1、2019/1/19,1,真空应用 Vacuum Application,主讲： 王晓冬 Dr. X D Wang ,2019/1/19,2,课程内容与学时安排,1真空应用概论(4学时) 2 真空冶金（12学时） 3 真空热处理（4学时） 4 真空技术与太阳能利用（2学时） 5 真空冷冻干燥（2学时） 6 真空绝热（2学时） 7 真空压力浸渍（2学时） 8 真空镀膜（2学时）考试（2学时）,2019/1/19,3,2 真空冶金,2.1 真空冶金的特点和分类 2.2 钢液真空处理 2.3 真空电炉的分类和组成 2.4 真空感应熔炼 2.5 真空电弧熔炼 2.6 电子束熔炼,2019/1/19,4,
2、2.5 真空电弧炉,2.5.1 真空电弧炉的工作原理 2.5.2 真空电弧炉的结构 2.5.3 真空电弧炉的设计计算 2.5.4 真空凝壳炉,2019/1/19,5,2.5.1 真空电弧炉的工作原理,真空电弧炉是在真空中利用电弧放电产生的热量来加热和熔炼金属的一种电炉。 金属电极在直流电弧高温作用下，迅速熔化并在水冷结晶器内进行再凝固。 液态金属以熔滴的形式通过5000k的电弧区向结晶器滴落，使金属得到精炼； 达到净化金属、改善结晶结构，提高材料性能的目的。 电极为负极，熔池为阳极,真空电弧炉,1953年真空电弧炉正式用到工业上。 直到1956年，美国和欧洲许多国家还在用非自耗炉熔炼钛，195
3、5年开始用自耗炉炼钢。 1960年左右自耗炉生产的锭重已达30多吨，初具规模。 目前以美国康撒克公司制造的真空自耗炉为代表。 为提高生产率和设备的利用率，两台炉子共用一套主电源、真空系统和自动控制系统。,2019/1/19,6,2019/1/19,7,1）真空电弧炉的分类,电弧炉分为自耗炉和非自耗炉。 自耗电炉的电极由被熔材料制成,在熔炼过程中逐渐消耗,熔化后滴进结晶器中冷凝成锭。 非自耗电炉的电极由钨等高熔点材料制成，被熔材料逐渐加入，在结晶器内熔化、凝结成锭。在炉料熔炼过程中电极基本不消耗。 非自耗炉缺点：电极污染、电弧稳定性差、熔炼速度慢、效率低，合金成分比例难于控制。,真空自耗电弧炉,
4、2019/1/19,8,真空自耗电弧炉是当今生产工业钛镍的唯一手段,2019/1/19,9,真空自耗炉系统示意图,2019/1/19,10,真空电弧凝壳炉,冷却量适当减少，使熔池扩大； 在结晶器内部凝固成一层被熔材料的薄壳，成半球形； 可以避免坩埚对熔材的污染； 可以精炼金属合金，并浇铸异型铸件； 损失部分熔材（1/4-1/5）。,真空自耗电极凝壳炉,2019/1/19,11,真空自耗电极凝壳炉,2019/1/19,12,适用于钛及钛合金及活性难熔金属的熔炼与离心浇铸成型,2019/1/19,13,2019/1/19,14,2019/1/19,15,2）真空中的电弧,气体放电气体发生电离而导电
5、。 分为自持放电和非自持放电。 按气体放电的光亮程度（电流密度）划分放电： （1）无声放电：外界物理因素引起的气体电离或材料表面发射电子；电流密度10-6A/cm2 （2）辉光放电：电子密度 1A/cm2 ，维持电压=100V；具有辉光，但不热。,2019/1/19,16,弧光放电,大电流，电流密度（1-100）A/cm2； 低电压，U=10-20（V） 高热度，弧柱区温度可达5000K 强弧光三种气体放电现象随电流和/或气体压力变化相互转换,2019/1/19,17,气体放电的伏安特性,2019/1/19,18,气体放电与电流和/或气体压力关系,2019/1/19,19,电弧的构造,阴极区
6、弧柱区：等离子体区； 阳极区：高于阴极温度200度。,电弧的构造,巨大的电流密度来自于阴极的热电子发射，以及电子的场致发射，即在阴极附近有正离子层，形成强大的电场，使阴极发射电子。 大量电子在极间碰撞气态分子使之电离，产生更大量的正离子和二次电子，在电场作用下，分别撞击阴极和阳极，结果获得高温。 阴极因电子发射用去部分能量，所以温度低于阳极。 极间也因部分正离子与电子复合放热而产生高温。,2019/1/19,20,2019/1/19,21,气体压力对电弧的影响,（1）气体压力对阴极斑点的影响 气体压力高，阴极斑点面积减小，易灭弧 气体压力低，阴极斑点面积增大，电流密度降低，温度下降，电弧不稳定
7、，易出现边弧等。 （2）气体压力对弧柱区的影响 气体压力高，弧柱区截面减少，电流密度增加，弧柱温度增高，阴极斑点游动迅速，电弧不稳定 气体压力低，弧柱区截面增大，电流密度降低，热效率低,2019/1/19,22,真空度的选择,真空精炼要求真空度较高； 压力太低，难于维持弧光放电，电弧不稳定； 电弧稳定的气体压力：105-6.6*103Pa，P50Pa (6.6*103-66)Pa时会引起辉光放电； 真空度选择：为防止材料突然放气，真空度选1-10-2Pa； 最佳压力范围：0.67-1.3Pa,2019/1/19,23,磁场对电弧的影响与稳弧线圈,（1）横向磁场 电弧形成的轴对称磁场，压缩弧柱面
8、，使熔池深度增加，有稳弧作用； 电流进出电缆形成的轴对称磁场，电缆本身、电缆与电极、结晶器要平行，防止出现“偏弧” （2）纵向磁场 由稳弧线圈提供，具有稳弧、聚弧作用； 电动力作用下使熔池产生旋转。,稳弧线圈设置,2019/1/19,24,2019/1/19,25,磁场对电弧的影响,2019/1/19,26,熔炼电流、电压的选择,（1）熔炼电流大电流 决定熔化速度、熔炼温度、熔池大小。 对于高熔点、流动性差、小断面电极，采用电流要大些。反之电流适当小些。 电流在104A量级。 （2）熔炼电压低电压 为保证低压大电流，一般采用短弧熔炼， 弧长( 20-50)mm。 弧长太长，电弧不稳，弧长太短易
9、出现短路。,2019/1/19,27,电弧电压/电流与电弧长度的关系,2019/1/19,28,3）电弧熔炼的特点,优点： (1)熔炼不受耐火材料、大气和铸模的污染； (2)可以生产大尺寸（直径2米）、大吨位金属锭50-70吨； (3)快速定向结晶，消除缩孔、偏析和中心疏松 缺点： (1)电极制造困难，挤压法，感应炉熔炼成锭； (2)锭子为柱状晶，沿径向变化，晶粒较大。,2019/1/19,29,4）电弧熔炼的工艺过程1,引弧建立熔池期，正常熔炼期，头部补缩期 （1）引弧引燃电弧，并过渡到稳定燃烧状态，建立一定深度的熔池 直接引弧电极与结晶器底部瞬时短路，在拉开起弧，电子热发射、场致发射、光致
10、发射等，使气体和金属蒸汽电离，形成稳定的放电。但安全性差，很少使用。 起弧垫、引弧材料引弧短接后拉起，提高引弧的安全性 。引弧垫15-25mm。 空载电压45-50V，高于正常熔炼电压24-26V。,2019/1/19,30,电弧熔炼的工艺过程2,（2）正常熔炼 滴熔，除气、去杂质、结晶。 （3）封顶 逐渐减小熔炼电流，降低熔化速度； 多级封顶、低电流保温； 防止钢锭头部缩孔，减少头部V型收缩。,2019/1/19,31,真空电弧炉工作原理综合分析,真空：气体放电条件 直流电源：低电压、弧光放电 阴极区：熔化金属 生热源：正离子轰击、化学反应、弧柱区传热； 消耗热：发射电子、散热、熔化电极 阳
11、极区：保持熔池熔融状态 生热源：电子轰击、化学反应、弧柱区传热； 消耗热：散热,2019/1/19,32,5）电弧炉的防爆,（1）爆炸原因 冷却水不足 电极偏斜 真空度过低（P50-100Pa）等 引起边弧将结晶器烧穿漏水。 （2）爆炸形式 （a）良性爆炸漏水与金属接触，瞬时产生大量水蒸气，发生水蒸气爆炸，冲破防爆孔，危害性不大。,2019/1/19,33,电弧炉的防爆,（b）金属爆炸水进入金属熔池中，液态金属飞溅到炉壳上，将炉壳烧穿，尚不能破坏整个设备。 （c）恶性爆炸水与熔炼的活泼金属进行化学反应，生成大量氢气，与炉壳被烧穿后进入的氧气反应，发生剧烈爆炸，会破坏炉子，摧毁厂房。,2019/
12、1/19,34,防爆措施,短弧操作弧长小于电极与结晶器内壁的间隙 增加抽气能力并联罗茨泵，及时排除突然产生的大量气体 冷却系统安全可靠水温、水压、流量与电源互锁 设置泄压装置弹簧泄压、薄膜泄压 遥控操作设置防爆墙，远距离观察熔炼过程 使用新型冷却介质Na、K合金液代替水冷却,2019/1/19,35,防暴装置,2019/1/19,36,2.5.2 真空电弧炉的结构,1）电弧炉的组成 2）炉体 3）坩埚及其水冷 4）电极杆及其传动机构 5）防暴装置 6）观察装置 7）真空系统,2019/1/19,37,1）电弧炉的组成,炉壳 电极杆及传动装置（电机、减速器） 观察装置 坩埚及水冷系统 真空系统及
13、水冷系统 液压系统（炉体的升降和转动） 气动系统（真空阀门、电极卡头） 电源设备及控制系统 特点：设备庞大，机械化、自动化程度高,2019/1/19,38,电弧炉炉型,按炉体或坩埚转动或移动划分： （1）炉体固定、坩埚移动型：由小车拉锭、卸锭、送电极 （2）炉体固定、坩埚转动型：两个坩埚交替使用，生产效率高 （3）炉体转动、坩埚固定型：两个坩埚交替使用，生产效率高 （4）炉体移动、坩埚固定型：两个坩埚交替使用，生产效率高 后三种炉型在坩埚上设置真空阀，多锭熔炼,2019/1/19,39,典型炉型P型炉结构,一个可转动炉体，两个坩埚； 运动要求： 升降和旋转 升降：液压油进入油缸，使整个路体沿导
14、向键向上提起，至要求位置； 旋转：液压油进入旋转油缸，使炉体旋转一定角度，完成坩埚的更换。,2019/1/19,40,炉体转动型自耗炉结构,直流电机用于正常熔炼 交流电机用于快速提升和装卸电极,炉体转动型自耗炉,2019/1/19,41,2019/1/19,42,转动式炉体结构图,2019/1/19,43,2）炉体,真空室，上接传动系统，中接真空系统，下接坩埚 （1）作用 真空室，熔炼、精炼的场所 （2）要求 足够、最小的空间 炉体内径Dl=(2-3)DD ，DD锭子最大直径； 炉体高度：h=电极长+电极夹头+电极杆长-锭长（坩埚深）,2019/1/19,44,足够的强度和适度的冷却,足够的强
15、度： 考虑炉体连接的机械设备、电极等的重量，大气压力、水冷水压，防爆孔等强度削弱处。 圆形结构多，刚度大、省材料、易加工。 适度冷却： 冷却水带走热量23260w/m2时，采用水套冷却。 热流密度23260w/m2时，采用水管冷却。,2019/1/19,45,观察装置与炉门,设置观察装置 对称于电极至少设置2个观察孔，以便看清熔炼全貌，远距离观察。设置炉门（人孔） 检修、清理炉体。,2019/1/19,46,3）坩埚及其水冷,（1）坩埚作用 结晶器、热交换器、放电电极 （2）要求：导热、导电性好 材料紫铜（最多使用，价格低于无氧铜，不与被熔金属粘结）、无氧铜、钢（大坩埚） 表面平整光滑便于脱锭
16、 足够的刚度和强度 壁厚尽量薄便于热交换 留有热膨胀变形伸缩余地,2019/1/19,47,坩埚制造及冷却,小坩埚挤压成型，壁厚8-10mm，要有一定的锥度，便于脱锭 直径小于150mm时，锥度为1：200 中型坩埚采用离心铸造 大型坩埚采用卷板焊接，壁厚12-24mm。适当的冷却80%的热量由冷却水带走,2019/1/19,48,坩埚的结构形式,整体式适用于小炉，翻倒脱锭 活底式便于清除水锈和水垢 脱锭式熔池始终处于坩埚口处，污染少,2019/1/19,49,坩埚的冷却方式水冷套式,水冷套(最常用): a稳弧线圈在水套内 b稳弧线圈在水套外,2019/1/19,50,坩埚的冷却方式喷淋式,由
17、上部环形管(可移动式随熔池面的变化而移动)开2-3mm孔多个 水由小孔喷淋到坩埚外壁，一部分蒸发，一部分淋下，换热效果好 省水，可以防止蒸汽爆炸,2019/1/19,51,坩埚的冷却方式钠钾合金液冷却,78%Na,22%K, -11为液态，流动性好 通过冷凝器循环使用。 不与活泼被熔炼金属发生化学反应，可起到防爆的作用。,2019/1/19,52,4）电极杆及其传动机构,电极杆 导电，为弧光放电提供大电流；夹持并带动电极上下运动 足够的导电截面，小的电阻（自身电压降=1V） 足够的机械强度 表面光洁、耐磨，轴线直线度高 充分的冷却 夹头简单、可靠，装卡方便。,2019/1/19,53,滚珠丝杠
18、传动电极杆结构,外层不锈钢，承担机械载荷和动密封中间层紫铜，导电内层不锈钢，承担电极重量和汽缸压力,2019/1/19,54,电极杆传动系统,对传动的要求： 下降速度满足熔化速度，几至十几毫米/分钟 快速下降当发生边弧、爬弧等异常放电时，快速下降，消除异常放电，速度在50-100毫米/分钟 快速提升消除异常放电后，实现快速提升，以免短路时间太长烧毁电源以及熔池温度下降与电极粘到一起。短路时间0.2-0.5s。提升速度500-1000mm/min。 运动平稳、精度高、惯性小。,2019/1/19,55,传动系统1,1）电磁离合器传动系统 交流电机、斜齿轮减速机：快速提升和装卸电极 直流电机、斜齿
19、轮减速机：正常熔炼 电磁离合器：实现两台电机的切换 滚珠丝杠传动：实现不同的升降速度。,2019/1/19,56,带有电磁离合器的传动系统图,2019/1/19,57,传动系统2,2）带有差动器的传动系统 直流电机：经三级减速，再经差动轮系A，由齿轮7输出，再与差动轮系B联接，实现减速运动。 交流电机：经两级减速，与B联接，实现快速升降,2019/1/19,58,带有差动器的传动系统图,2019/1/19,59,5）防暴装置,2019/1/19,60,6）观察装置,2019/1/19,61,光学观察装置,2019/1/19,62,7）真空系统,2019/1/19,63,7）真空系统,2019/
20、1/19,64,2.5.3 真空电弧炉的设计计算要点,1）炉体 2）坩埚 3）稳弧线圈 4）电极杆 5）电源参数,2019/1/19,65,1）炉体,炉体内径Dl=(2-3)DD ，DD锭子最大直径； 炉体高度：h=电极长+电极夹头+电极杆长-锭长（坩埚深） 炉壳厚度：按强度进行设计和校核。,2019/1/19,66,2）坩埚,坩埚受热： =d+f+y+n+z+hd电极辐射传热量 f熔池辐射热 y熔池金属热传导 n锭子结晶放热 z熔池蒸发物凝结热 h电弧辐射热,2019/1/19,67,电极辐射到坩埚上的热量d,电极散热：绝大部分辐射到坩埚上，小部分热传导到电极杆上。 计算假设： （1）稳定传
21、热，即电极温度分布不随时间变化； （2）忽略对流换热 进行热平衡计算,热平衡方程,边界条件：,2019/1/19,69,电极温度分布,电极辐射到坩埚上的热量d,认为电极端部传入的热量经电极辐射耗散到坩埚上,2019/1/19,71,金属蒸汽冷凝到坩埚上放热量z,（1）蒸发速度gz：熔池金属液蒸发与凝结处于动态平衡Ps饱和蒸汽压Pa，M蒸汽摩尔质量g/mol； Tb熔池温度，Tr材料熔点。 （2）金属蒸发量： （3）凝结放热：qz蒸发潜热；qr熔化放热,2019/1/19,72,熔池辐射到坩埚上的热量f,2019/1/19,73,熔池的热传导流量y,边界条件：,计算微元,熔池的热传导流量y,y为
22、与熔炼材料物性有关的系数,2019/1/19,75,锭子结晶放热,熔炼速度； 熔化热； 材料比热； 冷凝后温度。,2019/1/19,76,电弧对坩埚的辐射热,电弧单位长度电阻； 电弧长度； 熔炼电流； s电弧侧面积； g电弧总的表面积。,坩埚的冷却计算,冷却换走金属结晶和电极辐射等的热量。 冷却不足坩埚变形、破坏； 冷却过度熔池太小，熔炼不充分，锭子质量下降。 冷却计算包括：冷却水量、冷却水流速以及冷却水流速校核。 冷却水消耗量：出水温度不大于45,2019/1/19,77,2019/1/19,78,坩埚的冷却计算,（）坩埚侧壁冷却 最大热流密度发生在熔池上部与坩埚壁仅有极薄的凝壳处:平均导
23、热系数。 必须保证允，使冷却水在水套中不产生气泡和水垢。,2019/1/19,79,坩埚的冷却计算,（）坩埚底的冷却计算 坩埚底受热最严重的状态为起弧的瞬间，消耗的热流量为炉子功率的25%：冷却水流量要满足要求。,2019/1/19,80,坩埚尺寸计算,容积：高度：直径：,2019/1/19,81,3）稳弧线圈,稳弧线圈的作用：在坩埚外，通以直流或交流电，建立一纵向磁场，稳定电弧和搅拌熔池，获得高质量的熔炼材料。 稳弧线圈的结构：均匀缠绕；上部、下部匝数较多，中间稀疏以补偿端部磁场的削弱。 稳弧线圈的磁感应强度：约束电子在一定半径之内。 稳弧线圈安匝数：安匝数大时，电弧收缩，阴极斑点减少，熔化
24、速度下降；反之，弧柱截面增大，热损失增加、温度下降，熔炼速度下降。,稳弧线圈参数,将电子约束在一定回转半径内的线圈的磁感应强度：螺管线圈安匝数：h稳弧线圈高度，空气磁导率,2019/1/19,82,2019/1/19,83,稳弧线圈安匝数熔炼速度,稳弧线圈适当的安匝数可加快熔炼速度； 可采用多抽头线圈，调节线圈的安匝数，使之处于最佳值。,2019/1/19,84,4）电极杆,电极杆的电流密度：小于（10-12）A/mm2 电极杆的尺寸：直径由结构和强度决定；长度电极杆的距离和结构需要而定。 电极杆移动的距离L=Ld-LD; Ld电极长；LD坩埚深。 电极杆的热电计算： max=r+d+f r电
25、阻发热量（含电极卡头接触电阻热）； d电极传导的热量； f熔池辐射热量。,2019/1/19,85,5）电源参数,熔炼电流：影响电弧燃烧的稳定性、熔炼速度、熔池温度、深浅以及钢锭质量。炉子电压 炉子功率 炉子热效率,熔炼电流,熔炼电流：影响电弧燃烧的稳定性、熔炼速度、熔池温度、深浅以及钢锭质量。 电流增大，熔池加深，冷却慢，易出现偏析 电流减少，燃烧不稳定。 （1）保证电极稳定熔化的最小电流密度 （2）保证获得优质钢锭的最小电流密度 （3）保证获得优质钢锭，并由一定储备余量的电流密度,2019/1/19,86,熔炼电流与坩埚直径的关系,2019/1/19,87,I=（17-40）DD （A）,
26、熔炼电流和熔炼时间的关系,2019/1/19,88,前期水冷强烈，电流要高一些，中后期炉内温度升高，电流小些。,炉子电压,（1）解析法Ry电缆电阻 Rt炉体电阻 Rd电极和电极杆电阻 Rx限流变阻器电阻 Rj接触电阻 Ua电弧电压降,2019/1/19,89,炉子电压,2019/1/19,90,（2）对比法 与现有炉子参数作对比，确定炉子电压。 （3）经验法 U炉体=5-10V U其余=3-5V,炉子功率,（1）按熔炼电流、电压计算P=I*U （2）热平衡法P=Pe+Ps+Pes Pe有功功率；Ps热损失 Pes回路电阻热损失,2019/1/19,91,炉子参数与热效率,2019/1/19,9
27、2,2019/1/19,93,4 真空凝壳炉,1）工作原理 采用浅底水冷坩埚，控制冷却水量，使被熔金属在坩埚内壁形成一薄层凝壳。 与坩埚隔离，防污染； 形成大的熔池，可浇铸异性铸锭。 2）结构组成 电源、电控；坩埚及翻转机构；操作平台；炉体；电极快速提升装置；电极升降系统；真空系统；水冷系统；离心浇铸装置。,真空自耗电极凝壳炉,2019/1/19,94,真空自耗电极凝壳炉,2019/1/19,95,适用于钛及钛合金及活性难熔金属的熔炼与离心浇铸成型,2019/1/19,96,2019/1/19,97,电弧熔炼结束,2.5.1 真空电弧炉的工作原理 2.5.2 真空电弧炉的结构 2.5.3 真空电弧炉的设计计算 2.5.4 真空凝壳炉,2019/1/19,98,
