核級鈦材鑄錠熔煉坩堝擊傷問題的原因分析及對策

劉平平，劉曉寧

（1.天水師范學院 機電與汽車工程學院，甘肅 天水 741000 ；2.國核寶鈦鈦業(yè)股份公司，陜西 寶雞 721013）

近幾年，隨著我國核電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對于核級鈦材燃料組件的需求高速增長，而組成核燃料組件的核級鈦材——管、棒、帶材等是通過海綿鈦添加合金元素后熔煉成鈦合金鑄錠，再經(jīng)過鍛造、擠壓、軋制等塑性加工而成[1]。

目前，核級鈦材鑄錠工業(yè)化生產(chǎn)主要采用真空自耗電弧爐（簡稱VAR）熔煉。VAR熔煉在水冷銅坩堝中凝固成鑄錠。坩堝作為真空電弧爐的重要部件，其安全運行至關重要。然而，在核級鈦材鑄錠工業(yè)化生產(chǎn)中，由于采用不合理的坩堝比、電極塊掉塊、原料中雜質含量較高等等因素，常常會有自耗電極與坩堝起邊弧、爬弧等現(xiàn)象，造成擊傷坩堝內壁，嚴重時也可能擊穿坩堝造成嚴重的安全事故[2]。因此，針對此類問題，制定相應的措施，從而提供高質量的核級鈦材是核級鈦材鑄錠制造技術必須攻關的課題之一。

1 坩堝在VAR熔煉中的用途

真空電弧熔煉是利用電極和坩堝兩極間電弧放電產(chǎn)生的高溫做熱源，將金屬材料熔化，在坩堝內冷凝成錠的過程。作為真空自耗電弧爐核心部件的坩堝，是熔煉鑄錠的結晶器。自耗電極在坩堝中熔煉時，進行著大量的熱交換。當電弧發(fā)生異常而產(chǎn)生邊?。醋院碾姌O和銅坩堝之間產(chǎn)生的邊?。r，易損壞坩堝內壁或擊穿坩堝。因此對坩堝的材質、形狀、結構及冷卻系統(tǒng)有嚴格的要求。核級鈦材鑄錠熔煉的坩堝采用純銅材質，其導熱性和導電性好，且不污染被熔化材料。電弧爐常用坩堝的結構如圖1所示。

圖1 坩堝結構示意圖

主要由筒體、底墊、法蘭和外面的不銹鋼水套以及必要的緊固裝置構成。

2 坩堝擊傷對鑄錠質量及真空自耗電弧爐安全性的影響

在核級鈦合金鑄錠熔煉過程中，如果發(fā)生坩堝擊傷可產(chǎn)生不同程度的影響。首先可使鑄錠被銅污染，造成鑄錠中Cu含量超標，最終導致用于核反應堆的核級鈦材性能不滿足原設計和使用要求，對整個核電站的正常運行和安全造成嚴重威脅。

另外，真空自耗電弧爐熔煉核級鈦材時，一旦因擊穿坩堝漏水，水進入熔池后會導致熔煉中斷、蒸汽爆炸和金屬爆炸、氫氣爆炸等危險，使得鑄錠報廢、爐體報廢，嚴重時爐內壓力可以超聲速傳播、破壞力較大，甚至可摧毀廠房。

3 造成坩堝擊傷問題的主要原因分析

3.1 電弧不穩(wěn)定

氣相壓力（真空度）對電弧的穩(wěn)定性影

響較大。當氣相壓力和其他工藝參數(shù)控制不好時，電弧便不穩(wěn)定，易產(chǎn)生邊弧和擴散弧，嚴重時會擊穿坩堝，造成水冷銅坩堝漏水和爆炸事故。因此，在熔煉過程中必須確保電弧的穩(wěn)定性。電弧的穩(wěn)定受弧長、爐內壓力和電磁場的影響。

真空自耗電弧熔煉時，弧長（自耗電極下端與熔池表面之間的距離）要保持在一定的范圍內。電弧長度過短，易產(chǎn)生周期性的短路，使熔池溫度不穩(wěn)定，影響鑄錠結晶組織的均勻性，并且由于金屬噴濺嚴重而惡化鑄錠表面質量；電弧長度過長，電弧熱能不集中，熔池熱損失大且易出現(xiàn)邊弧、爬弧和散弧，擊傷銅坩堝內壁，嚴重時可造成安全事故。

熔煉時爐室的壓力要比弧區(qū)壓力低。實踐表明，氣相壓力在6.7×103～105Pa范圍內電弧是穩(wěn)定的；壓力在67～6.7×103Pa時，電弧在坩堝內嚴重漂移，易產(chǎn)生邊弧和散弧，并且電弧向坩堝壁上爬升導致坩堝發(fā)熱，甚至有燒穿的危險，這個氣相壓力范圍稱為危險區(qū)；氣相壓力降低至67Pa以下，電弧又恢復穩(wěn)定，稱67Pa這個恢復穩(wěn)定的氣相壓力為臨界壓力。在真空熔煉作業(yè)中，氣相壓力必須避開危險區(qū)，常保持在臨界壓力以下[3]。

電弧爐的磁場有電弧及電弧爐導體電流所建立的自身磁場和外加磁場。在用直流電源供電的自耗電弧爐的磁場主要是磁吹偏現(xiàn)象，常用外加磁場（即電弧爐的穩(wěn)弧線圈）來穩(wěn)弧。使用穩(wěn)弧線圈時，應選用合適的穩(wěn)弧電流。電流過小穩(wěn)弧作用不明顯，出現(xiàn)電弧不穩(wěn)或起邊弧，造成坩堝燒穿的危險。電流過大則電弧被嚴重壓縮而導致熄弧，并因熔池旋轉激烈而影響鑄錠質量。

3.2 坩堝比不合理

坩堝比（電極直徑d與坩堝內徑D之比）是影響鑄錠質量和安全生產(chǎn)的重要工藝參數(shù)之一。對于鈦材鑄錠自耗熔煉的坩堝比一般為0.63～0.88[1]，最佳間隙在30mm～50mm。坩堝比過大，間隙就過小，對自耗電極平直度要求較高，操作起來難度較大，且間隙小會影響鑄錠中雜質或氣體的去除，易產(chǎn)生邊弧現(xiàn)象，嚴重時會損傷坩堝內壁或擊穿坩堝，造成安全事故。坩堝比過小，間隙過大，就會使熔速較快不易操作，電弧不穩(wěn)定，熔池不到邊，鑄錠質量較差。

3.3 自耗電極質量差

核級鈦材鑄錠熔煉所用自耗電極為海綿鈦加合金元素組成。自耗電極的優(yōu)劣對熔煉鑄錠質量和電弧爐安全操作有著決定性的作用。自耗電極質量的衡量指標包括：電極塊密度、自耗電極的強度和平直度等。

實踐表明，電極塊密度大于3.2g/cm3就可滿足熔煉要求。若電極塊的密度較小，就容易發(fā)生掉塊現(xiàn)象，而且組焊后的電極強度較差；在吊運過程中可能因承受不住自身的重量或外力而斷裂或掉渣；在熔煉的過程中會造成導電性差，無法承受電極升降震動和爐內熱應力，出現(xiàn)電極掉塊（圖2（a））或掉蛋現(xiàn)象，這些現(xiàn)象會導致熔煉終止，砸傷或擊傷坩堝內壁，如圖2（b）所示。

圖2 （a）電極掉塊和

圖2 （b）擊傷的坩堝內壁

自耗電極的平直度較差時，局部與坩堝內壁間隙較?。ㄐ∮谌蹮掚娀￠L度），此處就可能發(fā)生自耗電極與坩堝壁起弧，擊傷或擊穿坩堝，嚴重時造成安全事故。

3.4 原材料中雜質含量較高

海綿鈦是鈦材鑄錠生產(chǎn)所需主要原材料。對于海綿鈦的化學成分控制至關重要。核級鈦材鑄錠所用核級海綿鈦是采用的Mg還原法制得的，其中殘留的少量MgCl2、Mg、H2O等在電極進入熔化狀態(tài)前有相當部分被真空機組排出爐外，也有冷凝于上部坩堝壁或爐室內壁。當Cl含量較高時，揮發(fā)物沾滿坩堝壁（圖3（a）），造成電極與坩堝起弧而擊傷坩堝內壁（圖3（b）），嚴重時擊穿坩堝，造成坩堝漏水，電弧爐爆炸。

圖3 揮發(fā)物較多時（a）揮發(fā)物沾滿坩堝內壁和

圖3 揮發(fā)物較多時（b）擊傷的坩堝內壁

上述這些原因盡管只是在嚴重時才擊穿坩堝，造成坩堝漏水，發(fā)生電弧爐爆炸的事故，但在核級鈦合金鑄錠生產(chǎn)的過程中，只要發(fā)生與坩堝起弧，就可能造成鑄錠受銅污染導致銅含量超標的質量事故，因此為避免鈦材在VAR熔煉過程中擊傷坩堝，針對以上分析出的原因，可以采取如下的措施來預防和減少該類問題的發(fā)生。

4 防止坩堝擊傷問題的應對對策

4.1 控制好電弧的穩(wěn)定性

（1）將弧長控制在一定的范圍內。實踐表明，一般VAR熔煉電弧電壓為22V～65V，對應弧長為20mm～50mm[4]。另外，電弧長度要小于電極與坩堝之間的間隙；

（2）熔煉時氣相壓力控制在臨界壓力67Pa以下；

（3）選擇合適的穩(wěn)弧參數(shù)，采用穩(wěn)弧線圈電壓為20V～40V、穩(wěn)弧電流控制在范圍2A～15A[4]范圍內。

4.2 選擇合理的坩堝比

鈦材鑄錠自耗熔煉的坩堝比一般控制為0.63～0.88[1]范圍內，最佳間隙在控制30mm～50mm范圍內。從安全點出發(fā)，電極與坩堝之間的間隙應確保大于正常熔煉時的弧長。

4.3 控制好自耗電極質量

（1）確保電極塊密度大于3.2g/cm3。經(jīng)驗表明，核級鈦材電極塊密度一般大于4g/cm3可滿足使用要求；

（2）自耗電極要有足夠的強度、導電性、平直度，不得污染和受潮。自耗電極除能承受自重外，應能在吊運及熔煉操作過程中的振動和沖擊下不受損壞。另外，焊縫要有足夠的焊接面積，確保電極強度和良好的導電性能。

（3）通過改進優(yōu)化電極的裝卡、組配方式，使得單個電極塊之間的位置差異最小，從而確保整個電極長度方向的直線度滿足要求。

4.4 嚴格控制核級海綿鈦中Cl元素的含量

（1）嚴格控制海綿鈦質量，對其進行挑料，確保挑出其中含有氯化物的海綿鈦；

（2）盡量使用Cl含量較低或搭配使用Cl含量高低不同批次的海綿鈦，采用布料均勻混料；

（3）加強原料的存儲管理，開封后盡量在24h內使用。海綿鈦中的氯化物易吸潮，需存儲在干燥區(qū)域，必要時可充氬保存或烘干后使用。

（4）在允許范圍內適當?shù)脑龃笕蹮掚娏鳎ń?jīng)驗表明，對鈦及其合金熔煉電流I=（18-33)Dk范圍內選擇(Dk為坩堝直徑)[5]），提高熔煉功率，有利于雜質元素的揮發(fā)去除。

5 結語

本文根據(jù)核級鈦材自身的材料特性及鑄錠真空自耗電弧熔煉的特點，綜合考慮坩堝擊傷的主要原因為電弧不穩(wěn)定、坩堝比不合理、自耗電極質量差、雜質含量高等，為避免鑄錠熔煉過程中擊傷坩堝，造成鑄錠質量不合格或者電弧爐嚴重的安全事故，提出針對電弧的穩(wěn)定性、坩堝比、自耗電極質量、海綿鈦質量等原因的控制措施，確保鑄錠熔煉過程中的電弧爐安全性和鑄錠質量。