有色金属真空冶金技术的开发和应用策略分析

2020-12-09孔祥峰程珂珂

世界有色金属 2020年3期

关键词：坩埚冶金纯度

孔祥峰，程珂珂

（1.昆明理工大学真空冶金国家工程实验室，云南昆明 650093；2.昆明理工大学冶金与能源工程学院，云南昆明 650093）

真空冶金技术自出现后，以其冶炼金属纯度高、对环境影响小、消耗能源低等优点而受到广泛的重视。且随时代发展，真空冶金技术不断进步，向规模化、自动化发展，在工业中应用也愈加广泛，已成为新型材料制造的主要手段。

1 真空冶金技术及其优势

真空冶金指将金属的提取、提纯在低于大气压的环境下开展，是冶金工业发展中较为先进的一门技术，也是减少环境污染、增强矿石金属回收效率的有效手段。相较于传统冶金技术，其具备的优势有：

（1）金属提取纯度较高。现代冶金技术中常见的原理为通过熔解温度的差距从矿石内部进行金属提取。但在加热过程中，金属常会发生氧化或者气体溶解的现象，影响金属提取的纯度。真空状态下，由于环境中存在空气较少，金属加热熔解时与空气发生反应概率较低，提取过程更加接近理想状态，金属提取纯度更高。

（2）对环境污染较小。由于冶炼进程中需要制造真空环境，真空金属冶炼一般全程在真空炉内进行，即其与外界物质交换概率较小，且交换通道有极强的可控制性。这种生产环境导致多种问题：第一，金属加热软化过程中挥发的有毒、有害气体可通过特定的导管收集并进行集中处理后排放，有效控制了金属冶炼对环境的污染。第二，由于大多金属拥有比真空炉壁更高的熔点，加热进程通常在炉内靠近金属的位置进行，在理论层面上，加热产生的废弃物处于完全可控状态，随技术的不断进步将最终实现加热进程对环境无影响。

（3）降低金属冶炼的能耗。随大气压的改变，金属的物化性质也会发生一定的变化。对于常见的金属而言，气压的降低将会致使其液化温度与气化温度的降低。即在真空环境下，金属冶炼所需温度将明显降低，其消耗的能源随之下降。

（4）部分金属纯化的实现。受空气成分的影响，高活性金属纯化为冶炼进程中较为难实现的问题。真空冶炼通过将空气从冶炼进程中排除的方式消除了大气的影响，从而使高活性金属冶炼中如去碳化、去氧化等操作具备了实现的基础，金属冶炼工艺具备了支撑某些高精尖生产的可能。

2 真空冶金技术的开发

真空冶金技术开发的主要方向为利用真空环境实现在自然环境中难以完成的冶炼目标或者降低冶炼进程中所需的能源消耗[1]。

（1）真空蒸馏。真空蒸馏技术的主要目的为提升冶炼金属的纯度，其作用机理为借助真空环境将有色金属内部部分杂质清除。其主要实现手段可以分为两种：第一种为真空蒸馏分离法。不同物质随气压变化，气化温度变化幅度有较大的差别，通过改变气压，将待提纯金属中各物质的气化温度差扩大，而后在适当温度下进行气化、冷凝的过程对有色金属进行提纯。第二种为化学迁移反应法。通常状态下，化学反应进程是不完全的，其平衡状态会随反应物的物质量浓度发生变化。化学迁移反应法主要原理为将待分离的氧化或者碳化金属放置在真空环境中，减少参与反应的氧气等的浓度，促使化学反应逆向进行，并通过不断对逆反应产物的排出，使有色金属的纯度不断提升，进而实现高纯度金属的提取。

（2）真空还原。真空状态使更多种类金属的提纯成为可能，如金属铌的提纯，较为低成本的还原材料碳在自然状态下使用可行性较低，其自然反应温度需达2500℃，提纯所需成本过高。在真空环境下，以现阶段真空技术可以实现的10-4帕为例，其反应温度可降至1400℃，且由于温度的降低，多种碳铌化合物无法产生，金属冶炼的纯度与成本控制均有明显的提升。

（3）真空烧结。真空烧结主要指在真空环境下进行金属粉末、结晶的重新塑形。在真空中塑形相较于自然状态下，避免了烧结进程中空气的影响，减少塑形进程中金属氧化物产生的数量，提升金属冶炼的纯度，使金属制品拥有更好的紧实程度与物理性质。

由于加工温度的明显降低，金属的化学稳定性会有一定的提升，进一步减少金属制品化学性质发生改变的可能，提升金属冶炼的纯度。

（4）真空脱气。真空脱气指利用真空环境排出金属中溶解的有害气体。受真空环境下的低气压影响，当金属熔解后，其中的气体分子会主动向密度较小的真空环境中运动。真空脱气利用此原理，不断排出真空环境中的气体，最大程度上保证金属的纯度。经过真空脱气的金属在后续加工进程中不会受自身携带气体的影响，往往拥有更高物理性质。如由于金属晶体边界所含杂质大幅减少而导致力学稳定性的明显提升。

3 真空冶金的应用

（1）新型电子束熔炼。电子束熔炼指利用高压电场赋予电子束极高的动能，并将动能转化为热能进行金属冶炼，其具有熔炼功率与速度可调控性极强、冶炼出金属制品质量较高等特点，但同样存在能耗较高、金属回收率较低、真空环境要求较高等缺点。电子熔炼进程中主要存在三种熔炼模式：第一，金属中熔解气体的去除。电子熔炼在气体去除上的优势在于其可以较长时间的维持熔炼池温度，在真空程度较高的前提下，金属中的氢气与氮气等可以充分向外扩散。第二，金属杂质的挥发。金属杂质的挥发主要针对于比目标金属蒸汽压高的种类，同样得益于长时间的熔炼池高温维持，电子束熔炼金属杂质挥发比例较高，目标金属精炼效果较好。第三，非金属杂质的去除。非金属杂质的去除主要针对金属中被氧化部分含有的氧元素，氧化金属在真空高温环境中会主动进行分解，排出一定的氧。此外，还可以利用真空高温下反应程度较高的还原反应进行氧元素的去除。电子束熔炼中较长的液化时间以及自下而上的锭化顺序可以使待精炼金属中密度不同成分分层，有利于非金属杂质的进一步去除。

（2）冷坩埚真空感应熔炼炉。冷坩埚真空感应熔炼主要应用在合金的熔炼中，其最大的特点为在熔炼进程中使用水冷分瓣铜坩埚。分瓣的主要目的为防止导电性能较好的铜对电场产生屏蔽；水冷的主要目的为维持坩埚的温度，避免其与液态熔炼金属发生反应。冷坩埚真空感应熔炼的主要优点有：第一，真空感应的熔炼方式使熔炼液体与铜质坩埚之间并未发生直接接触，避免了坩埚材料对目标金属的污染。同时，坩埚温度始终控制在较低的程度，进一步减少了熔炼液体与坩埚材料发生反应的可能性。第二，感应加热的方式使目标金属在受热融化的进程中，会发生扰动，在合金加工的进程中可以保持熔炼液体温度的高度一致和各种金属的充分混合，得出的金属制品常具备更加优秀的理化性质。第三，冷坩埚真空感应熔炼技术中，真空的主要目的为排出空气成分的干扰，其对真空压强要求较低，应用环境较广泛。且由于该种方法加热位置较为集中且加工时间较短，单位金属产出消耗的能源较低，有更高的环境友好度。