特种冶炼方法
随着现代科学技术的飞速发展，特别是航天、导弹、火箭、原子能以及电子工业等对各种高级优质钢和合金的需要日益增多，对钢的质量要求也越来越高。为了使金属材料具有所需要的性能，必须保证其具有一定的合金组织结构和化学成分。采用传统的冶炼模式时，钢的质量满足不了日益提高的要求，这就促使一些旨在提高钢和合金质量的特种冶炼技术迅速发展起来。
钢的特种冶炼，通常是指除用于大量生产的转炉、平炉和电炉等常规炼钢法之外，为特别提高钢质量或熔炼含有大气条件下不宜熔炼的大量活泼金属的合金的冶炼方法。特种冶炼法大致可分为两种:适用于熔炼像高级轴承钢、冷轧辊钢、燃汽轮机用钢等优质钢的所谓一次熔炼法(PAM)，如真空感应熔炼法(VIM)和等离子感应熔炼法(PIF)等;而另外一种是将母材重新熔化，在水冷结晶器中逐层凝固成钢的方法，称为二次熔炼法，包括等离子弧重熔法((PAR)、真空电弧重熔法(VAR )、电渣重熔法((ESR)和电子束重熔法(EBR)等，有时也称此为“二次炼钢”。
(一)真空感应冶炼
真空感应冶炼法也称VIM法(Vacuum Induction Meting)。VIM法就是将感应炉置于真空系统中进行熔化、精炼和合金化等全部过程，它在特殊钢及优质合金的生产中占有重要地位。
1. 基本原理及冶炼特点
真空感应冶炼的基本原理就是通过在真空状态下的电磁感应，涡流发热来熔炼金属并随之浇注成锭。由于整个冶炼过程是在低压或惰性气氛下进行，加上电磁搅拌作用，所以能有效地脱碳、去气、除杂质等。
2．真空感应冶炼的优缺点
真空感应冶炼具有独特的优点，归纳起来此法的特点是:在真空下进行冶炼，不受大气污染，真空为冶金反应创造良好条件，提高了碳的脱氧能力;能精确控制和随意调整包括活泼金属元素在内的成分，从而提高钢的质量。但也存在不足之处:调整易挥发成分较困难;有一定成分偏析，金属收得率较低。鉴于以上原因，多与电渣重熔或真空电弧重熔组合使用。
3. 真空感应熔炼的适用产品及实际应用
（1）轴承钢 真空熔炼的轴承钢其夹杂物总量降低、尺寸减少，并较均匀地分布在钢锭中，不成链条状。真空轴承钢点状夹杂物评级为1--1. 5级，而一般轴承钢为2. 5级。
真空熔炼对高温轴承钢的工作性能也有显著影响。一般用C 0.65%Gr 5% V 1%的高温轴承钢制成的轴承，在200℃的使用寿命为150h，而真空熔炼的相同钢种，在400℃下的寿命可达1080h
（2）结构钢 结构钢从横断面上力学性能的均匀性十分重要，真空熔炼能提高横向塑性达到或接近纵向水平。
（3）不锈钢 采用不锈钢返回料在真空感应炉中重熔，可使其碳的质量分数降至0.02%以下、由此获得良好的抗腐蚀性能。同时，由于氧含量低，对钢的冲击韧度有很大的影响。
真空感应熔炼对含铬量高的铁素体型不锈钢具有特殊的意义。在室温下，这些钢一般是
较脆的。但真空熔炼的钢其塑性有所提高，脆性转变温度大大低于20℃。
（4）变压器钢和磁性合金 金属中硫、碳、氧、氮和非金属夹杂物对硅钢的磁性和塑性有很大的影响。真空感应熔炼可以得到含杂质很少的变压器钢。此外，真空变压器钢的碳的质量分数不超过0.02%，硫的质量分数仅0.012%-0.015%。因此，变压器钢的性能得到改善，与空气熔炼的相比，铁损低15%一20%,矫顽力低50%。
在真空感应炉中熔炼的软磁金属铁钴钒合金具有很好的磁性。许多牌号的磁性合金均在真空感应炉中熔炼。
（5）耐热合金 铁基、镍基租钻基耐热合金均含有大量活性元素铝、铁、硼、铭等，在大气下冶炼的成品中有相当多的氧化物和氮化物，造成锻造困难，并会引起表面缺陷，故成材率低。真空感应熔炼可克服这些缺点，获得化学成分准确而均匀的、性能稳定的合金。
(二)真空电弧重熔
真空电弧重熔法(Vacuum Arc Remelting)简称VAR法。真空电弧炉分为自耗炉和非自耗炉两种，前者应用广泛，它是将需要熔炼的材料做成电极，电极本身熔化到水冷结晶器中凝结成锭，故常称真空电弧重熔。
1. 基本原理及冶炼特点
VAR法是在高真空下，金属电极在直流电弧的高温作用下迅速地熔化并在水冷结晶器内进行再凝固，当液态金属以熔滴的形式通过近5000K的电弧区域并向结晶器中过渡以及在结晶器中保持和凝固的过程中，发生一系列的物理化学反应，使得金属得到精炼，从而达到了净化金属、改善结晶结构、提高性能的目的。真空电弧重熔法的实质就是借助于直流电弧的热能把已知化学成分的金属自耗电极在低压气氛中一层一层地进行重新熔炼并使去除非金属夹杂的钢水依次冷却，一层层地凝固，以提高其质量的熔炼过程。
2. 真空电弧重熔的优缺点
此法发展很快，其原因是由于在真空下精炼去除气体和非金属夹杂物效果显著.又无耐火材料的污染，所以它具有产品纯净度高、凝固组织和化学成分均匀、成材率提高和容量大等特点。VAR法的缺点是与电渣重熔相比，其钢锭表面质量和致密度及热加工性能较差，金属收得率变低，生产成本较高。
3. 真空电弧重熔的适用产品及实际应用
真空电弧炉主要用来熔炼钛、锆、钨、铌、钼等活泼金属和难熔金属以及它们的合金。也用来冶炼不锈钢、工具钢、轴承钢等优质合金钢以及铁、镍基高温合金等。
真空电弧重熔能显著地降低金属中的氧和非金属夹杂物(特别是氧化物)。同时也能去除大量的氢以及一些氮和硫。其应用效果如下:
（1）脱氢去杂质的效果显著
真空电弧重熔不仅杜绝了外界空气对合金的沾污，还可以降低钢和合金中的气含量和低熔点有害杂质，从而提高了钢的纯洁度。
（2）减少对活性元素的烧损及控制成分稳定
真空电弧重熔的钢或合金，对于活性元素铝、钛烧损少，回收率较高且较稳定。合金的化学成分控制较为稳定。
（3）改善夹杂物类型和分布
对于某些钢种如GCr15,线材中的夹杂物主要是氧化物和硫化物，而真空电弧重熔钢中则主要是硫化物和它所包裹的氧化物。
（4）提高钢与合金的性能
真空电弧重熔高温合金，能提高其塑性和加工性能。
4. 现代真空电弧重熔熔速控制
真空自耗熔炼过程中输入能量主要取决于电压与有效电流，保证一个稳定的、形状规则的熔池取决于熔化速率、电流、弧间隙等因素。而要控制自耗电极和熔融金属熔池之间的电弧间隙是很困难的。当前对于电弧间隙的控制方式主要有以下几种方式：1）电极进给速度；2）平均电弧电压；3）熔滴短路频率。近年来，随着计算机和工业控制水平的提高，多数采用平均电弧电压和熔滴短路频率的方式来控制熔速。
真空自耗重熔过程中起弧期需快速响应，采用平均电弧电压控制能快速建立熔池，使系统快速达到平衡；真空自耗重熔过程中稳定期内采用熔滴短路频率控制，对弧长的微小变化和真空电弧的扰动更为敏感，且熔滴短路信号响应速度非常快，因此有利用保持恒定的弧长，维持稳定的熔化条件；稳定状态下，使用熔滴短路频率控制熔速的稳定性离散度更小。）
(三)电子束(电子轰击)熔炼
电子束熔炼是用高真空下产生的高压电子束轰击固体金属，将其加热熔化，并连续凝固。本法可用于一次熔炼和重熔两方面，称为电子束轰击熔炼法(Electron Beam hotnhardmentMelting ) ,简称EBM法。如果是用于重熔就简称EBR法(Electron Beam Reriielting)，其电子束重熔精炼应用为多。
1. 基本原理及熔炼特点
电子束炉的基本工作原理可以用普通的二极电子管来说明，发射电子的阴极和被加热材料作成的阳极同处于一个高真空容器中，工作时，被高压加速的电子撞击到阳极表面时，其动能变成热能使阳极即待炼材料加热熔化。由于在工作过程中电子形成的电子束不断地从阴极射向阳极。所以称之为电子束，还由于阳极是被电子轰击而加热熔化的，因此，也叫它电子轰击炉。
2. 电子束(电子轰击)熔炼优缺点
EBR法具有VIM和VAR法两者的优点，可重熔特殊的棒料或任何形式的炉料;它既可使液态金属在高真空和任意温度下长时间保持，又排除了耐火材料的影响，这可保证金属精炼和去气的有利条件。对于低熔点的有害金属杂质，EBR法可以去除更完全。因此，EBR法是目前提纯效果最佳的方法之一。其缺点是:目前电子束控制还不够稳定，钢锭表面欠佳，设备较复杂，生产率低，费用较高。
3.电子束熔炼的适用材料及实际应用
（1）难熔金属、活泼金属的熔炼和精炼效果
电子束炉是生产难熔和活泼金属最有效的熔炼设备。由于其熔炼温度高达3000℃以上，同时炉内真空度可达0.133---0. 0133Pa，有利于真空下碳一氧冶金反应充分进行而达到最良好的脱氧效果。同时对一些杂质元素及其低价金属氧化物的挥发去除效果十分明显，可以获得高纯度的金属材质。甚至可以通过多次提纯，使某些特殊钢及合金的纯度有更大幅度的提高。
（2）对铁、镍基合金的提纯效果
电子束熔炼对气体、夹杂物和其他杂质的去除效果较真空感应炉、真空电弧重熔的效果要好。
EBR法对镍基高温合金、不锈钢中气体杂质的去除同样是非常有效的，比VAR法更显著。
（3.）EBR法在合金结构钢生产中的应用效果
EBR法的提纯效果较现有的真空熔炼法都优越，通过对不同钢种的测试表明，氢含量大为降低，可能低于现代测定方法的误差范围。
（4）提高磁性材料的磁性能
EBR法生产磁性材料效果显著，特别是对软磁极薄带材最合适。
（四）电渣重熔
电渣重熔也叫电渣精炼。它是把一般冶炼方法炼成的钢或合金做成电极，利用熔渣的电阻热进行重熔精炼，以提高钢质量的工艺。这种过程称为电渣重熔法(ElectroElag Remelting) ,简称ESR法。在此基础上增加惰性气体(如氩气、氮气等)保护，则称为PESR(Protective ElectroSlag Remelting)或IESR（Inert ElectroSlag Remelting）法。其设备称为电渣炉。按电能转变成热能的方式，电渣精炼所需的高温来源于高电阻炉渣产生的焦耳热，故电渣炉是一种熔炼用的电阻炉。
1.电渣重熔基本原理
当电流通过时，由于炉渣产生的电阻热，使它处于高温熔融状态，形成渣池。自耗电极的端头在渣中逐渐加热熔化，聚成熔滴下落，穿过渣池进入金属熔池，由于结晶器的强制冷却，液态金属逐渐凝固成电渣锭.在熔池中，炉渣与金属(尤其是熔滴)之间进行着一系列的冶金物化反应，以及进一步去除其中的杂质。钢锭由下而上逐渐凝固，金属熔池和渣池就不断向上移动。上升的渣池使结晶内壁上生成一薄层渣壳，它不仅使铸锭表面平滑光洁，并能降低其径向导热，使大部分热量由钢锭传导给底水箱的冷水带走，这就有利于结晶自下而上进行，从而改善钢锭内部的结晶组织。
2. 电渣重熔优缺点
电渣重熔设备较简单，工艺过程较易控制，投资较低，除去夹杂物的效果明显，而且电渣钢在材料收得率、化学稳定性和力学性能方面有显著的改善。所以许多有特殊要求的材料首先考虑用电渣重熔法生产。
3.适用原料及产品
一般0.5-2.0t电渣炉生产高温合金、航空轴承钢、高速钢和不锈钢等;2. 5-5t电渣炉生产合金钢;1.0—20t电渣炉生产扁锭(板坯)，40t和更大的电渣炉生产一般合金结构钢的大型钢锭。
4.电渣重熔的发展
众所周知，钢的纯净度问题、结晶问题是冶金质量方面的两大关键、现在一切提高冶金质量的手段中也十分重视在这两方面的研究。电渣重熔是提高金属纯度、改善铸锭结构方面行之有效的方法。电渣重熔设备简单，生产费用低廉，其铸锭表面光洁，热塑性好，成材率高及电渣钢使用寿命往往是电弧炉的三倍，因此电渣重熔技术在我国得以迅速发展。
随着炉外精炼技术的发展，脱硫和控制夹杂物的水平比起以前已经有了很大的进步。因此，脱硫和去夹杂不再是电渣重熔生产的主要任务，如何控制定向凝固，获得高质量的钢锭已成为电渣重熔过程中首要的问题。
优良的钢锭凝固结构要求组织均匀一致。其核心问题需要在凝固过程中环境（包括热场和流场）尽可能地稳定。因此，钢锭结构的均匀性受限于系统的控制能力，以维持凝固过程中的稳定热环境。实现其稳定性的一个重要的方法是计算机全程参与控制，以特定的、复杂的程序（如电压摆幅）来控制重熔过程，以得到恒定的熔速。
相比较普通的电渣重熔，具有先进的具有恒熔速控制的新一代电渣炉在冶炼高温合金，特种不锈钢，高端工模具钢等具有很大不可比拟的优势，其优点在于：
1）冶炼的再现性强；使得重熔过程不再依赖于操作人员的经验，而是一套科学的方法、工艺来控制重熔，冶炼质量稳定可靠。
2）重熔稳定性好，自带的控制程序中全部采取“修正—跟踪—反馈—修正”的多层闭环方法控制，防止人为、非人为因素对系统带来的波动影响。
3）采取具有独特的知识产权的方法程序控制电渣重熔过程中的极间距以维持凝固过程中稳定的热环境，以获得具有均匀凝固组织的铸锭。
4）通常配以保护性气氛装置，以避免在大气下二次精炼过程中带入的“污染”（如气体含量的增加）、钢或合金中活泼性元素的烧损、电渣重熔过程中产生的烟尘和气体对环境的污染。
5）采用全同轴导电技术，提高电渣重熔过程中电能的利用率，使得吨钢电耗控制在1100KWH以下，降低电耗30%以上。
真空冶炼的产品与在大气中冶炼的产品相比.是非常纯净的，成分和质量稳定，热加工性能、疲劳强度及高温物理和力学性能都很好。所以不仅适于生产耐热钢、超耐热合金,同时由于能显著地提高电磁性能，也适于生产磁性材料。此外，真空冶炼的轴承钢、弹簧钢、工具钢、模具钢、不锈钢等产品的性能也非常好，特别EBR和VAR法，不受耐火材料的污染，改善了凝固组织，减少了成分和组织偏析，是目前二次重熔炼钢应用较广泛的技术。尽管如此，不同冶炼方法适用的冶炼钢种与质量也不尽相同，各自有它独特的应用效果。
