VAR熔煉大規(guī)格鈦鑄錠表面質(zhì)量與熔煉電壓的關(guān)系

陳峰　彭強(qiáng)　陳麗　郭盛祥　馮軍寧

摘 要：文章主要探討了VAR爐熔煉大規(guī)格鈦及鈦合金鑄錠表面質(zhì)量與熔煉電壓的關(guān)系，結(jié)合工業(yè)化生產(chǎn)，通過試驗(yàn)調(diào)整影響鑄錠表面質(zhì)量的主要因素，優(yōu)化了大規(guī)格鈦及鈦合金鑄錠生產(chǎn)工藝參數(shù)，生產(chǎn)出了表面質(zhì)量?jī)?yōu)良的鈦及鈦合金鑄錠，提高了鑄錠成品率，大大降低了鈦材生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：VAR；表面質(zhì)量；電弧；熔煉電壓

1 概述

真空自耗電弧熔煉（簡(jiǎn)稱VAR）具有設(shè)備投資低、運(yùn)行成本較低、操作技術(shù)簡(jiǎn)單和良好的質(zhì)量重現(xiàn)性等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前鈦及鈦合金熔煉最重要、最廣泛和最成熟的工藝方法。

隨著航天、電力等工業(yè)的發(fā)展，大型鍛件的需求逐漸增多，眾多鈦加工材生產(chǎn)商利用鋼鐵廠的大型軋機(jī)軋制鈦產(chǎn)品，同時(shí)鈦加工材生產(chǎn)廠為了滿足用戶的需求和提高鈦材成品率、降低成本，這些都需要較大規(guī)格的鑄錠。目前，世界鈦發(fā)達(dá)國(guó)家均實(shí)現(xiàn)了鈦鑄錠熔煉用VAR爐的大型化和現(xiàn)代化，美國(guó)的大型VAR爐可以熔煉直徑1219mm，重量18t的鈦錠，日本可以熔煉直徑1250mm，重量15t的鈦錠。自2004年至今，寶雞鈦業(yè)股份有限公司先后從德國(guó)ALD公司引進(jìn)了具有當(dāng)今世界先進(jìn)水平的10t電弧爐七臺(tái)和15t電弧爐四臺(tái)，從而形成了一條由計(jì)算機(jī)控制等多項(xiàng)新技術(shù)組成的優(yōu)質(zhì)鈦及鈦合金鑄錠先進(jìn)熔煉生產(chǎn)線，熔煉總產(chǎn)能達(dá)3萬(wàn)噸，具備生產(chǎn)鈦及鈦合金VAR錠的最大直徑和質(zhì)量分別達(dá)1040mm和15t。

鑄錠表面質(zhì)量是影響鈦材成本的重要因素之一，較差的鑄錠表面質(zhì)量不但會(huì)增加鑄錠扒皮損失，而且還會(huì)造成后序鍛造產(chǎn)品開裂等，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量并大大增加生產(chǎn)成本。為進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，越來(lái)越多的客戶對(duì)鑄錠表面質(zhì)量提出了嚴(yán)格的要求，因此必須嚴(yán)格控制大規(guī)格鑄錠表面質(zhì)量。

文章主要通過工藝試驗(yàn)，優(yōu)化了大規(guī)格鈦鑄錠生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)出了表面質(zhì)量好的大規(guī)格鑄錠，降低了鑄錠表面扒皮量，大大提高了鑄錠的成品率。

3 結(jié)果與討論

3.1 鑄錠表面結(jié)晶

VAR熔煉是在高溫、低壓及無(wú)渣條件下，利用電弧放電產(chǎn)生的高溫做熱源將自耗電極熔化，形成的液滴通過電弧區(qū)進(jìn)入熔池中，熔滴在通過電弧區(qū)發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，使金屬得到精煉，自耗電極中的雜質(zhì)如MgCl2、Mg等將發(fā)生電離和氣化反應(yīng)，部分被真空系統(tǒng)抽走，剩余部分則會(huì)冷凝在坩堝壁上與熔煉過程中的噴濺物一起形成錠冠。鑄錠表面質(zhì)量取決于錠冠的形成和消除，如果錠冠形成較低且薄，見圖1，熔煉過程中易于被熔化、消除，金屬熔液就會(huì)在坩堝壁結(jié)晶形成較好的有金屬光澤的表面。如果錠冠未被消除，仍附著在坩堝內(nèi)壁，金屬熔液則會(huì)依附在錠冠表面冷卻結(jié)晶，鑄錠表面將形成皮下氣孔等表面缺陷，見圖2。實(shí)際生產(chǎn)也證明，爐內(nèi)焊接時(shí)若坩堝附近噴濺物清理不干凈則會(huì)在鑄錠表面形成此類缺陷。

3.2 電極材料對(duì)熔煉電壓的影響

從表1中可看出，鈦合金與純鈦在高溫下其電阻率基本相當(dāng)，因此在壓力、電流密度等工藝條件基本不變的情況下，熔煉過程中純鈦和鈦合金的電極壓降和表面壓降基本相當(dāng)，其對(duì)熔煉電壓的影響基本一致。但實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)考慮隨著熔煉過程的進(jìn)行，自耗電極不斷消耗，其電極壓降會(huì)逐漸變小，為了保持熔煉時(shí)的弧距，熔煉末期的熔煉電壓應(yīng)較前期稍低。

3.3 弧距對(duì)表面質(zhì)量的影響

弧距即兩極間的距離對(duì)于自耗熔煉質(zhì)量是關(guān)鍵的工藝參數(shù)之一，與穩(wěn)定電弧、熱量分布和鑄錠質(zhì)量都有密切的影響[1]。鈦?zhàn)院娜蹮挄r(shí)，一定的弧長(zhǎng)范圍內(nèi)每改變1厘米電弧長(zhǎng)度引起的電壓變化約0.5伏[1]。

弧距是影響熔煉電壓最重要的因素，弧距過長(zhǎng)，熱能不集中，易于產(chǎn)生邊弧，不利于熔化錠冠，影響鑄錠表面質(zhì)量。弧距過短，導(dǎo)致自耗電極和熔池之間發(fā)生弧的擴(kuò)散和偶然短路，會(huì)引起穩(wěn)定的熱流中斷，使熔池溫度忽高忽低，導(dǎo)致熔池底部凝固面突然變化，可能造成偏析冶金缺陷[2]。同時(shí)還會(huì)造成金屬噴濺而惡化鑄錠表面質(zhì)量。因此，應(yīng)合理選擇弧距。

試驗(yàn)表明，大規(guī)格鈦及鈦合金鑄錠熔煉時(shí)的熔煉電壓一般應(yīng)控制在32～45伏，可保持電弧穩(wěn)定地燃燒，熔池表面平靜，形成的錠冠較低且薄，同時(shí)能使電弧做穩(wěn)定均勻地旋轉(zhuǎn)，見圖3，使熱能均勻分布于熔池表面，獲得較好表面質(zhì)量的鑄錠。

3.4 淘心熔煉對(duì)表面質(zhì)量的影響

實(shí)際生產(chǎn)中，若弧距控制不當(dāng)，自耗電極會(huì)呈淘心熔煉，如圖5。淘心熔煉過程中大部分熔煉時(shí)間熔煉電壓穩(wěn)定，僅電弧偶然掃出時(shí)電壓有一個(gè)突降，降幅可達(dá)3～7伏，甚至更高，并在極短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常，具有極強(qiáng)的隱蔽性，將嚴(yán)重影響鑄錠質(zhì)量。

造成自耗電極淘心熔煉的主要原因是隨著熔煉過程的進(jìn)行，熔池?zé)崃恐饾u增高，自耗電極端面受到來(lái)自熔池的熱輻射和電弧中氣體與金屬蒸汽陽(yáng)離子沖撞的雙重作用，引起自耗電極被加熱并熔煉。熔池表面由于結(jié)晶器強(qiáng)烈的熱傳導(dǎo)存在中間溫度高、邊部溫度低的情況，同時(shí)自耗電極表面會(huì)通過熱輻射、熱傳導(dǎo)散熱，這樣將造成自耗電極端面出現(xiàn)一個(gè)溫度梯度，即中間溫度高、邊部溫度低（這一點(diǎn)在弧距偏長(zhǎng)時(shí)影響更強(qiáng)烈），見圖5。陰極斑點(diǎn)易于出現(xiàn)在溫度高的自耗電極中心，而在自耗電極邊緣出現(xiàn)的機(jī)會(huì)少，造成電弧和陽(yáng)極斑點(diǎn)保持在熔池中部，使自耗電極中心熔化速度快、邊緣熔化速度慢，從而造成自耗電極形成凹型，并最終達(dá)到熱平衡。淘心熔煉因電弧集中在熔池中部且不易旋轉(zhuǎn)，造成熔池邊緣溫度低且由于結(jié)晶器強(qiáng)烈的冷卻作用，形成了較厚的錠冠，同時(shí)電弧又無(wú)法有效消除熔化過程中形成的錠冠，見圖4，更加惡化了鑄錠表面質(zhì)量。

淘心熔煉時(shí)會(huì)造成熔煉電壓瞬間波動(dòng)大、熔煉過程不穩(wěn)定、自耗電極進(jìn)給時(shí)斷時(shí)續(xù)等情況，對(duì)鑄錠質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響。實(shí)際操作中應(yīng)根據(jù)爐內(nèi)熔煉情況及各種儀器、儀表情況綜合判斷，及時(shí)下調(diào)弧距，使自耗電極邊緣接近熔池表面，符合電弧尖端放電規(guī)律，使電弧在自耗電極邊緣游動(dòng)，熔化自耗電極；同時(shí)由于自耗電極與熔池距離變小，自耗電極具有覆蓋作用，使熔池?zé)崃扛鶆颍饾u消除自耗電極淘心熔煉，使自耗電極端面呈基本平面，改善鑄錠表面質(zhì)量。

3.5 其他影響鑄錠表面質(zhì)量的因素

熔煉電流、冷卻強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、自耗電極與坩堝間隙、操作水平等也是影響鑄錠表面質(zhì)量的重要因素，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)綜合考慮，除根據(jù)熔煉設(shè)備正確選擇熔煉電壓外，還應(yīng)設(shè)置合理熔煉電流、穩(wěn)弧等工藝參數(shù)，采用“平靜熔煉”法，既要使電弧穩(wěn)定地燃燒，又要熔池表面處于平靜狀態(tài)下熔煉，同時(shí)使電弧做穩(wěn)定均勻地旋轉(zhuǎn)，使熱能均勻分布于熔池表面，熔池扁平，獲得表面質(zhì)量較好的鑄錠。

4 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)根據(jù)熔煉設(shè)備的特點(diǎn)，綜合考慮熔煉電流、冷卻強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、自耗電極與坩堝間隙等因素，采用“平靜熔煉”法，抑制熔煉過程中錠冠的形成，通過控制熔煉電壓，一般應(yīng)控制在32～45伏，保持合理的弧距，使電弧做穩(wěn)定均勻地旋轉(zhuǎn)以保持熔池溫度均勻和消除錠冠，并避免自耗電極淘心熔煉，從而獲得表面質(zhì)量?jī)?yōu)良的大規(guī)格鈦及鈦合金鑄錠。

參考文獻(xiàn)

[1]稀有金屬材料加工手冊(cè)[M].冶金工業(yè)出版社，1984：377-378.

[2]戴永年，趙忠.真空冶金[M].冶金工業(yè)出版社，1988：3.

[3]李洪桂.稀有金屬冶金原理及工藝[M].冶金工業(yè)出版社，1981：413.

作者簡(jiǎn)介：陳峰（1973-），男，高級(jí)工程師。