纯洁度和提高包括活泼元素在内的收得率以及稳定化学成分，在冶炼含铝、钛高温合金时，要先炼制Ni-Al-Ti或Fe-A1一Ti等类型中间合金，作为进一步一次熔炼的原料。

所有原材料都要严格分类存放、保管，配备各种干燥、剪切、表面处理和清洁设施。

(2)二次熔炼(重熔)用原料。它是采用一次熔炼的产品，制成电极或料棒，这种电极或料棒的质量对于二次熔炼的影响起着决定性作用。要求电极、料棒脱氧良好、纯洁度高、化学成分均匀和表面质量要好。电极弯曲度要尽可能小并要切除缩孔。电极直径要与二次熔炼工艺和设备搭配。设计中要配备达到上述要求的有关设备。

熔炼设备   特种熔炼设备种类甚多，每种又有多种不同的型式和结构。具有典型代表性的常用熔炼设备有以下五种。

(1)真空感应炉。在真空下采用感应加热和电磁搅拌，将盛于耐火坩埚内的精料熔化精炼，然后在真空下铸成锭的精炼设备。图1和图2分别为半连续真空感应炉结构示意图及其真空系统示意图。

真空感应炉真空系统示意图真空感应炉炉型可分为周期式和半连续式。周期式每熔炼一炉需破坏真空取出锭子，再加料重新抽真空进行熔炼；其设备较简单，适用于产量要求不大、容量较小的炉子。半连续式采用真空闸阀隔离真空熔炼室，可在不破坏熔炼室真空度的情况下加料、冶炼、浇注、出锭，进行多炉半连续熔炼；它能够充分发挥炉子的有效作业时间，适用于产量要求比较大和容量比较大的炉子。

(2)真空电弧重熔炉。该炉将经过整流后的低压直流电，通过由一次熔炼产品制成的金属自耗电极，并作为电弧的一个极产生高温电弧，在真空下将自耗电极加热熔化精炼，以熔滴状进入下面的水冷结晶器中顺序凝固(边熔化，边凝固)，成为铸态组织好的锭子。图3为真空电弧重熔炉结构示意图。

真空电弧重熔炉结构示意图真空电弧重熔炉炉型，可分为炉体固定式和炉体上部移动式。炉体固定式炉的熔炼和辅助作业皆在同炉中进行，每炉作业时间长，适用于较小的炉子。炉体上部移动式炉配置2套结晶器，上部结构可转动到任一结晶器的上方，当一套结晶器正在配合熔炼时，已熔炼完毕的另一套结晶器可同时进行辅助作业，能提高炉子的有效作业时间，适用于较大的炉子。此外，还有炉体上部固定而结晶器移动等炉型。

(3)电渣重熔炉。在大气或惰性气氛和有熔渣存在条件下，用一次熔炼产出的金属产品做电极，将低压交流电通过一端沉入熔渣的电极，产生电阻热使金属熔化，熔滴经熔渣精炼进入水冷结晶器而顺序凝固成锭。电渣重熔炉结构示意图见图4。

电渣重熔炉炉型主要有以下几种：按接电方式可分为单相电渣炉和三相电渣炉；按电极给送方式可分为单相单支臂供金属电极电渣炉和单相双支臂交替供金属电极电渣炉；按结晶器结构可分为固定式和抽锭式电渣炉等。双支臂交替供金属电极电渣炉能降低炉子高度，导电网路也较短，适用于较大容量的炉子。抽锭式电渣炉适用于生产较长的锭。三相三电极炉型适用于大型电渣炉。

(4)电子束重熔炉。在高真空下以2～3万V高压直流电加于电子枪，产生电子束轰击一次熔炼产品制成的金属料棒，使料棒熔化精炼，滴入水冷结晶器中顺序凝固成锭。电子束还可对熔池加热，保持较深的液穴，具有充分去除气体的效果，可极大地提高金属的塑性。图5为电子束重熔炉结构示意图。

电子束重熔炉结构型式很多，除用于电子发射的电子枪有多种型式外，按料棒进料方式可分为垂直进料式和水平进料式。水平进料式有2个料棒进料装置，当一根料棒熔炼时，另一根料棒进料装置可进行辅助工作，这可以提高炉子有效作业率；若在结晶器下再设拉锭装置，则可铸造较长的锭，适用于较大的电子束重熔炉。

(5)等离子电弧重熔炉。在惰性或可控气氛中利用高温等离子电弧熔化一次熔炼产品制成的金属料棒，被熔金属在水冷结晶器中顺序凝固成锭。图6为等离子电弧重熔炉结构示意图。

工艺选择   特种冶炼工艺基本上可分为一次熔炼和二次熔炼(重熔)。特种冶金典型工艺如图7所示。

作为特种冶炼中一次熔炼的电弧炉熔炼和非真空感应熔炼，其产品主要是制成电极供重熔之用。作为特殊一次熔炼的电子束熔炼一般是直接用于生产锭；真空感应熔炼、等离子感应熔炼和等离子电弧熔炼既可以直接生产锭，也可以将产品制成电极或料棒供重熔之用。真空感应熔炼在特种冶金中是一种主要手段。作为特种冶炼的二次熔炼(重熔)有真空电弧重熔、电渣重熔、电子束重熔和等离子电弧重熔等。各种重熔工艺在特种冶金中占有特别重要的地位。

根据特种冶炼的产品品种和质量要求，如常温和高温力学性能、理化性能、成分控制、纯洁度、铸态组织和加工性能等，结合技术经济分析来选择工艺和设备。

主要产品所采用的典型工艺为：

(1)变形高温合金采用一次熔炼交货的品种少，用重熔方法生产的多。特别是含铝、钛高的高温合金，因在大气熔炼时元素烧损不易控制，气体和夹杂进入合金较多，同时为了严格控制化学成分，其一次熔炼需在真空下进行，大多采用真空感应熔炼方法。为了进一步降低夹杂物含量，改善夹杂物的分布和获得较好的铸态组织，大部分品种的变形高温合金采用一次熔炼加二次熔炼(重熔)的双联方法生产，如真空感应熔炼加真空电弧重熔(即双真空法)，真空感应熔炼加电渣重熔，电弧炉熔炼或非真空感应熔炼加电渣重熔等工艺。用上述几种重熔工艺所生产的变形高温合金的品种数量约占其全部品种数量的80％，其中又以经电渣重熔生产的品种最多。

(2)大部分高性能精密合金采用真空感应熔炼法生产；部分采用双联法，即真空感应熔炼加电渣重熔或真空电弧重熔，少数为真空感应熔炼加电子束重熔或等离子电弧重熔。

(3)一些重要用途和要求严格的特殊钢也多采用双联法生产，其中一次熔炼加电渣重熔所占比例最大，770其次为一次熔炼加真空电弧重熔，只有部分产品采用真空感应熔炼加真空电弧重熔或电渣重熔生产。

(4)真空感应熔炼，特别是电渣重熔可用于生产许多重要用途和质量要求高的优质异型精密铸件或顺序凝固的铸件。

由于炉外精炼技术的发展，某些高级特殊钢可以采用适当的炉外精炼手段进行生产，以降低成本(见钢水炉外精炼设施设计)。

一些典型重熔方法所用的设备、产品质量情况和部分操作参数见表。

车间组成   根据具体情况，特种冶炼车间组成如下：(1)各种特种冶炼主生产车间；(2)原料存放和加工间；(3)重熔电极或料棒制备加工和存放间；(4)电渣熔炼的渣料存放和制备加工间；(5)耐火材料存放和制备加工间；(6)机修间；(7)车间变电所；(8)电修间；(9)真空设备检修间；(10)理化检验设施；(11)仓库等。此外还有配套的水、电、动力、运输、生活福利设施等。

特种冶炼车间可建于特殊钢厂内，以便利用特殊钢厂的锻压、轧制设备、公用系统和试验研究的能力，有利于冶炼后进一步加工的生产联系和节约建设投资。它在特殊钢厂内的位置，应设在上风向且厂区周缘环境较好的地带，但要利于与产品加工等部门的生产联系。

精密合金的生产工艺与高温合金、高级特殊钢的生产工艺不尽相同，精密合金常单独自成系统进行建设生产。

安全措施   真空电弧重熔在熔炼过程中易产生边弧，或者电极与结晶器接触而起弧，将结晶器烧穿，冷却水蒸发产生水蒸气，使液态金属飞溅，冲开炉体，产生爆炸。特别是在熔炼含有活性金属钛和锆等的合金时，水将与高温活性金属进行化学反应产生氢，与炉体被破坏后进入的空气中的氧迅速反应发生爆炸，其危害性更大。防止的办法是在设备设计和制造过程中按要求采取措施；在设计上将结晶器置于地坪下的坑内、建筑防爆墙和进行遥控操作等。

等离子熔炼和电渣重熔时产生有害气体和烟尘，对操作人员有害，一般要有良好的通风设备，在炉子上要设置排烟罩和抽风系统，抽走有害毒气。