真空熔炼中的脱氧和脱气【非标仪器设备】

  脱氧——

  在真空感应熔炼中，普遍采用还原剂去除金属及合金中的氧。还原法脱氧主要有以下三种方式：一是碳还愿；二是氢还原；三是用与氧有高的亲合力的金属来还原。用前两种方法可以得到气态反应产物，这些气态产物可以不断地被真空泵抽走。用后一种方法多得到不溶于金属及合金的氧化物，它们以非金属夹杂的形式存在于金属或合金中。

  碳脱氧：碳在低压下是一种强脱氧剂。在熔炼过程中碳与金属中的氧反应生成CO。CO的生成自由能与其它氧化物生成自由能的变化不同，它随着温度升高而减小，而且在高温下自由能比多数氧化物低。由于生成的气态CO能被不断抽除，使反应很容易进行。但在工业熔炼的实践中，很难达到理论值，一个重要原因是在脱气期间很难达到理论平衡值，同时也因为与耐火材料的副反应，还会给熔池提供一定的氧。

  氢脱氧：当不能用碳进行还原时（例如生成稳定的碳化物），用氢还原就特别有利。该方法由于在还原反应完成后，能排出多余的溶解氢，因而十分有益。熔体中氧含量仅取决于水蒸气分压与氢分压之比。如果使干燥的氢气中水蒸气达到某一分压值，这时增加氢的压力，则更有利于使还原反应达到平衡。所以，效果更好的脱氧方法是增加氢的分压。用氢脱氧时，应将氢通入熔池中，因其接触面积大，脱氧效果好。与碳脱氧相比，氢脱氧的速度较慢，而且有一定的危险性，此方法应用有一定限制。

  活性金属脱氧：在真空感应熔炼中，也常加入一些活性金属，使有害的金属氧化物还原，形成一种低溶解度的稳定化合物而脱氧。通常这种方法要比碳或氢脱氧的速度要快，因为新相在整个熔池中均匀分布，而且这种作用不像气相反应一样，需要有种核作用及运动等现象。此法也像碳还愿一样，很难计算所需还原剂的准确用量。加入还原剂过量，对金属性质有危害，而多余的还原剂不能通过挥发被去除，那么精 确计算就是必须的。另外，还原生成的产物是呈弥散状态而保留在熔体中，就没有达到真空脱氧的目的，则不能用此法脱氧。

  金属或非金属成分的挥发脱氧：真空熔炼的高温和低压特点，给在熔炼过程中生成大量的金属蒸汽创造了条件。所以真空熔炼中可以用蒸发作用，除去具有高挥发性的有害杂质（例如钢中的As、Sb、Sn、Cu等）。但另一方面也会造成有挥发性的合金元素的损失。例如作为合金元素的锰和铬很容易挥发损失掉。在真空熔炼中，如果某金属元素的氧化物蒸汽压高于纯金属的蒸汽压时，则可通过这种氧化物来脱氧。这种脱氧过程虽然伴随着金属损失，但对某些金属中氧的去除起着极为重要的作用。这些氧化物都是些低价氧化物，如SiO、SnO、SeO、GeO、ALO、ZrO、AL₂O等。某些高熔点金属的一氧化物蒸汽压臂纯金属的蒸汽压高好几个数量级，这样的一氧化物在熔炼温度上就较纯金属更容易挥发。根据这一原理，可以通过向合金中加入一种与氧有高亲合力的添加剂的方法，使其生成一氧化物，再借助一氧化物的蒸发来脱氧。采用这种方法的条件是：添加剂所生成的一氧化物蒸汽压必须高于基本金属和基本金属氧化物的蒸汽压。如果添加剂臂基体金属更易挥发，则过剩的添加剂就很容易被完全除掉。如电子束炉熔炼铌时，加入锆就比不加锆脱氧效果好。此时锆是被作为铌的一种脱氧剂。要防止合金成分过多挥发损失，在熔炼时可采用向炉内充入一定压力的惰性气体或者将易挥发元素在熔炼后期加入。如用真空感应炉熔炼高温合金时，锰的挥发损失高达95%，若在出炉前充入Ar至（4.0～4.8）×10⁴Pa后再加锰，则收得率达94%以上。

    脱气——

  由于液态金属的结构是由松散、游动的近程有序的原子集团组成，并且存在很多“空穴”，而能溶于金属液的气体原子，又多时半径小、活性大的，所以大量的气体原子很容易溶入液态金属中。研究表明，金属中的气体以氢气占绝大多数。因此，脱气也是真空熔炼中的重要任务。

  金属中气体含量一般用气体的溶解度来表示。溶解度的定义是：在一定温度和压力条件下，金属吸收气体的饱和浓度。常用每100g金属中在标准状态下所含饱和气体的体积，即cm³/100g来表示。气体在金属的溶解度，决定于金属和气体的性质、气压和温度。

  压力对气体溶解度的影响遵循“平方根定律”，即在一定温度条件下，金属中气体（指双原子气体）的溶解度与金属和气相接触处，该气体分压的平方根成正比。在熔炼温度一定的情况下，熔炼真空度越高，气体分压值越低，熔炼金属中的氮、氢的残留量也越低。实际上真空熔炼的脱气作用非常强，气体从熔体中析出后马上被真空泵抽走，所以气体分压一直维持在较低的状态，这样脱气会不断进行下去，直到达到新的平衡状态。