真空电弧熔炼炉：钛合金重要设备

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：真空电弧熔炼炉，有时也被称为真空电弧重熔炉，是用来熔炼钛合金的重要设备。用于工业生产的第一台真空电弧熔炼炉于1955年投产，主要用于熔炼钛合金。上海钢铁研究所建成双电极真空电弧熔炼炉，也达到了国际先进水平。真空电弧熔炼炉根据电极的不同可以分为自耗电极电弧炉和非自耗电极电弧炉。通常所说的真空电弧熔炼炉就是指的真空自耗电极电弧熔炼炉。为了解决上述的一些问题，发展了真空电弧双极熔炼炉，用于制备细等轴晶铸锭。

真空电弧熔炼炉，有时也被称为真空电弧重熔炉，是用来熔炼钛合金的重要设备。在航空、航天、军工、核电、能源及化工等领域的材料生产中起着重要的作用。1940年，Hopkins开始采用水冷铜结晶器。用于工业生产的第一台真空电弧熔炼炉于1955年投产，主要用于熔炼钛合金。20世纪50年代初至70年代末，真空冶金进入快速发展阶段，最大的真空电弧炉可熔炼重达52t的铸锭。

我国真空电弧炉设备的研制始于20世纪50年代。20世纪60年代，沈阳真空技术研究所、松江、锦州、长春电炉厂制造出小型的真空电弧熔炼炉。20世纪70年代末期，北京钢铁研究总院引进国外先进技术，研制了200kg同轴真空电弧熔炼炉。上海钢铁研究所建成双电极真空电弧熔炼炉，也达到了国际先进水平。我国在真空冶金领域有第一流的科研成果，也可以作出第一流的设计，但是电弧炉熔炼设备制造方面尚与国外发达国家有一定差距。

真空电弧熔炼炉根据电极的不同可以分为自耗电极电弧炉和非自耗电极电弧炉。非自耗电极电弧炉，也就是通常所说的“永久电极”，电极除了为熔融原材料提供热量外，还必须是惰性的，由于其生产能力小，容易污染金属，因此不适于熔炼大的铸锭，但在科研院所制备试样获得了较为广泛的应用。通常所说的真空电弧熔炼炉就是指的真空自耗电极电弧熔炼炉。

1.真空电弧炉的结构

传统的真空电弧炉结构包括炉体、主电源、真空系统、水冷系统、自动控制系统等，如图3-30所示。将待熔金属制成自耗电极，在真空条件下（10^-2～10^-1 Pa），利用直流电弧作热源将自耗电极逐渐熔化，熔化金属滴入水冷铜结晶区内并凝固成铸锭。金属熔体通过5000K的电弧区，在高真空下得到精炼，金属熔体在结晶器内形成，并可继续获得真空精炼。由于水冷铜结晶器的强制冷却作用，铸锭可实现顺序凝固，可避免铸造缺陷的形成。

图3-30 真空电弧熔炼炉结构示意图

真空电弧重熔可以生产大尺寸、大吨位的铸锭，而且在水冷结晶器中一边熔炼一边凝固成铸锭，可消除常见的缩孔、偏析和疏松等缺陷，同时使夹杂物上浮排到铸锭顶部。真空电弧熔炼的缺点是，必须首先制造自耗电极，不仅增加工序，增加成本，而且对与自耗电极要求非常高；铸锭组织结构以柱状晶为主，但从底部到顶部柱状晶是变化的，与径向夹角逐渐减小，而且顶部晶粒较大，不利于压力加工。

为了解决上述的一些问题，发展了真空电弧双极熔炼炉，用于制备细等轴晶铸锭。它的结构与真空电弧炉类似，不同的是它有两个自耗电极，其过程是在真空或惰性气体保护下，将两支金属自耗电极水平对置，作为直流电的两极，在两极间产生电弧放电，两自耗电极端头在电弧作用下熔化，熔滴在重力的作用下落入旋转的非水冷结晶器内凝固。熔滴在滴落的过程中随着温度的下降，达到形核条件，液相中产生一部分晶核，再加上旋转的破碎作用，得到的铸锭组织是细等轴晶。真空电弧双极熔炼原理如图3-31所示。

通过真空电弧双极熔炼炉制备的铸锭为等轴细晶组织，铸锭在加热时不存在破碎柱状晶的问题，热加工过程中能耗少。该工艺不足之处为，锭子直径较大时，靠旋转离心力使处于半熔融金属流到铸锭壁处困难，恶化了重熔锭表面质量。由于离心力作用，金属熔体的成分易产生偏析。

真空自耗电极电弧炉的技术要求主要体现在自耗电极、真空度、熔炼电流和电压、可编程序控制技术等方面。

图3-31 真空电弧双极熔炼原理示意图

（1）自耗电极

由于真空电弧重熔时金属在液态保留时间短，物理化学反应比较弱，气体的去除、低熔点杂质的挥发、夹杂物的分解和浮出等反应主要依靠物理过程。因此，自耗电极母金属的冶炼要求充分精炼，确保质量。

（2）真空度

真空度对重熔过程脱氧、去气、元素挥发、夹杂分解、电弧现象及安全操作均有直接的影响。因此真空度不宜过低，也不宜过高，保持在1.3Pa左右即可。电弧熔炼的特点要求所用的真空系统必须满足以下两个方面：首先，需要把炉子的空间在大约10～20min内抽空到适当的操作压力范围；其次，必须能顺利的排出电极熔炼期间释放出来的气体，后者将是电极材料和尺寸的函数，并且通常将以此决定所选择的特定系统。目前普遍采用的布置方式由一个机械增压泵和一个蒸气增压泵并联组成。

（3）熔炼电流和电压

熔炼电流决定熔化速度、熔池温度，对熔池的形状、体积、深度有着直接的影响，最终反映到合金精炼效果及组织。目前一般采用大断面电极，短弧操作，电弧长度一般为30mm，大直径锭为50mm，电弧电压为22～65V。

（4）PLC控制

可编程序控制技术，使得真空电弧炉的自动化和半自动化运行成为可能。设备严格按用户设置的程序运行，工艺技术条件得以严格控制，可重复性强。对设备运行和工艺过程实施高度控制。例如，电极位置的控制，真空机组的开关、监测，真空阀门的开闭、连锁、切换、故障的识别、报警、预防误操作等都由PLC控制。

钛及钛合金真空自耗熔炼过程中的关键控制参数有以下几个：

（1）炉内真空度及漏气率

钛及钛合金铸锭需在真空气氛下熔炼，这是由其化学性质决定的。炉内真空度主要由炉体的放气量、被熔材料的放气量、真空机组的抽气能力和炉体的漏气率决定。

（2）熔炼电压

一般由两部分组成，即电弧电压和炉子短网压降。电弧电压主要反映电弧长度及其稳定性。炉子的短网压降主要由炉子的结构特点及其布置特点决定。电弧电压主要是极性、电流、自耗电极直径与坩埚直径之比值、自耗电极材料和电弧长度的函数。

（3）熔炼电流（电弧电流）

它是真空自耗电弧熔炼过程中对熔炼产品质量影响最大的参数，也是确定熔炼工艺的核心参数。熔炼过程中必须严格控制电弧电流的大小及其波动，以保证熔炼过程中熔池始终处于平静状态下。

（4）坩埚出水口温度及流速

金属材料熔化的热源来自两极间电弧弧光放电产生的高温。该热能与上炉体、电极杆和坩埚的冷却水、炉内气氛、熔池及铸锭等通过热传导、接触及辐射的方式达成了一个热平衡系统。该热平衡系统对铸锭内在质量及表面质量的控制同样非常关键。从冶金动力学的观点来讲，不同钛合金铸锭其熔炼过程中的热平衡系统是不同的。冷却水的流速、流量及进、出水的温度，坩埚和隔水套之间的间隙等是该热平衡系统的关键因素。目前，较先进的真空自耗电弧炉是通过控制坩埚冷却水系统的进、出水温度差来实现的。

除以上几个关键参数外，稳弧及电磁搅拌系统也对熔炼质量影响比较大。

图3-32 自耗电弧熔炼控制系统

2.钛及钛合金熔炼过程关键参数的控制分析

为实现熔炼过程中熔池处于平静状态，运用特定的控制技术，提高熔炼电压及熔炼电流的控制精度，改善自耗电极熔化铸锭结晶与生长环境熔炼电压及熔炼电流两个参数的控制框图如图3-32所示。

3.工艺对熔炼电压及熔炼电流的控制要求

钛及钛合金的VAR熔炼通常由起弧、正常熔炼、热封顶三个阶段构成。熔池建全后即转入弧压控制的全自动熔炼。

工艺对熔炼电压的控制要求：为了保证熔炼过程中熔池表面平稳，电弧燃烧稳定，在其他条件基本维持不变的情况下，维持一定的电弧长度（两极间的距离）是控制的关键。在实际生产中，通过测量熔炼电压及对熔炼电压实施负反馈控制而间接地控制电弧的长度。

实际熔炼电压的测量值由测量回路短网压降和电弧电压两部分构成。短网压降与熔炼电流成正比，短网阻抗通过短路试验测得。对于一定的熔炼电流，该压降可视为定值。

电弧电压同样由两部分构成，一部分为受熔炼电流影响较小的弧柱压降，它是电弧长度的非线性函数；一部分为受熔炼电流、炉室气氛的成分与压力及自耗电极的材料性质影响显著的表面压降，它与两极间的距离无关。电弧电压可用下式表示：

U_arc=α（·）I+β（·）L_arc （3-22）

式中 α（·）I——电弧的表面压降（V），它可用与熔炼电流成正比的项和一个噪声项的和来描述；

β（·）——弧柱压降（V）；

L_arc——弧柱长度（mm）。

据此，熔炼电压就可以用式（3-23）表示。

U_r=∑RI（t）+β（·）L_arc+θ（·）（3-23）

式中 R——系数；

θ（·）——噪声项（V）。

为保证电弧的稳定燃烧，工艺对熔炼电压的控制要求如下：维持正常熔炼时工艺所需的弧长，稳态误差控制在±0.5%以内；对由于干扰引起的熔炼电压波动具有快速的消除能力；对熔炼过程中出现的短路具有快速提升的功能（一般要求在0.2s以内），短路消除后应立即转入正常熔炼；具有人工对熔炼电压设定值的修正和根据实际熔炼状态对弧长的干预功能；具有辉光放电的检测与消除功能。总之，熔炼电压控制系统满意的控制效果为在正常熔炼过程中始终能使电极杆保持匀速下降，以维持设定的弧长。

工艺对熔炼电流的控制要求：熔炼电流是钛及钛合金VAR熔炼中的核心工艺参数。工艺对熔炼电流控制的要求如下：在低电压下具有良好的恒电流特性，电源本身的稳态误差控制在额定输出电流值的±1%以内；在两极短路时短路电流不能超过额定输出电流值的10%；熔炼电压超过45V时，熔炼电流具有一定斜率的下垂特性；动态具有良好的抗扰动特性；30min过载小于额定输出电流值的10%。

4.熔炼电压与熔炼电流控制

控制熔炼电压的实质是为了控制电弧长度。由于坩埚直径与自耗电极直径的差别，在整个熔炼过程中自耗电极始终向下运动，从而保持一定的电弧长度。电极杆下降的速度可用下式计算：

式中 γ₁、d、dl/dt——自耗电极的密度（g/cm³）、直径（cm）和熔化速度（m/s）；

γ₂、D——铸锭的密度（g/cm³）、直径（cm）。

准确设定电极杆下降的速度，必须准确测得自耗电极的熔炼速率。

熔炼电压控制系统是以伺服电动机速度控制为内环，以熔炼电压负反馈控制为外环的双环控制系统。控制系统结构示意图如图3-33所示。

图3-33 控制系统结构示意图

电极杆、电动机及其传动机构是定弧长控制的执行机构，尽量小的传动惯性、足够的调速范围、良好的加减速性能、适应工艺高分辨率的弧长调节是控制系统对其最基本的要求。

实际熔炼电压信号含有比较严重的噪声，可采用适当的方法得到该噪声的频谱和统计规律，设计对应的滤波算法，使得熔炼电压的控制更加平稳、准确。采样周期的选择对系统的控制性能同样重要。熔炼电压控制器是弧长控制稳定性的关键。目前可用软件来实现，也可采用将非线性弧压-弧长分段线性化的PID控制策略或变增益的PID控制策略，这些控制策略可以适应钛及钛合金一次熔炼、二次重熔、三次重熔的不同控制要求，实际使用效果较好。

真空自耗熔炼电流控制系统结构示意图如图3-34所示。熔炼电流控制一般均采用PI控制策略。为了获得输出最大直流电流时的下垂特性，通常采用电压截止的非线性负反馈控制策略。

图3-34 真空自耗熔炼电流控制系统结构示意图

5.自耗电极的熔速控制

熔速控制的实质是保证单位时间内自耗电极被熔化的质量不变，即单位时间消耗的直流功率不变，其目的依然是追求平稳熔炼过程，熔速控制框图如图3-35所示。

图3-35 真空自耗电弧熔炼熔速控制图

目前VAR所采用的熔速控制方式，就其控制任务的实质来说与传统（或不采用熔速控制）的熔炼电流、熔炼电压控制没有区别，原因在于目前工艺给定的熔炼速度基本上沿用已有的经验手工计算得到，与熔炼电流给定没有区别，仅仅进行了一次数学上的转换。然而，必须认识到一种潜在的技术进步：由于引入了称重传感器，可以准确获得自耗电极在采样间隔内的质量。

真空非自耗电弧炉与自耗电弧炉具有相似的原理，但控制过程简单，适用于熔炼较小铸锭，尤其适合于科研实验研究。由于其操作简单，设备小巧，同样得到了广泛应用。如图3-36所示为一台非自耗电弧熔炼炉外观，所使用的阴极为钨电极。因钨的熔点高，导热性较好，可通过顶部水冷作用控制在合理的温度范围内。同时，还可在水冷铜坩埚外围加装电磁装置，可在熔炼和凝固过程中提供电磁作用。

图3-36 非自耗钨极电弧熔炼炉的外观照片

真空电弧熔炼炉：钛合金重要设备

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