3 200 kW電子束冷床爐熔煉純鈦電子槍工藝參數(shù)設(shè)置

卞 輝

(云南鈦業(yè)股份有限公司，云南 楚雄 651209)

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3 200 kW電子束冷床爐熔煉純鈦電子槍工藝參數(shù)設(shè)置

卞 輝

(云南鈦業(yè)股份有限公司，云南 楚雄 651209)

電子束冷床爐熔煉是目前較先進(jìn)的鈦及鈦合金熔煉技術(shù)，是生產(chǎn)大型優(yōu)質(zhì)鈦錠的重要熔煉方式。本研究采用顆粒狀海綿鈦為原料，以垂直進(jìn)料的方式熔煉大型純鈦扁錠，對電子束冷床爐熔煉區(qū)、精煉區(qū)、結(jié)晶器的4支電子槍工藝參數(shù)的設(shè)置進(jìn)行了分析并制定了電子槍工藝參數(shù)。通過為期1個月的純鈦扁錠熔煉試驗驗證，結(jié)果表明，制定的工藝參數(shù)能夠穩(wěn)定生產(chǎn)純鈦鑄錠，且熔煉速度可穩(wěn)定在1 500 kg/h，揮發(fā)損失控制在3%以內(nèi)，鑄錠表面質(zhì)量良好，化學(xué)成分均勻，成品率提高，有效降低了熔煉成本。

純鈦；冷床爐熔煉；電子槍；工藝參數(shù)

0 引 言

電子束冷床爐(EB爐)熔煉作為一項先進(jìn)的熔煉技術(shù)，已成為生產(chǎn)鈦及鈦合金、難熔金屬等優(yōu)質(zhì)鑄錠的重要熔煉方式[1-3]。目前國內(nèi)擁有大型電子束冷床爐的有云南鈦業(yè)、寶鈦股份、洛陽725所、青海巨能鈦業(yè)等單位。

圖1 EB爐熔煉過程

云南鈦業(yè)股份有限公司從美國引進(jìn)了3 200 kW電子束冷床爐。該EB爐的熔煉工藝流程見圖1。該EB爐共有4支電子槍，每支槍的額定功率為800 kW。其中1#槍負(fù)責(zé)熔化區(qū)物料的熔化，提供熔化區(qū)液態(tài)熔池所需的能量；2#槍負(fù)責(zé)輔助熔化區(qū)物料的熔化，保證液體從熔煉區(qū)流到精煉區(qū)并提供部分精煉區(qū)維持液態(tài)所需的能量；3#槍負(fù)責(zé)保證精煉區(qū)液體的流動性；4#槍負(fù)責(zé)提供結(jié)晶器內(nèi)維持液態(tài)所需的能量。該EB爐可生產(chǎn)截面尺寸為210 mm×(1 050 ～1 380) mm的扁錠。

但是，該爐子經(jīng)過一段時間的運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)冷床爐生產(chǎn)廠家提供的電子槍工藝參數(shù)不合適，造成熔煉過程中物料揮發(fā)嚴(yán)重、鑄錠表面質(zhì)量較差(圖2)。因此，針對4支電子槍掃描圖形及功率工藝參數(shù)的設(shè)置進(jìn)行研究，以期降低熔煉過程中物料的揮發(fā)率，提高成材率，改善鑄錠表面質(zhì)量。

圖2 純鈦鑄錠的表面質(zhì)量

1 電子槍工藝參數(shù)的設(shè)置

電子槍掃描圖形的設(shè)定受許多因素的影響，其中主要的因素為：①物料的等級、化學(xué)成分；②要求的熔煉速度、拉錠速度；③物料的揮發(fā)率；④熔煉室的真空度[4]。掃描圖形的設(shè)定也會影響到這些因素的合理匹配，最終影響鑄錠的質(zhì)量。

在EB爐熔煉過程中，能量主要消耗在使被熔煉金屬升溫并熔化、保持液體金屬過熱、金屬與雜質(zhì)揮發(fā)吸熱以及一些熱損失等[5]。電子槍功率的設(shè)置主要由金屬品種、物料多少和大小、坩堝大小、熔煉速度等有關(guān)。在實(shí)際生產(chǎn)中，需要根據(jù)不同的生產(chǎn)條件及生產(chǎn)階段，不斷進(jìn)行修正，才能得出適合某種金屬的最佳功率設(shè)置。

1.1 掃描圖形及功率設(shè)定的分析

1.1.1 1#電子槍

圖3為1#槍的掃描圖形。1～4為1#槍熔化凝殼并保持熔化物料液態(tài)的掃描圖形；5為1#槍熔化物料的掃描圖形；6為1#槍處理熔煉過程中的特殊情況的掃描圖形。例如，從垂直進(jìn)料器落下的原料由于大小不一，再加上振動器的抖動，很容易造成散落在熔化區(qū)的邊緣，圖形5掃描覆蓋不到，短時間很難熔化。時間一長，堆積的過多，就會堵塞進(jìn)料口，影響進(jìn)料。這時就需要移動1#槍到原料散落部位，將其熔化，且熔化后，要及時關(guān)閉或恢復(fù)到原來的狀態(tài)，避免電子束打在裸露的銅冷床表面，將冷床擊穿、損壞。

圖3 1#電子槍熔化區(qū)掃描圖形

1#電子槍主要負(fù)責(zé)熔化原料，其功率一般設(shè)定為額定功率的70%～90%。實(shí)際生產(chǎn)中可根據(jù)具體情況作出調(diào)整。如要加快拉錠速度，則需相應(yīng)加大功率；如熔化低等級原料，則需相應(yīng)減小功率，使原料放氣速度放緩，減少對真空度的影響，降低原料揮發(fā)率。

為了避免熔化區(qū)熔池過熱而造成物料揮發(fā)量過大，1#槍的能量分配應(yīng)盡量減少圖形1～4的掃描能量，只要能保持熔池穩(wěn)定在液態(tài)就可以。圖形5能量分配最高，最高時能占到整支電子槍能量的60%以上。在熔煉過程中，圖形5要覆蓋從垂直進(jìn)料口落下來需要被熔化的原料上，熔煉過程中還要不斷地調(diào)整圖形的大小和位置，既要保證原料充分熔化，又不能使熔池過熱。圖形6一般處于關(guān)閉狀態(tài)，只在需要時開啟，能量占整支槍能量的30%～40%。

1.1.2 2#電子槍

圖4為2#槍熔化區(qū)和精煉區(qū)的掃描圖形。1、2、8為2#槍維持熔煉區(qū)到精煉區(qū)液體的流動性的掃描圖形；3為2#槍熔化散落原料的掃描圖形；5、6、7為2#槍維持精煉區(qū)上半部分熔池內(nèi)物料為液體狀態(tài)的掃描圖形；4為2#槍處理熔煉過程中特殊情況的掃描圖形。例如，液體由熔化區(qū)到精煉區(qū)能量不足，溢流口被堵塞，這時可將2#槍移動到此，提供能量，使其迅速恢復(fù)液態(tài)，保證液體順暢流動。

圖4 2#電子槍熔化區(qū)和精煉區(qū)掃描圖形

2#電子槍主要負(fù)責(zé)熔化原料并維持液體流動性，是聯(lián)系熔化區(qū)和精煉區(qū)的橋梁，其功率一般設(shè)定較高，為額定功率的80%～90%。為了避免因熔池內(nèi)部過熱而造成揮發(fā)量過大，應(yīng)盡量減少2#槍1、2、8圖形的掃描能量，只要能保證熔池內(nèi)液體通過溢流口流動到精煉區(qū)就可以了；圖形5、6、7的掃描能量也要盡可能的低，只要能保持精煉池穩(wěn)定在液態(tài)就可以。圖形3分配的能量最高，最高時能占到整支槍能量的50%以上，與1#槍圖形5一致。圖形4一般保持開啟狀態(tài)，占整支槍能量的比例較小，低于10%。需要時可提高至20%左右，處理后，恢復(fù)至原來水平。

1.1.3 3#電子槍

圖5為3#槍的掃描圖形。1～5為3#槍保持精煉區(qū)液體流動性的掃描圖形；6為3#槍維持溢流口處液體流動性的掃描圖形。

3#槍主要負(fù)責(zé)維持精煉區(qū)液體的流動性，由于不參與熔化原料，并且精煉區(qū)相對熔化區(qū)液體揮發(fā)率高，其功率設(shè)置只要能保證液體流動性即可，一般為額定功率的45%～55%。為了保證熔化物料較好的流動性和較低的揮發(fā)率，圖形1～5的能量相同，均為整支槍能量的15%～20%。圖形6的能量占整支槍能量的15%～25%。

圖5 3#電子槍精煉區(qū)掃描圖形

1.1.4 4#電子槍

圖6為4#槍的掃描圖形。1～4為4#槍維持結(jié)晶器內(nèi)液態(tài)熔池部分所需的能量的掃描圖形，5為4#槍維持溢流口處液體的流動性的掃描圖形，6為4#槍補(bǔ)償拉錠側(cè)液態(tài)熔池能量的掃描圖形。

圖6 4#電子槍結(jié)晶區(qū)掃描圖形

4#槍主要負(fù)責(zé)提供維持結(jié)晶器內(nèi)液態(tài)熔池所需的能量。如果能量過高，容易造成液態(tài)金屬大量揮發(fā)，導(dǎo)致成分偏析，影響鑄錠質(zhì)量；能量過低則會使液態(tài)熔池建立不完全，冷卻過快，造成鑄錠內(nèi)部或表面質(zhì)量產(chǎn)生缺陷，影響鑄錠質(zhì)量。所以4#槍的功率設(shè)定既要滿足結(jié)晶器內(nèi)液態(tài)熔池的完全建立要求，又不能過大，一般為額定功率的40%～50%。為了保證液態(tài)熔池良好的穩(wěn)定性和較低的揮發(fā)率，圖形1、4能量均為整支槍能量的15%～25%，圖形2、3能量均為整支槍能量的10%～20%，圖形5、6能量均為整支槍能量的10%～15%。

1.2 電子槍掃描圖形及功率的設(shè)定

通過上述分析，在EB爐生產(chǎn)廠家提供的工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，利用數(shù)字化模擬進(jìn)行模擬實(shí)驗，優(yōu)化了電子槍工藝參數(shù)，經(jīng)過進(jìn)一步完善，制定了現(xiàn)行的EB爐電子槍工藝參數(shù)，見表1。4支電子槍掃描圖形的X軸沿結(jié)晶器長度方向，Y軸沿結(jié)晶器寬度方向。

表1 電子槍參數(shù)設(shè)置

2 生產(chǎn)驗證

采用本研究表1給出的4支槍的工藝參數(shù)進(jìn)行了為期1個月的實(shí)際生產(chǎn)驗證，共進(jìn)行了3輪熔煉試驗，每輪分別熔煉了8、8、9塊鑄錠，并在每輪試驗獲得的鑄錠中隨機(jī)抽取一塊，取樣觀察和對比鑄錠表面質(zhì)量，分析化學(xué)成分。結(jié)果見圖7和表2。結(jié)果表明，鑄錠成材率大于97.49%；物料揮發(fā)率控制在3%以內(nèi)；熔煉速度穩(wěn)定在1 500 kg/h，最高可達(dá)2 000 kg/h；化學(xué)成分均勻(見表3)，鑄錠表面質(zhì)量良好。

圖7 采用表1參數(shù)熔煉的鑄錠的表面質(zhì)量

表2 熔煉揮發(fā)率及鑄錠成材率對比

表3 采用表1參數(shù)熔煉的純鈦鑄錠的雜質(zhì)含量(w/%)

3 結(jié) 論

(1)制定的3 200 kW電子束冷床爐熔煉純鈦的電子槍工藝參數(shù)見表1。

(2)經(jīng)過為期1個月25個鑄錠熔煉試驗驗證，表1給出的電子槍工藝參數(shù)能夠穩(wěn)定生產(chǎn)純鈦鑄錠，且熔煉速度穩(wěn)定在1 500 kg/h，揮發(fā)損失控制在3%以內(nèi)，鑄錠表面質(zhì)量良好，化學(xué)成分均勻，成品率提高，有效降低了熔煉成本。

[1] 馬榮寶，陳峰，國斌 . 電子束冷床爐發(fā)展簡況及熔煉工藝探討[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展, 2008, 25(5):37-40.

[2] 張英明,韓明臣,舒瀅,等.低成本鈦合金制備技術(shù)研究進(jìn)展[J].稀有金屬快報,2007,26(7):7-11.

[3] 段軍偉.冷床爐熔煉鈦及鈦合金技術(shù)及其應(yīng)用[J].有色金屬加工,2011,40(1):42,53,57.

[4] 陳戰(zhàn)乾, 國斌,陳峰,等. 2400KW電子束冷床爐熔煉純鈦生產(chǎn)實(shí)踐及工藝控制[J]. 金屬世界, 2009(2):39-42.

[5] 于蘭蘭,毛小南,張英明,等. 電子束冷床爐單次熔煉鈦合金鑄錠研究進(jìn)展[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展, 2009, 26(2):14-18.

寶鈦集團(tuán)被授予“國家級工業(yè)品牌培育示范企業(yè)”稱號

7月21日，由國家工業(yè)和信息化部科技司主辦的“2015年工業(yè)企業(yè)品牌培育工作交流會”在貴州貴陽隆重舉行。國家工信部公布了2014年核定的國家級工業(yè)品牌培育示范企業(yè)名單，寶鈦集團(tuán)榜上有名，被國家工信部授予中國鈦行業(yè)唯一的“工業(yè)品牌培育示范企業(yè)”稱號。

一直以來，寶鈦集團(tuán)致力于“寶鈦”品牌價值的提升，依托主導(dǎo)產(chǎn)品商標(biāo)“寶鈦”牌，強(qiáng)化品牌培育，積極宣傳與推介，逐漸形成了以產(chǎn)品品牌、公司名稱及域名三位一體的品牌管理架構(gòu),建立了品牌、戰(zhàn)略、文化相融合的品牌管理運(yùn)行機(jī)制。2013年，為了認(rèn)真貫徹落實(shí)國家工信部開展工業(yè)企業(yè)品牌培育試點(diǎn)工作的要求，公司經(jīng)濟(jì)研究室按照工信部文件要求積極組織申報材料，2013年11月，經(jīng)工信部評審，寶鈦集團(tuán)被確定為工業(yè)品牌培育試點(diǎn)企業(yè)，公司領(lǐng)導(dǎo)高度重視此項工作，組織公司內(nèi)部人員編制了工業(yè)品牌培育體系文件、品牌培育管理手冊、品牌培育評價記錄表及評價報告等等，2015年1月，順利通過了工信部組織的品牌培育典型案例分析及現(xiàn)場答辯。2015年7月，經(jīng)綜合評審，國家工信部授予寶鈦集團(tuán)“工業(yè)品牌培育示范企業(yè)”稱號。

“工業(yè)品牌培育示范企業(yè)”榮譽(yù)的獲得標(biāo)志著寶鈦品牌管理體系和運(yùn)行效果得到了政府部門和社會專業(yè)機(jī)構(gòu)的肯定和認(rèn)可。寶鈦表示，今后公司將保持品牌管理體系有效運(yùn)行并持續(xù)改進(jìn)，堅持品牌為魂，質(zhì)量為基，誠信為本，創(chuàng)新為源，不斷提升品牌價值和競爭力，為打造世界一流鈦業(yè)強(qiáng)企貢獻(xiàn)力量。

(李金讓，曹震)

Electron Gun Process Parameter Settings of the 3 200 kW Electron Beam Cold Hearth in Melting Pure Titanium

Bian Hui

(Yunnan Titanium Industry Co., Ltd.,Chuxiong 651209,China)

Electron beam cold hearth melting is the relatively advanced technology for titanium and titanium alloy melting, and also an important way to melt large titanium ingot with good quality.Large pure titanium ingot was melted with vertically feeding method,using titanium sponge granular as raw materials. Then process parameters of four elctron guns in melting zone, zone refining and mould of electron beam cold hearth melting were analyzed and formulated. After one month’s test, the results show that the parameters are stable, melting speed can be stable with 1 500 kg/h, the volatilization rate can be controlled in less than 3%, the surface quality of the ingot is good, the chemical composition is uniform, the yield is increased and the cost is reduced.

pure titanium；cold hearth melting；electron gun;process parameter

2015-04-20

卞輝(1983—)，男，助理工程師。