張 勇

（廣東金泰達(dá)安全科技有限公司，廣東 廣州 510220）

傳統(tǒng)有色金屬冶煉技術(shù)在目前應(yīng)用過程中存在著冶煉流程相對(duì)較長(zhǎng)、資源消耗過高等缺陷，且煉制后資源回收率較低，同時(shí)在冶煉過程中產(chǎn)生的污染物同樣會(huì)影響自然環(huán)境。因此，促進(jìn)了有色金屬真空冶金技術(shù)的發(fā)展。在真空條件下，由于氧氣含量很少，有色金屬在冶煉過程中不會(huì)出現(xiàn)氧化反應(yīng)。

同時(shí)，利用真空對(duì)有色金屬與大氣中物質(zhì)的交流進(jìn)行控制，減少對(duì)環(huán)境的影響。有色金屬冶金技術(shù)的快速發(fā)展，讓其基本傳統(tǒng)有色金屬冶金技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢(shì)。真空冶金通過系統(tǒng)壓力低于大氣壓的條件下，在真空范圍中對(duì)有色金屬進(jìn)行加工處理。真空處理技術(shù)能夠讓有色金屬中碳的脫氧能力得到加強(qiáng)，使其合金質(zhì)量得到有效提升。因此，對(duì)有色金屬真空冶金的技術(shù)進(jìn)行分析，從而充分發(fā)揮有色金屬真空冶金技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

1 有色金屬真空冶金的技術(shù)

有色金屬真空冶煉技術(shù)主要利用真空實(shí)現(xiàn)對(duì)一切增容反應(yīng)都產(chǎn)生有利影響，因此在反應(yīng)過程中很少有氣體參加反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)外物質(zhì)流動(dòng)的控制，同時(shí)減少冶金過程中的污染[1]。有色金屬真空冶金技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域，如表1所示。

1.1 有色金屬真空還原原理

21世紀(jì)以來，有色金屬真空冶金技術(shù)的快速發(fā)展，讓其具備傳統(tǒng)冶煉方法無可比擬的優(yōu)勢(shì)。有色金屬真空冶煉的工作原理為通過系統(tǒng)壓力與大氣壓較小的特性，在真空范圍對(duì)有色金屬礦物進(jìn)行熔煉加工處理，其主要技術(shù)分為真空分離、真空蒸餾等。根據(jù)其項(xiàng)目類型對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)劃分，其大分類中主要分為真空蒸餾碳化、真空焊接、真空熱處理、真空脫氣以及真空熔煉與鍛造；其中分類主要分為溶液析出結(jié)晶、電阻加熱熔煉、電弧熔煉與鍛造以及感應(yīng)加熱熔煉等；其細(xì)目類分為超真空感應(yīng)加熱、電阻加熱以及電阻束加熱等。

表1 有色金屬真空冶金應(yīng)用領(lǐng)域

想要實(shí)現(xiàn)有色金屬真空冶金，首先需要對(duì)用碳、鋁、硅等還原劑對(duì)有色金屬進(jìn)行還原。在真空條件下大大降低還原溫度，完成在常壓下無法完成的作業(yè)。有色金屬真空還原在真空氣壓下，會(huì)對(duì)增容反應(yīng)產(chǎn)生有利影響。首先會(huì)產(chǎn)生物質(zhì)的氣化M凝聚態(tài)→M氣態(tài)，這一反應(yīng)使有色金屬在發(fā)生氣化與蒸發(fā)過程中，使其在真空中沸點(diǎn)降低，在氧化物MO被還原劑還原后，R+MO凝聚態(tài)→M凝聚態(tài)→RO氣態(tài)↑，此時(shí)金屬氧化物被還原成液態(tài)、固態(tài)或氣態(tài)金屬。溶解后金屬放出氣體G金屬→G↑，金屬與氣體所生成化合物，并分解出氣體MG→M+G↑，實(shí)現(xiàn)金屬真空還原[2]。在真空條件下，能夠金屬還原速度進(jìn)行加速或降低，經(jīng)過熱力學(xué)分析，通過分離系數(shù)β來對(duì)有色金屬還原過程中的合金分析可能性進(jìn)行判斷，如下所示：

vi不僅受到還原濃度影響，同時(shí)還會(huì)受到溫度影響。而其中蒸氣壓同樣受到溫度影響。β＞1時(shí)，其元素1在氣相富集，當(dāng)β＜1時(shí)，則為液相富集，因此在β≠1時(shí)，可實(shí)現(xiàn)元素分離[3]。當(dāng)β=1時(shí)，還原過程的蒸餾氣相與凝聚成分相同，所以不能完成元素分離。由于有色金屬真空熔煉所處環(huán)境的空氣壓力標(biāo)準(zhǔn)低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，因此任何的增容反應(yīng)都會(huì)對(duì)真空冶金技術(shù)產(chǎn)生積極影響，其常見的為添加氧化劑等方式，通過有關(guān)金屬氧化物還原為液態(tài)金屬或固態(tài)金屬。在真空環(huán)境下，這一反應(yīng)過程會(huì)加快，且反應(yīng)所需溫度降低。但就目前技術(shù)來說，很難實(shí)現(xiàn)完全真空環(huán)境，因此去技術(shù)中的真空環(huán)境為有色金屬冶金技術(shù)的必要條件。

1.2 有色金屬真空熔煉過程

有色金屬通過真空還原后，在真空條件下對(duì)有色金屬進(jìn)行熔煉提純。根據(jù)有色金屬種類的不同，選擇真空感應(yīng)熔煉、真空電弧熔煉、電渣熔煉以及電子束熔煉幾種方式進(jìn)行金屬熔煉。針對(duì)高溫合金、超高強(qiáng)度鋼以及高強(qiáng)度鋼等，主要采用真空感應(yīng)熔煉技術(shù)，即利用真空室內(nèi)高頻感應(yīng)爐或中頻感應(yīng)爐對(duì)有色金屬進(jìn)熔煉；針對(duì)鉬、鉭、鈮、鈦等有色金屬，則采用真空電弧熔煉技術(shù)，在真空條件下通過電流對(duì)金屬加熱熔化；對(duì)異性金屬鑄件或金屬提純主要采用點(diǎn)渣熔煉技術(shù)；而電子束熔煉即電子轟擊熔煉，則適用于各種有色金屬熔煉，在真空條件下利用陰極電子槍對(duì)熔物料進(jìn)行轟擊，在將電子動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能過程中將爐料熔化。在真空狀態(tài)下，大氣中含氧量低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，而其含氧量可通過技術(shù)進(jìn)行人為控制。因此真空技術(shù)下，空氣越稀薄，氧氣的含量也越少，在對(duì)金屬進(jìn)行冶煉時(shí)，氧氣和金屬的化學(xué)反應(yīng)也就越弱。在這一環(huán)境下，有色金屬與氧氣化學(xué)反應(yīng)較弱，這也使得金屬氧化問題得到有效解決，同時(shí)一些活性較強(qiáng)的其他活性含量較強(qiáng)氣體的含量也得到了降低。有色金屬真空熔煉過程，通過真空還原時(shí)金屬組分分離程度與成分，對(duì)A-B二元體系中氣質(zhì)物質(zhì)組分A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行計(jì)算：

其中，Ag為氣相成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，A1與B1為液相成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，VB與VA為氣相組分的蒸汽密度。真空條件下，有很少氣體參與反應(yīng)，有色金屬在熔煉過程中不會(huì)溶解氣體，且金屬在真空中加熱到較高溫度時(shí)，金屬極少會(huì)發(fā)生氧化。在同一溫度下，有色金屬真空提煉根據(jù)需要對(duì)技術(shù)與原料成分進(jìn)行選擇，從而實(shí)現(xiàn)所需產(chǎn)品。

1.3 真空蒸餾與精煉

真空條件下對(duì)有色金屬進(jìn)行提煉后，利用蒸餾與經(jīng)典技術(shù)去雜質(zhì)以實(shí)現(xiàn)材料提純[4]。有色金屬的蒸餾與提純，一種為在真空條件下依據(jù)不同金屬蒸氣壓之間的差別，通過揮發(fā)和冷凝過程實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬的蒸餾與分離，這以方法主要在感應(yīng)爐與電阻爐上進(jìn)行蒸餾；另一種為化學(xué)遷移反應(yīng)，利用氣體與金屬之間反應(yīng)，將其遷移到另一部位后發(fā)生，從而生成氣體與純金屬。有色金屬蒸餾在傳統(tǒng)過程中，需要在高于金屬沸點(diǎn)溫度下進(jìn)行，因此需要較高溫度。而且在蒸餾過程中，氧氣與金屬發(fā)生氧化反應(yīng)。采用真空蒸餾與精煉，能夠?qū)⒃诮鉀Q氧化作用的同時(shí)，降低金屬蒸發(fā)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)金屬的蒸餾與精煉。例如，鉛金屬沸點(diǎn)為1740℃，而在真空中則為1000℃左右，同時(shí)使其更快發(fā)揮。根據(jù)研究表明，有色金屬在真空中蒸發(fā)曲線為，如圖1所示：

圖1 金屬蒸發(fā)曲線

其中，P為氣體壓力，w為金屬蒸發(fā)速率（g·cm-2S-1）。金屬在真空中蒸餾與精煉，金屬的蒸發(fā)速率會(huì)隨著氣體壓力降低而增加，但隨著壓力降到Pcrit以下時(shí)，w不再增加。從而可以確定在真空中，蒸餾適應(yīng)真空度略小于Pcrit。

1.4 真空燒結(jié)

有色金屬在蒸餾與精煉后，利用燒結(jié)技術(shù)在10～10-3帕真空條件下將金屬在低于熔點(diǎn)溫度條件下燒結(jié)成為金屬坯。在真空條件下，由于金屬不會(huì)對(duì)氣體發(fā)生反應(yīng)，不會(huì)受到吸附氣體影響，且致密化效果更好，在起到凈化與還原作用的同時(shí)，降低燒結(jié)溫度。真空條件下可比常溫?zé)Y(jié)降低100℃～150℃，在節(jié)省能耗的同時(shí)，提高燒結(jié)質(zhì)量。在真空燒結(jié)過程中，當(dāng)β≥1時(shí)，利用真空燒結(jié)能夠更好的將有色金屬中各成分進(jìn)行有效分離。真空燒結(jié)作為一種物理過程，金屬在進(jìn)入進(jìn)料管后，一系列反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)燒結(jié)過程。且相對(duì)于傳統(tǒng)燒結(jié)過程，真空燒結(jié)消耗原料更少，對(duì)環(huán)境無污染，減少占地面積的同時(shí)增加金屬回收率。燒結(jié)過程需要較高溫度，因此加熱過程主要利用電在爐進(jìn)行，真空系統(tǒng)中的SO2氣體排放與收塵等不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

1.5 真空脫氣與熱處理

在進(jìn)行燒結(jié)后，真空條件下從液態(tài)金屬中對(duì)有害氣體進(jìn)行脫氣。其脫氣處理后金屬，不會(huì)在以后的熔鑄過程中釋放有害氣體對(duì)整體金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。使晶粒邊界的雜質(zhì)減少從而提高金屬強(qiáng)度和物理性能。經(jīng)過真空脫氣步驟，能夠有效改善金屬質(zhì)量、金屬機(jī)械性能和物理性能，也是目前真空冶金中應(yīng)用最為廣泛的一種工藝。傳統(tǒng)有色金屬冶金的必要條件為燃料使用，在燃料使用過程中會(huì)產(chǎn)生二氧化碳、硫化氣體等，對(duì)大氣造成污染。而在真空環(huán)境下，只需要在冶煉空間內(nèi)進(jìn)行相關(guān)工作，不僅降低了冶煉過程中對(duì)燃料的依賴，同時(shí)對(duì)其有害氣體的排放也能夠更好進(jìn)行控制，使有色金屬冶煉技術(shù)的環(huán)保水平得到提升。

有色金屬在真空形成氣體后，金屬元分子更傾向于分解成較少的原子，形成氣體分子。為改善金屬的物理、化學(xué)性能，在進(jìn)行脫氣處理后，在真空1～10-8帕條件下進(jìn)行金屬熱處理，使其組織結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變。真空熱處理過程主要分為真空化學(xué)處理、真空退火以及真空淬火三種分類。真空化學(xué)處理常用于真空離子滲碳、真空碳氮共滲、真空滲碳以及真空滲鉻、等離子滲鈹?shù)?；真空退火則主要用于難熔金屬等；真空淬火則是在真空條件下對(duì)金屬進(jìn)行加熱后在不同介質(zhì)中進(jìn)行冷卻。

1.6 真空鍍膜

在經(jīng)過以上處理步驟后，在真空1～10-8帕條件下利用金屬濺射或蒸汽使金屬凝結(jié)于其他金屬材料上，從而形成金屬膜或覆蓋層。在有色金屬真空冶金技術(shù)中，常用的有有真空鍍鋁或錫，真空鍍鎘、鎳、鋯或不銹鋼。真空鍍膜過程主要根據(jù)其原料與目的不同，對(duì)鍍膜結(jié)構(gòu)與材料進(jìn)行調(diào)整?？紤]到鍍膜元素金屬富集度，對(duì)其盡可能保證其產(chǎn)量與回收率。有色金屬鍍膜技術(shù)不僅能夠加強(qiáng)產(chǎn)品密封性、讓其應(yīng)用流程簡(jiǎn)化且使其使用過程更加智能化?？紤]到真空環(huán)境下冶金產(chǎn)品密閉性不強(qiáng)的缺點(diǎn)，通過鍍膜技術(shù)降低氣體對(duì)冶金材料的影響?？諝庾裱邏翰粩嘞虻蛪毫鲃?dòng)的規(guī)律，在范圍內(nèi)達(dá)到氣壓平衡。且有色金屬真空冶金在未來發(fā)展向著更加智能化的方向發(fā)展，且已經(jīng)成為各個(gè)材料應(yīng)用的主流趨勢(shì)，對(duì)其環(huán)境與技術(shù)要求有著更高的要求。金屬鍍膜技術(shù)能夠解決外界環(huán)境對(duì)合金的影響，從而使有色金屬真空冶金技術(shù)具有更好的穩(wěn)定性。

2 結(jié)語

隨著科技的不斷進(jìn)步，各領(lǐng)域?qū)τ猩饘俨牧闲阅芤笠苍絹碓礁摺ｋS著冶金水平的不斷提升，真空冶金技術(shù)也在不斷發(fā)展。有色金屬真空冶金技術(shù)主要從高液態(tài)金屬提純與改善金屬結(jié)晶兩方面入手。

根據(jù)所需要生產(chǎn)的合金的種類與用途，從而選擇最佳冶煉方法。將冶金技術(shù)在真空條件進(jìn)行，使冶金環(huán)境與條件在發(fā)生極大改變的同時(shí)從而實(shí)現(xiàn)以往無法實(shí)現(xiàn)的技術(shù)，如金屬蒸餾等，減少環(huán)境對(duì)冶金技術(shù)的影響。有色金屬真空冶金技術(shù)應(yīng)用時(shí)間較短，其技術(shù)與設(shè)備都需要有待加強(qiáng)。真空冶金技術(shù)作為時(shí)代的產(chǎn)物，隨著各行各業(yè)對(duì)材料細(xì)節(jié)要求的提升，需要具有冶金過程擁有較好的環(huán)保優(yōu)勢(shì)，從而為冶金技術(shù)提供更加廣闊的前景。