今年我们迎来了中华人民共和国建国60周年, 同时也是中国有色金属加工工业发生、 发展的60年。在这60年里中国有色金属加工工业和新中国一起发展壮大。中国的有色金属加工工业, 从无到有, 从小到大, 如今已经发展成为世界上有色金属加工材的生产大国, 主要有色金属加工材的产能和产量都位居世界前列, 这是让国人骄傲的一件事。众所周知, 有色金属材料是国家的重要的战略物资, 而有色金属中钛及难熔金属更是航空航天、 国防科技不能缺少的重要金属材料, 新中国成立以来钛及难熔金属材料的生产同样也得到了飞跃的发展, 基本满足了我国军工和航天航空工业的需要。今后随着我国科学技术和工业生产的不断进步, 钛及难熔金属的生产必将会有更大的发展。

真空熔炼是真空冶金的一个重要分支, 真空熔炼在我国起步较晚但发展很快, 它是生产活性金属及难熔金属材料不可缺少的重要工序。由于真空熔炼是在非常压下的一种特殊熔炼方法, 所用的设备复杂、 工艺操作技术含量高, 所以这一环节对材料的品质和性能影响很大, 一直是钛及难熔金属生产中的技术关键。近年来真空熔炼的技术发展很快, 先进的技术设备不断涌现, 工艺方法不断更新。目前我国还没有一部系统完整地阐述真空熔炼的技术图书, 根据钛及难熔金属生产发展的需要, 作者在近年授课讲稿的基础上编写了此书。本书全面系统地阐述了真空熔炼的技术及其原理, 同时, 也介绍了近年来出现的新工艺和新方法。供相关专业的学生及工程技术人员学习参考。

本书共分12章, 第1章为真空熔炼的技术基础, 主要分为两部分, 第一部分是真空的获得, 即初步介绍一些真空技术的基础知识; 第二部分是介绍一些真空熔炼的物理化学基础理论知识。第2章到第6章分别介绍了钛及难熔金属常用的各种真空熔炼方法包括真空感应熔炼、 真空电弧熔炼、 电子束熔炼、 等离子熔炼、 冷床(冷坩埚)熔炼等的工作原理、 设备结构和技术特性。因为真空电弧熔炼目前仍是钛及难熔金属的最重要的生产方法, 所以本书把真空电弧熔炼作为重点做了较全面系统的阐述。第7章至第11章分别介绍了钛和各种难熔金属及其合金的真空熔炼工艺特点和工艺实例。第12章介绍了真空熔炼过程中的生产安全与防护。

本书在编写过程中受到中国工程院周廉院士的关注和帮助, 西北有色金属研究院张英明博士, 北京航空材料研究院郝孟一高工, 洛阳有色金属加工设计研究院卫晏华总师提供了一些相关资料。另外东北大学的温景林教授、 崔建忠教授、 丁桦教授, 中国有色金属加工工业协会王碧文副秘书长给予了许多帮助。本书成稿后请孙树滋教授作了全面审阅, 特别应指出的是经田荣璋主审后, 引起书稿结构性的改变, 在此一并感谢。

限于作者水平, 书中疏漏和错误之处, 请同行专家和读者批评指正。

作 者

2009年8月

总序

有色金属是重要的基础原材料, 广泛应用于电力、 交通、 建筑、 机械、 电子信息、 航空航天和国防军工等领域, 在保障国民经济建设和社会发展等方面发挥了不可或缺的作用。

改革开放以来, 特别是新世纪以来, 我国有色金属工业持续快速发展, 已成为世界最大的有色金属生产国和消费国, 产业整体实力显著增强, 在国际同行业中的影响力日益提高。主要表现在: 总产量和消费量持续快速增长, 2008年, 十种有色金属总产量2 520万吨, 连续七年居世界第一, 其中铜产量和消费量分别占世界的20%和24%; 电解铝、 铅、 锌产量和消费量均占世界总量的30%以上。经济效益大幅提高, 2008年, 规模以上企业实现销售收入预计2.1万亿以上, 实现利润预计800亿元以上。产业结构优化升级步伐加快, 2005年已全部淘汰了落后的自焙铝电解槽; 目前, 铜、 铅、 锌先进冶炼技术产能占总产能的85%以上; 铜、 铝加工能力有较大改善。自主创新能力显著增强, 自主研发的具有自主知识产权的350 kA、 400 kA大型预焙电解槽技术处于世界铝工业先进水平, 并已输出到国外; 高精度内螺纹铜管、 高档铝合金建筑型材及时速350 km高速列车用铝材不仅满足了国内需求, 已大量出口到发达国家和地区。国内矿山新一轮找矿和境外矿产资源开发取得了突破性进展, 现有9大矿区的边部和深部找矿成效显著, 一批有实力的大型企业集团在海外资源开发和收购重组境外矿山企业方面迈出了实质性步伐, 有效增强了矿产资源的保障能力。

2008年9月份以来, 我国有色金属工业受到了国际金融危机的严重冲击, 产品价格暴跌, 市场需求萎缩, 生产增幅大幅回落, 企业利润急剧下降, 部分行业已出现亏损。纵观整体形势, 我国有色金属工业仍处在重要机遇期, 挑战和机遇并存, 长期发展向好的趋势没有改变。今后一个时期, 我国有色金属工业发展以控制总量、 淘汰落后、 技术改造、 企业重组、 充分利用境内外两种资源, 提高资源保障能力为重点, 推动产业结构调整和优化升级, 促进有色金属工业可持续发展。

实现有色金属工业持续发展, 必须依靠科技进步, 关键在人才。为了全面提高劳动者素质, 培养一大批高水平的科技创新人才和高技能的技术工人, 由中国有色金属工业协会牵头, 组织中南大学出版社及有关企业、 科研院校数百名有经验的专家学者、 工程技术人员, 编写了《中国有色金属丛书》。《丛书》内容丰富, 专业齐全, 科学系统, 实用性强, 是一套好教材, 也可作为企业管理人员和相关专业大学生的参考书。经过编写、 编辑、 出版人员的艰辛努力, 《丛书》即将陆续与广大读者见面。相信它一定会为培养我国有色金属行业高素质人才, 提高科技水平, 实现产业振兴发挥积极作用。

康义

2009年3月

序

瞻顾人类历史, 人类文明的进展无不与金属材料的使用联系在一起。6000年前人类开始使用青铜器, 人类历史就进入了青铜器时代。4000年前人类会使用铁器, 而发展到铁器时代。可见金属材料的开发和应用具有划时代的意义。以后随着人类社会进步, 越来越多新的金属材料不断地进入人类生活。如锌的应用有500多年的历史, 当今被广泛应用的轻巧耐用的铝合金, 仅有100年的历史。每种金属材料的应用, 都会给人类文明的发展做出重要的贡献。

当今社会是科学技术高度发达, 社会财富极为丰富, 人类高度文明的新时代。人们日常应用的金属材料有千万种之多, 它们有的以钢筋铁骨构建成高楼大厦、 公路桥梁; 有的身轻如燕飞向蓝天和宇宙; 有的深潜海底, 遨游五大洋; 有的载着我们东来西往;有的在我们身边, 随时传递美好的信息。所以说能源、 材料和信息科学是当代科技的三大支柱。

钛是金属材料族群中的一支新秀, 钛合金具有低密度、 高比强度和比模量、 高熔点、 耐腐蚀、 在高温时依然可以维持较高的强度和刚度, 并有良好的抗蠕变性和抗氧化能力, 是最具有潜力的新一代高温结构材料, 广泛地应用于航空、 航天、 舰船、 石油化工、 生物工程等领域, 因此被誉为“太空金属”和“海洋金属”。难熔金属均属于稀有金属, 它们具有高熔点、 高密度、 高温强度、 高硬度和耐酸碱腐蚀以及优秀的核性能等一系列特殊性能, 是高温领域中任何其他材料所不能替代的。因此在航空航天、核工业、 军事工业及冶金等领域有广泛的用途, 都是重要的战略物资。钛和难熔金属的生产、 储备及应用在一定程度上可以反映出一个国家的科学技术发展水平和综合国力。

我国钛及难熔金属材料的生产, 全国解放以后是从零起步, 经过60年的艰苦奋斗, 已取得了辉煌的成就。到今天已形成完整的科研生产体系, 基本保证了军事国防和科技发展的需求。

钛及难熔金属的共同特点是熔点高, 化学活性强, 纯度要求高, 所以真空熔炼是最合适的生产方法。

虽然早在1905年鲍顿就利用自耗电极和水冷铜坩埚, 在低压氩气的保护下熔炼金属钽获得成功, 但是真正用于生产还是在20世纪50年代以后, 所以真空熔炼还是一种“年轻”的正在发展的生产方法。真空熔炼最早只有真空自耗熔炼、 电子束熔炼和等离子熔炼, 近年来由于真空获得技术的进步, 以及新技术新工艺对新材料的需求, 推动了真空熔炼技术的发展。出现了组合冷坩埚感应熔炼技术, 冷坩埚磁悬浮熔炼技术和钛的冷床熔炼技术。这些新技术的出现, 又使真空熔炼技术提高到一个新水平。

今后随着国民经济和高新技术的飞跃发展, 对于各种金属材料需求量会越来越大, 品种会越来越多, 钛和难熔金属的生产必将会有更大的发展, 真空熔炼技术也必将会得到更加广泛的应用和发展。

《钛及难熔金属真空熔炼》一书, 全面系统地介绍了各种真空熔炼方法的工作原理、 设备结构、 工艺流程及各种生产工艺实例。该书系统全面, 内容翔实, 简明易懂, 可做本专业的工程技术人员、 高校学生、 熟练技术工人和工程管理人员的参考书, 也可作为岗位技术教育的专业教材。

周 廉