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          真空熔煉中的脫氧和脫氣【非標儀器設備】

          2022-08-05 09:54:49

            脫氧——

            在真空感應熔煉中,普遍采用還原劑去除金屬及合金中的氧。還原法脫氧主要有以下三種方式:一是碳還愿;二是氫還原;三是用與氧有高的親合力的金屬來還原。用前兩種方法可以得到氣態反應產物,這些氣態產物可以不斷地被真空泵抽走。用后一種方法多得到不溶于金屬及合金的氧化物,它們以非金屬夾雜的形式存在于金屬或合金中。

            碳脫氧:碳在低壓下是一種強脫氧劑。在熔煉過程中碳與金屬中的氧反應生成CO。CO的生成自由能與其它氧化物生成自由能的變化不同,它隨著溫度升高而減小,而且在高溫下自由能比多數氧化物低。由于生成的氣態CO能被不斷抽除,使反應很容易進行。但在工業熔煉的實踐中,很難達到理論值,一個重要原因是在脫氣期間很難達到理論平衡值,同時也因為與耐火材料的副反應,還會給熔池提供一定的氧。

            氫脫氧:當不能用碳進行還原時(例如生成穩定的碳化物),用氫還原就特別有利。該方法由于在還原反應完成后,能排出多余的溶解氫,因而十分有益。熔體中氧含量僅取決于水蒸氣分壓與氫分壓之比。如果使干燥的氫氣中水蒸氣達到某一分壓值,這時增加氫的壓力,則更有利于使還原反應達到平衡。所以,效果更好的脫氧方法是增加氫的分壓。用氫脫氧時,應將氫通入熔池中,因其接觸面積大,脫氧效果好。與碳脫氧相比,氫脫氧的速度較慢,而且有一定的危險性,此方法應用有一定限制。

            活性金屬脫氧:在真空感應熔煉中,也常加入一些活性金屬,使有害的金屬氧化物還原,形成一種低溶解度的穩定化合物而脫氧。通常這種方法要比碳或氫脫氧的速度要快,因為新相在整個熔池中均勻分布,而且這種作用不像氣相反應一樣,需要有種核作用及運動等現象。此法也像碳還愿一樣,很難計算所需還原劑的準確用量。加入還原劑過量,對金屬性質有危害,而多余的還原劑不能通過揮發被去除,那么精 確計算就是必須的。另外,還原生成的產物是呈彌散狀態而保留在熔體中,就沒有達到真空脫氧的目的,則不能用此法脫氧。

            金屬或非金屬成分的揮發脫氧:真空熔煉的高溫和低壓特點,給在熔煉過程中生成大量的金屬蒸汽創造了條件。所以真空熔煉中可以用蒸發作用,除去具有高揮發性的有害雜質(例如鋼中的As、Sb、Sn、Cu等)。但另一方面也會造成有揮發性的合金元素的損失。例如作為合金元素的錳和鉻很容易揮發損失掉。在真空熔煉中,如果某金屬元素的氧化物蒸汽壓高于純金屬的蒸汽壓時,則可通過這種氧化物來脫氧。這種脫氧過程雖然伴隨著金屬損失,但對某些金屬中氧的去除起著極為重要的作用。這些氧化物都是些低價氧化物,如SiO、SnO、SeO、GeO、ALO、ZrO、AL2O等。某些高熔點金屬的一氧化物蒸汽壓臂純金屬的蒸汽壓高好幾個數量級,這樣的一氧化物在熔煉溫度上就較純金屬更容易揮發。根據這一原理,可以通過向合金中加入一種與氧有高親合力的添加劑的方法,使其生成一氧化物,再借助一氧化物的蒸發來脫氧。采用這種方法的條件是:添加劑所生成的一氧化物蒸汽壓必須高于基本金屬和基本金屬氧化物的蒸汽壓。如果添加劑臂基體金屬更易揮發,則過剩的添加劑就很容易被完全除掉。如電子束爐熔煉鈮時,加入鋯就比不加鋯脫氧效果好。此時鋯是被作為鈮的一種脫氧劑。要防止合金成分過多揮發損失,在熔煉時可采用向爐內充入一定壓力的惰性氣體或者將易揮發元素在熔煉后期加入。如用真空感應爐熔煉高溫合金時,錳的揮發損失高達95%,若在出爐前充入Ar至(4.0~4.8)×104Pa后再加錳,則收得率達94%以上。

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              脫氣——

            由于液態金屬的結構是由松散、游動的近程有序的原子集團組成,并且存在很多“空穴”,而能溶于金屬液的氣體原子,又多時半徑小、活性大的,所以大量的氣體原子很容易溶入液態金屬中。研究表明,金屬中的氣體以氫氣占絕大多數。因此,脫氣也是真空熔煉中的重要任務。

            金屬中氣體含量一般用氣體的溶解度來表示。溶解度的定義是:在一定溫度和壓力條件下,金屬吸收氣體的飽和濃度。常用每100g金屬中在標準狀態下所含飽和氣體的體積,即cm3/100g來表示。氣體在金屬的溶解度,決定于金屬和氣體的性質、氣壓和溫度。

            壓力對氣體溶解度的影響遵循“平方根定律”,即在一定溫度條件下,金屬中氣體(指雙原子氣體)的溶解度與金屬和氣相接觸處,該氣體分壓的平方根成正比。在熔煉溫度一定的情況下,熔煉真空度越高,氣體分壓值越低,熔煉金屬中的氮、氫的殘留量也越低。實際上真空熔煉的脫氣作用非常強,氣體從熔體中析出后馬上被真空泵抽走,所以氣體分壓一直維持在較低的狀態,這樣脫氣會不斷進行下去,直到達到新的平衡狀態。


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