電子束冷床爐熔煉大規格N6扁錠

楊蓉，楊國慶，李有華，文志剛，慶達嘎，王丹

（1.西安建筑科技大學冶金工程學院 陜西 西安 710055；2.寶雞鈦業股份有限公司 陜西 寶雞 721014）

1 前言

電子束冷床爐熔煉（EBCHM）是20世紀80年代才開始發展的先進熔煉技術。其工作原理：在高真空環境下，將陰極塊加熱到2400～2600℃時，陰極便發射熱電子，電子在高壓電場的作用下加速，以極高的速度向陽極運動，通過聚焦和偏轉控制系統，形成密集電子束并準確轟擊到待熔煉金屬表面，將動能轉化成熱能，使金屬熔化。液態金屬滴入熔池進行初步精煉，再流入精煉區進行充分精煉，通過溶解分離和比重分離消除原料中的氣體、金屬或非金屬雜質和高低密度夾雜物，最后流入水冷銅坩鍋中，坩鍋中液態金屬則不斷至下而上逐步凝固成錠。隨著熔煉過程的進行，凝固的鑄錠不斷從坩鍋中拉出。電子束冷床爐熔煉（EBCHM）與其他熔煉方法最大的不同就是用冷床將熔煉、精煉和結晶三個過程分開，能確保金屬提純效果和有效避免坩鍋材料的污染。該技術廣泛應用于鈦、鈮、鉭、鉿、釩、多晶硅等材料的提純熔煉【1-6】。

N6是純鎳的一種，因具有良好的耐腐性和機械性能，廣泛應用于石油、化工、天然氣、電力、船舶、通訊、海洋、機械制造等領域。純鎳鑄錠傳統生產工藝為一次真空感應熔煉（VIM）澆注成扁錠或圓錠，扁錠用于板材軋制，圓錠用于管、棒材的擠壓和鍛造，該工藝具有生產周期短、生產成本低等優點，但鑄錠單重小（50～2000kg），無法滿足大規格、大單重鎳材生產需求。此外，真空感應熔煉（VIM）坩鍋采用耐高溫的鎂砂材質，生產的鑄錠存在爐渣夾雜。2010年，為了滿足大規格、大單重N6板材生產需求，寶雞鈦業股份有限公司在傳統工藝基礎上進行了改進，將真空感應熔煉（VIM）與真空自耗電弧爐熔煉（VAR）技術相結合，生產制備Φ1040mm/11tN6鑄錠，解決了大規格、大單重的問題。在VAR熔煉過程中可發現，大量爐渣漂浮在熔池表面，最后殘留在鑄錠表面和鑄錠頭部。VAR的順序凝固熔鑄方式雖有利于不溶雜質的上浮，但無法徹底去除VIM帶入的爐渣夾雜。圓錠生產成板材還需增加開坯鍛造工序，大規格純鎳鑄錠鍛造工藝尚未成熟，鍛造過程中開裂難以避免，最終導致板材生產周期長和一次綜合成品率低。為了解決上述問題，特開展了大規格N6扁錠電子束冷床爐熔煉（EBCHM）工藝研究，并對后續產品質量進行了跟蹤驗證。

2 試驗過程

2.1 工藝方案及路線

2.1.1 工藝方案

本次試驗方案見表1，方案A和B各生產一個N6扁錠。

表1 工藝方案

2.1.2 工藝路線

原料→制備電極→一次EBCHM→扁錠刨銑、液體滲透檢驗及取樣分析→扁錠檢驗入庫→后續產品質量跟蹤驗證。

2.2 原料

本次試驗采用符合GB/T 6516標準要求的Ni9990電解鎳和經凈化處理合格的N6返回爐料作為原料。

2.3 一次EBCHM

本次試驗采用寶雞鈦業股份有限公司2400kW電子束冷床爐及水平進料系統，其工作示意圖見圖1。熔煉工藝：電子槍電子束掃描圖形見圖2，主要熔煉工藝參數見表2。

2.4 產品質量跟蹤驗證

扁錠表面經刨銑，化學成分、液體滲透檢驗合格后，軋制生產28mm厚鎳板，按GB/T 2054-2013《鎳及鎳合金板》標準要求進行了檢驗。

3 熔煉功率及各電子槍能量分配

3.1 熔煉功率的確定

在電子束熔煉中，功率主要消耗于鎳金屬升溫及熔化吸熱、維持熔化區、精煉區、結晶器熔池的液態吸熱、金屬與雜質揮發吸熱和其他熱損失等【6-7】。本次試驗采用比電能計算熔煉功率，目標熔速控制在500kg/h～750kg/h。根據比電能公式（1）及鎳材料電子束熔煉的比電能值（表4），確定熔煉所需的總功率為1000kW～1500kW。

式中，q為比電能，kW·h/kg；N為熔煉功率，kW；u為熔煉速度，kg/h。

3.2 各電子槍能量分配

圖1 EBCHM工作示意圖

圖2 電子束掃描圖形

電子束冷床爐熔煉過程中，1#和2#電子槍主要用于鎳金屬的熔化，電子束按設定的掃描圖形進行自動掃描，使鎳金屬熔化和維持熔煉區保持液態。3#電子槍主要負責給水冷銅坩堝中結晶區提供能量，電子槍按設定的功率及特定掃描圖形自動掃描，來調節結晶區能量分布，以控制水冷銅坩堝中鎳金屬液面溫度，從而控制鑄錠結晶過程。4#電子槍主要控制精煉區，用于鎳金屬的精煉，同時保證熔融態鎳液經精煉區順利流入水冷銅坩堝中。

查閱文獻資料可知，用于金屬熔化所需電能并不大，鎳、鐵僅需0.25kW·h/kg～0.5kW·h/kg，鎢、鉬等高熔點金屬為2kW·h/kg～3kW·h/kg[7]。用于熔池加熱保持液態及金屬提純的功率消耗則較大，與熔池溫度和金屬導熱系數有關。通過理論推算，熔煉純鎳所需的總能量約125-375kW（目標熔速500kg/h～750kg/h）。本次試驗確定：用于熔化鎳金屬和維持熔煉區保持液態的1#、2#槍能量分配230kW～450kW。Ni的導熱系數90W/m·K，較鈦高6倍[8]，鎳的導熱快，考慮扁錠表面質量，用于掃描坩鍋的3#槍能量為270kW～480kW，較其他槍能量分布高出30kW～40kW。用于精煉區保持液態和金屬提純的4#槍能量為230kW～450kW。

表2 主要工藝參數

表4 不同金屬材料電子束熔煉的比電能

4 結果與討論

4.1 扁錠化學成分均勻性分析

扁錠去除表面缺陷層，沿扁錠縱向按常規方式對頭、上、中、下、底（即距離鑄錠頭部0.1L、0.3L、0.5L、0.7L、0.9L）五點取樣，圖3為扁錠表面取樣示意圖。

用ICP光譜法檢測鎳扁錠表面Cu、Si、Mn、C、Mg、S、P、Fe、Pb、Bi、As、Sb、Zn、Cd、Sn等雜質元素的含量。A和B#鑄錠Cu、Si、C、Fe元素分析結果如圖4，Mg元素分析結果＜0.005%，Mn、Bi、Zn、Cd、Sn元素分析結果均＜0.002%，S、P、Pb、AS、Sb、Cd元素分析結果＜0.001%。

從鑄錠化學成分分析結果可知，扁錠化學成分均勻性良好，且雜質含量低，完全符合GB/T 2054中對N6化學成分控制要求（表3）。添加50%和70%比例N6返回爐料生產的扁錠化學成分控制水平相當。

4.2 熔煉工藝對扁錠質量的影響

4.2.1 熔煉工藝對金屬提純的影響

圖3 扁錠表面取樣示意圖

圖4 扁錠化學成分

電子束冷床爐熔煉主要通過溶解分離和比重分離來提純金屬。氣體元素、金屬或非金屬雜質元素等通過溶解分離，即精煉過程中發生脫氣、分解、脫氧、揮發等冶金反應。比重分離主要用于高、低密度夾雜物的去除，因存在密度差，低密度夾雜物顆粒隨鎳液進入冷床熔煉區和精煉區后，由于其密度低于鎳的密度，在浮力的作用下，低密度夾雜顆粒上浮至熔池表面，在高溫和長時間的滯留過程中逐步溶解擴散。相反，高密度夾雜物顆粒則因密度較鎳大，在鎳液流動過程中逐步沉積到凝殼與熔融鎳液交界處，最終被凝殼捕獲而去除。

電子束冷床爐熔煉過程中，真空可控制在1.33×10-3～1.33×10-1Pa之間，熔煉溫度可高達3000℃，熔融態鎳液在熔煉區進行初步精煉后流向精煉區進行精煉，冷床給鎳金屬保持液態提供的充足的時間，給鎳金屬提純提供了良好的條件，使一切提純反應都能充分有效地進行。

在真空和高溫條件下，氧化鎳的蒸氣壓遠遠低于鎳的蒸氣壓（2000K時氧化鎳與鎳蒸氣壓的比值為10-7），鎳的真空熔煉過程中無法實現自脫氧，而碳元素以單質的形式無法從鎳基中揮發，但碳元素可與氧化鎳發生還原反應形成一氧化碳氣體，即[NiO]+[C]=[Ni]+[CO]↑，從熔池表面逸出【7】。

根據dalton經驗公式（2）可知，金屬的揮發速率與金屬的蒸氣壓與實際分壓差值成正比。當金屬蒸氣壓大于實際分壓時，揮發速率為正，金屬的揮發可正常進行。影響金屬蒸氣壓和實際分壓的因素都會影響揮發速率，若熔煉功率增大，溫度升高，金屬蒸氣壓增大，揮發速率也會隨之增大；在熔煉爐室空間一定的情況下，增大電子槍的掃描圖形設定區域，熔池面積增大，即增大揮發面積，金屬實際分壓升高越快。

式中，uv為揮發速率；b為與量度單位和金屬性質有關的常數；分別為體系的外壓、金屬的蒸氣壓和實際分壓。

在真空熔煉過程中，金屬的揮發隨著真空度的升高而加速。這是因為揮發的同時，存在一個金屬蒸氣原子相互之間或與氣體分子之間的碰撞而返回熔體的回凝。真空度高時，爐氣中金屬蒸氣原子和氣體分子的平均自由程增大，質點間碰撞的概率減少，回凝速率減小，因而凈揮發速率增大【7】。

金屬元素的揮發有利于精煉提純，但在高溫熔煉時還會導致鎳基體金屬的揮發。經統計，在熔煉功率控制在1000～1500kW時，一次電子束冷床爐熔煉純鎳的揮發損耗率為1.5%～2.5%。從扁錠化學分析結果及揮發損耗率分析可知，金屬或非金屬雜質元素含量低，提純效果良好，熔煉揮發損耗率低，扁錠的收得率高，本次試驗采用的真空、熔煉功率、等關鍵工藝參數和電子束掃描圖形設定合理。

表3 GB/T2054中N6化學成分要求

4.2.2 熔煉工藝對扁錠表面質量的影響

電子束冷床爐熔煉的扁錠表面質量與熔煉功率、熔化速度等工藝參數有關，特別是與電子束能量在水冷銅坩堝熔池中的合理分配及熔煉過程中槍的穩定性有關。電子束冷床爐熔煉生產的扁錠表面缺陷主要有：表面橫向環型裂紋、冷隔、皮下氣孔等【6】。表面橫向環型裂紋一般為寬1～2mm、深2～3mm的裂紋，在后續軋制過程中可能出現嚴重開裂現象。形成原因是熔煉過程中掃描坩鍋的3#電子槍出現長時間斷弧，斷弧后重新開始熔煉，3#槍電子束掃描坩鍋加熱過程中，掃描時間過短，坩鍋周邊的凝固鎳未完全呈現液態就有新鎳液流入坩鍋。冷隔是指扁錠表面形成小疊層，由于熔池邊緣局部凝固或沒有完全熔化，流下的鎳液將其覆蓋而形成。主要是電子束能量或掃描圖形分布不合適或熔速過快所致，只要合理分配電子束能量和嚴格控制熔速就可以消除。皮下氣孔即鑄錠表層或次表層小如針尖的孔，內表面呈圓滑狀。熔煉過程中，被熔煉金屬中的氣體要不斷析出，逸向爐室空間，靠近坩鍋壁表面，液壓很小，具有氣泡容易生核的條件。由于在熔煉時的熔煉速度較快或功率不足，氣體來不及從邊緣析出，就被凝固的金屬包圍，形成皮下氣孔。采用適當的熔煉速度，使液態金屬停留時間加長，這樣氣泡就有足夠的時間析出，另外加大功率，使熔池溫度提高，液態金屬的粘度變小，氣泡逸出的速度加快，也可以消除氣孔。除了采用適當的熔化速度、熔煉功率、電子束掃描圖形外，拉錠工藝也是非常重要的一個影響因素，拉錠速度可根據熔化速度通過皮爾格步驟進行控制，確保鑄錠的表面質量。

圖5 鎳板顯微組織

本次試驗生產鑄錠表面質量良好，無表面橫向環型裂紋、冷隔、皮下氣孔等缺陷，扁錠在后續軋制過程中未出現開裂現象，采用的真空度、熔煉功率、熔煉速度等主要工藝參數和電子束掃描圖形設定合理，熔煉過程穩定性較好。

4.3 產品質量跟蹤驗證

4.3.1 板材性能

28mm純鎳板材室溫力學性能檢測結果見表5。從表5可以看出，一次EBCHM扁錠生產的板材性能均符合GB/T 2054標準要求，但抗拉強度的富余量不足，較標準高出5～10MPa。添加50%和70%的返回爐料生產的板材力學性能相當。

4.3.2 板材顯微組織

從圖5可以看出，一次EBCHM扁錠生產的純鎳板材顯微組織均勻。

5 結論

（1）采用電解鎳、N6返回爐料作為原料，經單次電子束冷床爐熔煉生產的大規格N6扁錠，扁錠雜質元素含量低、化學成分均勻性和表面質量良好，滿足板材生產需求。

（2）從扁錠化學成分均勻性、金屬提純、鑄錠表面質量以及后續產品質量跟蹤情況來看，本次實驗采用的真空、熔煉功率、熔煉速度、電子束掃描圖形等關鍵工藝參數匹配合理。

（3）單次電子束冷床爐熔煉N6扁錠，熔煉功率控制在1000～1500kW時，金屬的揮發損耗率為1.5%～2.5%。

（4）添加50%和70%比例返回爐料生產的N6扁錠化學成分相近，板材性能相當。

（5）經一次電子束冷床爐熔煉的N6扁錠生產的鎳板，滿足GB/T2054標準要求，但抗拉強度富余量不足，后續還需開展添加合金元素強化或調整軋制和熱處理工藝來提高抗拉強度，增大抗拉強度富余量。