真空自耗电极熔炼法的优化

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：到1903年，首次利用自耗电极和水冷结晶器，在低压氩气保护下熔炼了钽金属。从1937年起，真空自耗电极重熔的方法获得了很大的进展，这是与钛冶金的发展密切相关的。如图3-20所示为真空自耗电弧炉示意图。

利用电弧作为热能，在低压环境下熔炼金属，始于1839年。到1903年，首次利用自耗电极和水冷结晶器，在低压氩气保护下熔炼了钽金属。从1937年起，真空自耗电极重熔的方法获得了很大的进展，这是与钛冶金的发展密切相关的。1949年后，大型真空电弧熔炼已具备了工业生产的规模，工艺与设备也日趋完备。

电弧是放电现象的一种形态——由电弧放电而建立。为方便理解，做一个假设，将两根电极通过电阻连接到直流电源的正负极。如果使电极相互接触后拉开，在电极之间由于高温，伴有强光和持续放电。这就是电弧。强烈光焰部分称为电弧柱，为等离子状态，电流在其中流过。在等离子体内，原子电离成为电子与阳离子的混合体，由于电场作用，构成电子向正极，阳离子向负极方向流动的电流。由于电子的质量远小于离子的质量，流经等离子体的99.9%以上的电流是由电子形成的，在自由空间高速飞转的电子在电弧等离子体的加热过程中起主导作用。

电弧熔炼是一种弧光放电的过程，由于弧光放电是在低电压大电流条件下，所以可以产生很高的温度而使合金熔化。电弧一般可分为阴极区、弧柱区和阳极区三个部分。

阴极区：是阴极端面的一个区域。在阴极端面附近存在一个正离子层，长度约等于电子运动的自由程（即电子发射后碰撞到气体分子时飞行路程的距离）。它与阴极端面构成很大的电位降，以维持电弧正常燃烧时电子的自发射。阴极发射的电子并非从整个阴极表面上发生，通常只发生在阴极表面上的极小部分。在此微小区域内集中而强烈地发射电子，由于它在阴极表面显示出光亮的轮廓，所以称为阴极斑点或发射辉点。阴极斑点是产生电弧放电的基础，斑点的大小和其表面上游动的特征，直接影响电弧的稳定性和外观特征。

弧柱区：是电弧的主体，包括阴极斑点和阳极斑点之间电弧的绝大部分，呈钟形分布，由等离子体组成。沿弧柱长度方向上电荷质点的分布是均匀的，所以弧柱的电位降也是均匀的。但在径向方向上电荷密度是中间大边缘小。弧柱的温度是电弧中最高的，约为5000K左右，高于阴极斑点和阳极斑点。弧柱温度与气体介质、电流密度和电极材料有关。气体介质的影响主要有两个方面，即气体导热性和电离势。由于弧柱区的温度很高，熔炼金属的除气，物质的分解、挥发、电离等物理化学反应都在此区域内进行。

阳极区：阳极区是在阳极端面附近的区域。阳极斑点位于阳极表面，外观与阴极斑点相似，是吸收电子和负离子的地方。电子和负离子轰击阳极，将能量传递到阳极表面，所以阳极斑点的温度高于阴极斑点。阳极斑点的温度，除与放电气体的压力有关外，还与电流有关。经实验比较，钛电极阴极区的温度为1775℃，而阳极区可达1850℃。

真空自耗电极电弧炉的工作原理是以钛合金作为自耗电极，通电使之与水冷铜坩埚之间产生电弧，依靠电弧的热能将电极熔化。熔化了的电极以液滴形式进入坩埚，形成熔池。熔池表面被电弧加热，始终呈液态，而其底部和周围受到水冷铜坩埚的强制冷却作用而产生自下而上的结晶过程，最终熔池中的熔体凝固成铸锭。在自耗电极熔化的过程中，以一定速度降低电极的高度，以保持电弧熔炼的持续进行，直至熔炼结束。

自耗电极电弧熔炼的主要优点如下：

1）在高真空下熔炼，不但防止了钛合金的氧化，并且减少了钛合金内气体和杂质的含量。

2）电弧加热温度较高，熔化速度快，效率高。

3）水冷铜坩埚可形成一层凝壳，起自我保护作用，避免钛合金与坩埚的反应，可获得纯净度高的铸锭。

4）结晶过程在强制冷却下进行，并且自下而上，可获得组织致密、顺序凝固的铸锭。

5）熔炼质量不受限制，可熔炼重达数吨的铸锭。

自耗凝壳炉的坩埚一般为水冷铜制成，为了防止电弧击穿坩埚壁而引起爆炸，有的炉子还装备有K-Na共晶合金冷却的铜坩埚，但这套冷却系统比较复杂，目前尚未广泛使用。另一种是带水冷套的石墨坩埚，比较安全，其缺点是会使钛合金C含量增加，塑性降低。此外，还有带钨套的石墨坩埚等。如图3-20所示为真空自耗电弧炉示意图。

自耗电弧凝壳熔炼一般在真空（1.33～0.67Pa）下进行，但熔炼含高蒸气压元素的合金时，最好在惰性气体保护下进行。为了使电极能经受大电流以及保证铸件成分的均匀性，凝壳炉一般不选用海绵钛压制棒作电极，而采用重熔过的致密钛棒作电极。凝壳的存在使钛液不直接与水冷铜坩埚接触，可避免合金熔体与坩埚之间的物理化学反应。金属液注入铸型后为了减少内部缺陷以及提高金属液的流动性还可采用离心加压铸造。

真空自耗电极凝壳电弧熔炼存在对原料的形状有要求、废料难以回收和受熔炼速度的制约难以过热的缺点，但具有结构简单、维持费用低、大型化容易等优点。因此，在钛熔炼和铸造业中是使用最广泛的熔炼方法。

图3-20 真空自耗电弧炉示意图

1—电动机驱动机构 2—X-Y调整装置 3—直流电源 4—电缆 5—电极杆 6—重量传感器 7—炉室 8—观察系统 9—自耗电极 10—水冷铜坩埚 11—炉架 12—真空管道 13—铸锭

在真空自耗电弧熔炼的基础上，俄罗斯发展了一种称之为凝壳-自耗电极熔炼技术，即用上次熔炼后残留在坩埚中的凝壳作为电极，在电极与装入坩埚的残钛、海绵钛和必要的合金化组分之间引弧，靠电弧熔化电极和坩埚中的炉料。电极化完以后，将一部分熔融金属注入铸型，靠剩余的部分把未熔化的残钛粘在凝壳上。带有残料的凝壳，其重量可在装料和重熔自耗电极（上次熔炼的凝壳）总质量的30%～80%之间调整。这种工艺允许使用100%的残料，避免了压制自耗电极的麻烦。残料与海绵钛可以直接加入坩埚，块状炉料的尺寸仅受坩埚大小的限制，铸锭的化学成分非常均匀，没有夹杂缺陷。

真空自耗电极熔炼法的优化

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