在冶金学中，“常压熔炼”（air melt）指的是生产钢材和其他合金最基本和最常见的方法，其熔化过程在暴露于正常大气中的熔炉中进行。这种初始熔炼阶段，通常在电弧炉（EAF）或感应炉（IF）中完成，确定了合金的基本化学成分，但也会引入来自周围空气的杂质。
核心要点是，常压熔炼是一种经济高效的大批量生产方法，适用于广泛的应用。然而，与更先进的真空熔炼技术相比，其直接暴露于大气气体，固有地限制了材料的纯度和最终性能。
常压熔炼生产的基础知识
要理解常压熔炼材料的作用，必须掌握其核心工艺及其产生的特性。这种主要的熔炼实践是全球绝大多数钢铁生产的基础。
核心工艺
该过程始于向熔炉中装载原材料，这些原材料可以包括废金属、生铁和特定的合金元素。然后施加强热——无论是通过大电流电弧（在EAF中）还是电磁感应（在IF中）——将装料熔化成液态。
在此过程中，熔融金属与周围的空气直接接触。这种暴露是常压熔炼过程的定义特征。
关键特性和杂质
由于熔炼发生在空气中，熔融金属会很容易地与大气气体发生反应，主要是氧气和氮气。
这种相互作用会导致形成非金属夹杂物，如氧化物和氮化物，它们会滞留在固化的金属内部。这些微观杂质会影响钢材的机械性能。
常见的合金生产
对于大多数不需要极高纯度的常见合金，常压熔炼是标准生产方法。
这包括大多数碳钢、低合金结构钢、许多等级的不锈钢和各种工具钢。这些材料构成了建筑、汽车制造和通用工业设备的基础。
常压熔炼与先进熔炼工艺的比较
常压熔炼的局限性催生了更受控的二次工艺，旨在生产更清洁、性能更高的合金。关键区别在于金属熔化或再熔化的环境。
真空感应熔炼（VIM）
VIM也是一种初级熔炼过程，但它是在一个密封的、真空密闭的腔室内进行的。在真空中熔化材料可以防止与大气气体发生反应，并有助于将溶解的气体（如氧气和氮气）从熔池中抽出。
结果是获得了比标准常压熔炼明显更清洁、更纯净的材料，非金属夹杂物少得多。
真空电弧再熔炼（VAR）
VAR是一种二次精炼过程，而不是初级过程。它采用先前熔炼过的材料——通常是高质量的常压熔炼或VIM锭——并将其用作消耗性电极。
该电极通过电弧在高真空下再熔化，滴入水冷铜模中。这种渐进式凝固过程进一步提纯了金属，并形成了高度均匀的内部结构，没有缺陷和残留杂质。VAR用于要求最苛刻的应用，如喷气发动机部件和医疗植入物。
理解常压熔炼的权衡
选择材料需要平衡性能要求和经济现实。常压熔炼在行业中的地位是由这些权衡决定的。
成本效益的优势
常压熔炼是生产大量钢材最经济高效的方法。设备复杂度较低，工艺速度快于基于真空的替代方法，使其成为商业级材料的理想选择。
夹杂物的局限性
主要缺点是非金属夹杂物的存在。这些微观杂质可以充当应力集中点，成为裂纹的潜在起始点。这限制了材料的疲劳寿命和断裂韧性，尤其是在高应力或循环载荷条件下。
不适用于关键应用
由于夹杂物带来的风险，标准常压熔炼钢不应用于发生故障将是灾难性的应用。任务关键的航空航天部件、高性能轴承、外科植入物和发电涡轮盘都需要VAR等二次工艺保证的更高纯度。
为您的应用做出正确的选择
选择合适的熔炼工艺是关键的工程决策，直接影响性能、安全性和成本。
- 如果您的主要关注点是成本和一般结构完整性： 常压熔炼是建筑框架、汽车车身和机械等应用的标准且最经济的选择。
- 如果您的主要关注点是提高韧性和抗疲劳性： 真空脱气常压熔炼或初级 VIM 工艺可提供更清洁的材料，适用于高强度齿轮或轴。
- 如果您的主要关注点是在极端环境下的最大可靠性和性能： 双重或三重熔炼工艺（例如，VIM 后跟 VAR）对于航空航天、医疗和国防应用是必不可少的。
最终，将材料的制造工艺与应用的性能要求相匹配，是合理工程的基础。
摘要表：
| 方面 | 常压熔炼 | 真空感应熔炼 (VIM) | 真空电弧再熔炼 (VAR) |
|---|---|---|---|
| 工艺环境 | 正常大气 | 密封真空室 | 高真空（二次工艺） |
| 主要用途 | 常见合金的初级熔炼 | 高纯度合金的初级熔炼 | 优质合金的二次精炼 |
| 关键特性 | 经济高效，大批量 | 高纯度，夹杂物少 | 优异的均匀性，无缺陷结构 |
| 典型应用 | 建筑、汽车、机械 | 高强度部件，部分航空航天 | 喷气发动机部件、医疗植入物、涡轮盘 |
| 相对成本 | 低 | 高 | 非常高 |
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