VAR熔煉大規(guī)格鈦鑄錠表面質量與熔煉電壓的關系

陳峰　彭強　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量與熔煉電壓的關系，結合工業(yè)化生產，通過試驗調整影響鑄錠表面質量的主要因素，優(yōu)化了大規(guī)格鈦及鈦合金鑄錠生產工藝參數(shù)，生產出了表面質量優(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成本。

關鍵詞：VAR；表面質量；電弧；熔煉電壓

1 概述

真空自耗電弧熔煉（簡稱VAR）具有設備投資低、運行成本較低、操作技術簡單和良好的質量重現(xiàn)性等優(yōu)點，是當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，眾多鈦加工材生產商利用鋼鐵廠的大型軋機軋制鈦產品，同時鈦加工材生產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)達國家均實現(xiàn)了鈦鑄錠熔煉用VAR爐的大型化和現(xiàn)代化，美國的大型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ALD公司引進了具有當今世界先進水平的10t電弧爐七臺和15t電弧爐四臺，從而形成了一條由計算機控制等多項新技術組成的優(yōu)質鈦及鈦合金鑄錠先進熔煉生產線，熔煉總產能達3萬噸，具備生產鈦及鈦合金VAR錠的最大直徑和質量分別達1040mm和15t。

鑄錠表面質量是影響鈦材成本的重要因素之一，較差的鑄錠表面質量不但會增加鑄錠扒皮損失，而且還會造成后序鍛造產品開裂等，嚴重影響產品質量并大大增加生產成本。為進一步降低生產成本，越來越多的客戶對鑄錠表面質量提出了嚴格的要求，因此必須嚴格控制大規(guī)格鑄錠表面質量。

文章主要通過工藝試驗，優(yōu)化了大規(guī)格鈦鑄錠生產工藝，生產出了表面質量好的大規(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 結果與討論

3.1 鑄錠表面結晶

VAR熔煉是在高溫、低壓及無渣條件下，利用電弧放電產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)進入熔池中，熔滴在通過電弧區(qū)發(fā)生一系列的物理化學反應，使金屬得到精煉，自耗電極中的雜質如MgCl2、Mg等將發(fā)生電離和氣化反應，部分被真空系統(tǒng)抽走，剩余部分則會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，金屬熔液就會在坩堝壁結晶形成較好的有金屬光澤的表面。如果錠冠未被消除，仍附著在坩堝內壁，金屬熔液則會依附在錠冠表面冷卻結晶，鑄錠表面將形成皮下氣孔等表面缺陷，見圖2。實際生產也證明，爐內焊接時若坩堝附近噴濺物清理不干凈則會在鑄錠表面形成此類缺陷。

3.2 電極材料對熔煉電壓的影響

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，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，其對熔煉電壓的影響基本一致。但實際生產中應考慮隨著熔煉過程的進行，自耗電極不斷消耗，其電極壓降會逐漸變小，為了保持熔煉時的弧距，熔煉末期的熔煉電壓應較前期稍低。

3.3 弧距對表面質量的影響

弧距即兩極間的距離對于自耗熔煉質量是關鍵的工藝參數(shù)之一，與穩(wěn)定電弧、熱量分布和鑄錠質量都有密切的影響[1]。鈦自耗熔煉時，一定的弧長范圍內每改變1厘米電弧長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，熱能不集中，易于產生邊弧，不利于熔化錠冠，影響鑄錠表面質量。弧距過短，導致自耗電極和熔池之間發(fā)生弧的擴散和偶然短路，會引起穩(wěn)定的熱流中斷，使熔池溫度忽高忽低，導致熔池底部凝固面突然變化，可能造成偏析冶金缺陷[2]。同時還會造成金屬噴濺而惡化鑄錠表面質量。因此，應合理選擇弧距。

試驗表明，大規(guī)格鈦及鈦合金鑄錠熔煉時的熔煉電壓一般應控制在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，同時能使電弧做穩(wěn)定均勻地旋轉，見圖3，使熱能均勻分布于熔池表面，獲得較好表面質量的鑄錠。

3.4 淘心熔煉對表面質量的影響

實際生產中，若弧距控制不當，自耗電極會呈淘心熔煉，如圖5。淘心熔煉過程中大部分熔煉時間熔煉電壓穩(wěn)定，僅電弧偶然掃出時電壓有一個突降，降幅可達3～7伏，甚至更高，并在極短的時間內恢復正常，具有極強的隱蔽性，將嚴重影響鑄錠質量。

造成自耗電極淘心熔煉的主要原因是隨著熔煉過程的進行，熔池熱量逐漸增高，自耗電極端面受到來自熔池的熱輻射和電弧中氣體與金屬蒸汽陽離子沖撞的雙重作用，引起自耗電極被加熱并熔煉。熔池表面由于結晶器強烈的熱傳導存在中間溫度高、邊部溫度低的情況，同時自耗電極表面會通過熱輻射、熱傳導散熱，這樣將造成自耗電極端面出現(xiàn)一個溫度梯度，即中間溫度高、邊部溫度低（這一點在弧距偏長時影響更強烈），見圖5。陰極斑點易于出現(xiàn)在溫度高的自耗電極中心，而在自耗電極邊緣出現(xiàn)的機會少，造成電弧和陽極斑點保持在熔池中部，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，并最終達到熱平衡。淘心熔煉因電弧集中在熔池中部且不易旋轉，造成熔池邊緣溫度低且由于結晶器強烈的冷卻作用，形成了較厚的錠冠，同時電弧又無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量。

淘心熔煉時會造成熔煉電壓瞬間波動大、熔煉過程不穩(wěn)定、自耗電極進給時斷時續(xù)等情況，對鑄錠質量產生較大的影響。實際操作中應根據爐內熔煉情況及各種儀器、儀表情況綜合判斷，及時下調弧距，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，熔化自耗電極；同時由于自耗電極與熔池距離變小，自耗電極具有覆蓋作用，使熔池熱量更均勻，逐漸消除自耗電極淘心熔煉，使自耗電極端面呈基本平面，改善鑄錠表面質量。

3.5 其他影響鑄錠表面質量的因素

熔煉電流、冷卻強度、磁場強度、自耗電極與坩堝間隙、操作水平等也是影響鑄錠表面質量的重要因素，實際生產中應綜合考慮，除根據熔煉設備正確選擇熔煉電壓外，還應設置合理熔煉電流、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，同時使電弧做穩(wěn)定均勻地旋轉，使熱能均勻分布于熔池表面，熔池扁平，獲得表面質量較好的鑄錠。

4 結束語

應根據熔煉設備的特點，綜合考慮熔煉電流、冷卻強度、磁場強度、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，從而獲得表面質量優(yōu)良的大規(guī)格鈦及鈦合金鑄錠。

參考文獻

[1]稀有金屬材料加工手冊[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.

作者簡介：陳峰（1973-），男，高級工程師。