有色金属真空冶金的技术分析

张 勇

（广东金泰达安全科技有限公司，广东 广州 510220）

传统有色金属冶炼技术在目前应用过程中存在着冶炼流程相对较长、资源消耗过高等缺陷，且炼制后资源回收率较低，同时在冶炼过程中产生的污染物同样会影响自然环境。因此，促进了有色金属真空冶金技术的发展。在真空条件下，由于氧气含量很少，有色金属在冶炼过程中不会出现氧化反应。

同时，利用真空对有色金属与大气中物质的交流进行控制，减少对环境的影响。有色金属冶金技术的快速发展，让其基本传统有色金属冶金技术无法比拟的优势。真空冶金通过系统压力低于大气压的条件下，在真空范围中对有色金属进行加工处理。真空处理技术能够让有色金属中碳的脱氧能力得到加强，使其合金质量得到有效提升。因此，对有色金属真空冶金的技术进行分析，从而充分发挥有色金属真空冶金技术的优势。

1 有色金属真空冶金的技术

有色金属真空冶炼技术主要利用真空实现对一切增容反应都产生有利影响，因此在反应过程中很少有气体参加反应，从而实现对系统内外物质流动的控制，同时减少冶金过程中的污染[1]。有色金属真空冶金技术的主要应用领域，如表1所示。

1.1 有色金属真空还原原理

21世纪以来，有色金属真空冶金技术的快速发展，让其具备传统冶炼方法无可比拟的优势。有色金属真空冶炼的工作原理为通过系统压力与大气压较小的特性，在真空范围对有色金属矿物进行熔炼加工处理，其主要技术分为真空分离、真空蒸馏等。根据其项目类型对其进行详细划分，其大分类中主要分为真空蒸馏碳化、真空焊接、真空热处理、真空脱气以及真空熔炼与锻造；其中分类主要分为溶液析出结晶、电阻加热熔炼、电弧熔炼与锻造以及感应加热熔炼等；其细目类分为超真空感应加热、电阻加热以及电阻束加热等。

表1 有色金属真空冶金应用领域

想要实现有色金属真空冶金，首先需要对用碳、铝、硅等还原剂对有色金属进行还原。在真空条件下大大降低还原温度，完成在常压下无法完成的作业。有色金属真空还原在真空气压下，会对增容反应产生有利影响。首先会产生物质的气化M凝聚态→M气态，这一反应使有色金属在发生气化与蒸发过程中，使其在真空中沸点降低，在氧化物MO被还原剂还原后，R+MO凝聚态→M凝聚态→RO气态↑，此时金属氧化物被还原成液态、固态或气态金属。溶解后金属放出气体G金属→G↑，金属与气体所生成化合物，并分解出气体MG→M+G↑，实现金属真空还原[2]。在真空条件下，能够金属还原速度进行加速或降低，经过热力学分析，通过分离系数β来对有色金属还原过程中的合金分析可能性进行判断，如下所示：

vi不仅受到还原浓度影响，同时还会受到温度影响。而其中蒸气压同样受到温度影响。β＞1时，其元素1在气相富集，当β＜1时，则为液相富集，因此在β≠1时，可实现元素分离[3]。当β=1时，还原过程的蒸馏气相与凝聚成分相同，所以不能完成元素分离。由于有色金属真空熔炼所处环境的空气压力标准低于标准大气压，因此任何的增容反应都会对真空冶金技术产生积极影响，其常见的为添加氧化剂等方式，通过有关金属氧化物还原为液态金属或固态金属。在真空环境下，这一反应过程会加快，且反应所需温度降低。但就目前技术来说，很难实现完全真空环境，因此去技术中的真空环境为有色金属冶金技术的必要条件。

1.2 有色金属真空熔炼过程

有色金属通过真空还原后，在真空条件下对有色金属进行熔炼提纯。根据有色金属种类的不同，选择真空感应熔炼、真空电弧熔炼、电渣熔炼以及电子束熔炼几种方式进行金属熔炼。针对高温合金、超高强度钢以及高强度钢等，主要采用真空感应熔炼技术，即利用真空室内高频感应炉或中频感应炉对有色金属进熔炼；针对钼、钽、铌、钛等有色金属，则采用真空电弧熔炼技术，在真空条件下通过电流对金属加热熔化；对异性金属铸件或金属提纯主要采用点渣熔炼技术；而电子束熔炼即电子轰击熔炼，则适用于各种有色金属熔炼，在真空条件下利用阴极电子枪对熔物料进行轰击，在将电子动能转化为热能过程中将炉料熔化。在真空状态下，大气中含氧量低于标准大气压，而其含氧量可通过技术进行人为控制。因此真空技术下，空气越稀薄，氧气的含量也越少，在对金属进行冶炼时，氧气和金属的化学反应也就越弱。在这一环境下，有色金属与氧气化学反应较弱，这也使得金属氧化问题得到有效解决，同时一些活性较强的其他活性含量较强气体的含量也得到了降低。有色金属真空熔炼过程，通过真空还原时金属组分分离程度与成分，对A-B二元体系中气质物质组分A的质量分数进行计算：

其中，Ag为气相成分质量分数，A1与B1为液相成分质量分数，VB与VA为气相组分的蒸汽密度。真空条件下，有很少气体参与反应，有色金属在熔炼过程中不会溶解气体，且金属在真空中加热到较高温度时，金属极少会发生氧化。在同一温度下，有色金属真空提炼根据需要对技术与原料成分进行选择，从而实现所需产品。

1.3 真空蒸馏与精炼

真空条件下对有色金属进行提炼后，利用蒸馏与经典技术去杂质以实现材料提纯[4]。有色金属的蒸馏与提纯，一种为在真空条件下依据不同金属蒸气压之间的差别，通过挥发和冷凝过程实现对金属的蒸馏与分离，这以方法主要在感应炉与电阻炉上进行蒸馏；另一种为化学迁移反应，利用气体与金属之间反应，将其迁移到另一部位后发生，从而生成气体与纯金属。有色金属蒸馏在传统过程中，需要在高于金属沸点温度下进行，因此需要较高温度。而且在蒸馏过程中，氧气与金属发生氧化反应。采用真空蒸馏与精炼，能够将在解决氧化作用的同时，降低金属蒸发反应，从而实现金属的蒸馏与精炼。例如，铅金属沸点为1740℃，而在真空中则为1000℃左右，同时使其更快发挥。根据研究表明，有色金属在真空中蒸发曲线为，如图1所示：

图1 金属蒸发曲线

其中，P为气体压力，w为金属蒸发速率（g·cm-2S-1）。金属在真空中蒸馏与精炼，金属的蒸发速率会随着气体压力降低而增加，但随着压力降到Pcrit以下时，w不再增加。从而可以确定在真空中，蒸馏适应真空度略小于Pcrit。

1.4 真空烧结

有色金属在蒸馏与精炼后，利用烧结技术在10～10-3帕真空条件下将金属在低于熔点温度条件下烧结成为金属坯。在真空条件下，由于金属不会对气体发生反应，不会受到吸附气体影响，且致密化效果更好，在起到净化与还原作用的同时，降低烧结温度。真空条件下可比常温烧结降低100℃～150℃，在节省能耗的同时，提高烧结质量。在真空烧结过程中，当β≥1时，利用真空烧结能够更好的将有色金属中各成分进行有效分离。真空烧结作为一种物理过程，金属在进入进料管后，一系列反应，从而实现烧结过程。且相对于传统烧结过程，真空烧结消耗原料更少，对环境无污染，减少占地面积的同时增加金属回收率。烧结过程需要较高温度，因此加热过程主要利用电在炉进行，真空系统中的SO2气体排放与收尘等不会对环境造成污染。

1.5 真空脱气与热处理

在进行烧结后，真空条件下从液态金属中对有害气体进行脱气。其脱气处理后金属，不会在以后的熔铸过程中释放有害气体对整体金属结构产生影响。使晶粒边界的杂质减少从而提高金属强度和物理性能。经过真空脱气步骤，能够有效改善金属质量、金属机械性能和物理性能，也是目前真空冶金中应用最为广泛的一种工艺。传统有色金属冶金的必要条件为燃料使用，在燃料使用过程中会产生二氧化碳、硫化气体等，对大气造成污染。而在真空环境下，只需要在冶炼空间内进行相关工作，不仅降低了冶炼过程中对燃料的依赖，同时对其有害气体的排放也能够更好进行控制，使有色金属冶炼技术的环保水平得到提升。

有色金属在真空形成气体后，金属元分子更倾向于分解成较少的原子，形成气体分子。为改善金属的物理、化学性能，在进行脱气处理后，在真空1～10-8帕条件下进行金属热处理，使其组织结构发生转变。真空热处理过程主要分为真空化学处理、真空退火以及真空淬火三种分类。真空化学处理常用于真空离子渗碳、真空碳氮共渗、真空渗碳以及真空渗铬、等离子渗铍等；真空退火则主要用于难熔金属等；真空淬火则是在真空条件下对金属进行加热后在不同介质中进行冷却。

1.6 真空镀膜

在经过以上处理步骤后，在真空1～10-8帕条件下利用金属溅射或蒸汽使金属凝结于其他金属材料上，从而形成金属膜或覆盖层。在有色金属真空冶金技术中，常用的有有真空镀铝或锡，真空镀镉、镍、锆或不锈钢。真空镀膜过程主要根据其原料与目的不同，对镀膜结构与材料进行调整。考虑到镀膜元素金属富集度，对其尽可能保证其产量与回收率。有色金属镀膜技术不仅能够加强产品密封性、让其应用流程简化且使其使用过程更加智能化。考虑到真空环境下冶金产品密闭性不强的缺点，通过镀膜技术降低气体对冶金材料的影响。空气遵循高压不断向低压流动的规律，在范围内达到气压平衡。且有色金属真空冶金在未来发展向着更加智能化的方向发展，且已经成为各个材料应用的主流趋势，对其环境与技术要求有着更高的要求。金属镀膜技术能够解决外界环境对合金的影响，从而使有色金属真空冶金技术具有更好的稳定性。

2 结语

随着科技的不断进步，各领域对有色金属材料性能要求也越来越高。随着冶金水平的不断提升，真空冶金技术也在不断发展。有色金属真空冶金技术主要从高液态金属提纯与改善金属结晶两方面入手。

根据所需要生产的合金的种类与用途，从而选择最佳冶炼方法。将冶金技术在真空条件进行，使冶金环境与条件在发生极大改变的同时从而实现以往无法实现的技术，如金属蒸馏等，减少环境对冶金技术的影响。有色金属真空冶金技术应用时间较短，其技术与设备都需要有待加强。真空冶金技术作为时代的产物，随着各行各业对材料细节要求的提升，需要具有冶金过程拥有较好的环保优势，从而为冶金技术提供更加广阔的前景。