1.1特种冶炼的发展

  特种冶炼是生产特殊钢、高温合金、精密合金和高合金钢等高级合金的特殊而有效的方法。以钢为代表的金属材料，在国民经济、国防建设和科学技术等领域中得到了广泛的应用。当代电子技术、航空航天技术，航海和能源技术等领域的日新月异的进展，对钢和合金的的质量和品种提出了愈来愈高的要求。例如：要求钢或合金能够在高温、高压、高速度、动载荷、高辐射、高腐蚀性介质等环境下可靠地进行工作。而常规熔炼方法如转炉、平炉和电弧炉等生产手段已难以满足实际的要求，无法提供如此高质量的产品，这就需要用特种熔炼方法来完成。常用的特种熔炼方法有感应炉熔炼（Induction Melting）、电渣冶金（Electro-slag Metallurgy）、等离子弧熔炼(Plasma Arc Melting）、真空电弧重熔（Vacuum Arc Remelting）和电子束熔炼法（Electron-beam Melting Process）等。

（1）    感应熔炼（Induction Melting）

感应炉熔炼是利用电磁感应原理加热和熔化金属的。按照频率可分为工频炉、中频炉和高频炉；按照气氛和结构分为真空感应炉以及等离子感应炉等不同用途的炉种。工频炉主要用于熔炼铸铁，高频炉主要用于实验室研究，而用于生产优质钢和合金主要是中频炉，具有熔化速度快、生产效率高、适应性强、使用灵活、电磁搅拌效果好和启动操作方便等优点。目前，感应炉冶炼已经发展成为特殊钢、精密合金、电热合金、高温合金以及耐蚀合金等特殊合金生产的重要方法。

（2）电渣冶金（Electro-slag Metallurgy）

电渣冶金是利用电流通过液态熔渣产生的渣阻热来加热和精炼金属的一种特种熔炼方法。其核心是电渣重熔（ESR），其目的是在初炼的基础上进一步提纯钢、合金和改善钢锭的结晶组织，从而获得高质量的金属产品。电渣重熔适合于中型及大型锻件的生产，重熔的产品磷、硫含量低，非金属夹杂物含量低，重熔锭子和铸件的组织致密，几乎没有缩孔，因而大大提高了产品的质量以及机械性能、加工性能、使用性能等各项指标。

（3）真空电弧熔炼（Vacuum Arc Melting）

真空电弧熔炼可以形成一种低氧势、高温的熔炼条件，所以早在上一个世纪就被用于熔炼铂、钽、钨等难熔的或易氧化的金属。随着机械工业的发展，真空自耗电弧重熔法成功地应用于钛及钛合金、精密合金、高温合金和难熔金属的生产，该熔炼方法在20世纪40～50年代得到了迅速发展，容量日趋大型化，至今在特种熔炼中，真空电弧熔炼仍然是重熔精炼的主要方法之一。

（4）电子束熔炼（Electron-beam Melting）

电子束重熔法是在高真空度条件下，利用电子枪发射出高速电子束作为热源，使金属熔化的一种熔炼方法，简称EBM。电子束重熔法从熔炼难熔金属(钽、铌、铪以及钨、钼等)开始，现已扩展到生产半导体材料和高性能的磁性合金以及部分特殊钢，如滚珠轴承钢、耐腐蚀不锈钢、以及超低碳纯铁等。此外，电子束重熔炉还能用来熔炼某些耐热合金，特别是以铌或钽为主的含钨、含钼的合金。

（5）等离子弧熔炼(Plasma Arc Melting）

等离子熔炼是利用等离子弧作为热源来熔化、精炼和重熔金属的一种新型熔炼方法。等离子弧作为冶金热源其潜在的优势在于：能量集中，温度高(5000～300000K)，离子流速度快(100～500m/s)，能够快速升温和快速反应等；气体处于离子状态，反应活性强，可根据需要对气体进行选择，如用还原性气体(氢气、一氧化碳、烷、烃等)对炉料进行直接还原或精炼，也可以脱氧使铸锭无残存脱氧产物。在高温等离子弧作用下，S、P、Pb、Bi、Sn、As等杂质容易挥发，它可熔炼金属材料，又可熔化非金属材料。

1.2特种冶炼所生产的主要品种

特种冶炼是生产特殊钢、高温合金、精密合金、高合金钢、难熔金属及合金、钛及钛合金、电热合金等高级合金的特殊而有效的方法。

（1）精密合金（precision alloy），具有特殊物理性能的一类金属和合金，主要用途不是作为结构件而是依据其物理性能而用于制造航空航天器的精密仪表、控制、遥测、电器、附件和电子装置以及武器系统中的传感器和换能器等重要材料。我国用字母“J” 前面冠有数字表示其合金类别；如“1J”表示软磁合金，“2J”表示永磁合金，“3J”表示弹性合金，“4J”表示热膨胀合金，“5J”表示热双金属，“6J”表示电阻合金。

（2）高温合金（high temperature-resisting alloy or Heat-resisting superalloy ) 是航空燃气涡轮、舰船燃气涡轮和火箭发动机的重要金属材料。较高的抗蠕变变形和抗蠕变断裂能力，抗腐蚀和抗热冲击的能力。

1.3 钢和合金的冶炼质量评价指标

   （1）成分控制：成分控制中除了控制通常炼钢生产中必须控制的C、Mn、Si、P、S外，还包括Cr、Ni、Mo、W、Nb、V、Al、Ti等合金元素以及微量元素B、Ce、La、Zr、Mg、Ca、Hf、Y、Sm等的控制。成分能否获得最佳控制在很大程度上取决于冶炼工艺过程。

   （2）纯洁度：钢和合金的纯洁度是指所含有害杂质的数量以及气体的含量，主要包括以下几方面。

1）非金属杂质

    非金属杂质通常指S、P、Ce、Br、I等。不同钢种对S、P含量的要求是不同的，例如普通钢w(S)≤0.055％，w(P)≤0.045％；优质钢w(S)≤0.045％，w(P)≤0.040％；合金钢S和P均小于0.04％；高级优质钢w(S)≤0.030％，w(P)≤0.035％；而某些高温合金w(S)≤0.030％。对于Ce、Br、I等某些技术标准规定应低于0.0025％。

   2）气体

    通常情况下，钢和合金中氧、氢、氮的含量愈低，钢和合金的性能愈好。

   3）非金属夹杂物

    非金属夹杂物对钢和合金性能的影响不仅与其数量有关，而且与其类型、尺寸、形貌及分布有关。因此，非金属夹杂物含量及分布状态是评价钢和合金质量的重要指标之一，常规检验采用标准等级比较法。

   4）金属杂质

金属杂质主要是指钢和合金中的Pb、Sn、As、Sb、Bi及其他微量元素杂质。金属杂质含量对钢和合金性能有显著影响。

 （3）铸态组织：钢和合金锭子的铸态组织对锭子的热加工塑性及钢材的机械性能有重要影响。良好的冶金产品其铸态组织应具备以下条件：规格符合要求；表面质量良好；缩孔小；锭子密实；成分及组织结构均匀，偏析程度小；结晶组织良好。

1.4 工艺对钢和合金组织性能的影响途径

（1）成分控制影响钢和合金性能。不同冶炼方法对成分控制的程度不同，真空电弧炉对易氧化元素控制较好，电渣冶金对易挥发元素损失量小。

（2）纯洁度影响钢和合金性能。真空熔炼有害金属杂质及氧含量低，电渣重熔脱硫能力和去除氧化物夹杂较好； 

（3）控制组织影响钢和合金性能。电渣冶金锭子柱状晶轴向发展、疏松偏析程度小。