真空电弧炉的熔炼技术要求和操作过程

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：真空电弧炉可创造一种低氧势、高温的熔炼条件，可有效降低镍及其合金中易氧化元素的烧损。真空电弧炉分自耗和非自耗两大类。它的结构与真空电弧炉类似，不同的是它有两个自耗电极。真空电弧炉熔炼过程及操作真空电弧重熔过程可分为焊接电极、引弧、正常熔炼和封顶四个时期[9]。真空电弧炉的技术要求真空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、冷却强度、电弧强度、可编程序控制技术等方面。

（1）电弧炉熔炼原理及种类

电弧炉有真空和非真空两种，它们都是利用电极和炉料之间放电产生的电弧热，借助辐射和电弧的直接作用将电能转变为热能，加热并熔化金属和炉渣，熔炼出所需的合金。对于非真空电弧炉，镍基合金的熔炼过程是由氧化还原反应所控制的，由于合金的化学元素种类繁多，一些活泼元素在大气下烧损严重，合金的成分难以准确控制；合金元素的烧损以及金属液与耐火材料之间的化学反应会形成大量的夹杂物；脱氧剂应用不当和原材料的放气会降低脱氧效果。

真空电弧炉可创造一种低氧势、高温的熔炼条件，可有效降低镍及其合金中易氧化元素的烧损。真空电弧炉分自耗和非自耗两大类。后者是指这种电弧炉所用的电极是一种耐高温的导体，常用的有钨或石墨等，被熔炼的金属放在结晶器中，依靠电弧的热量将这些金属熔化并精炼。在熔炼过程中，电极本身不消耗或消耗很少，所以称为非自耗。自耗电弧炉是将被熔炼的金属做成电极，在燃弧过程中，电极以一定速率熔化并得到精炼，所以这种类型的电弧炉称为自耗电弧炉。传统的真空自耗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3-20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，将自耗电极逐渐消熔，熔化的金属液滴入水冷铜结晶区内再凝固成锭，熔滴在高真空下通过5000K的电弧区得到精炼。熔滴金属在结晶器内汇聚成熔池，继续获得真空精炼，同时受水冷铜结晶器强制冷却作用，铸锭顺序凝固，改善铸锭的结晶结构，所以真空电弧重熔是将提纯净化和改善铸锭组织集中在一道工序解决的熔炼方法。

真空电弧双极重熔是真空电弧重熔法的新发展，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。具体的熔炼过程如下：在真空或惰性气体保护下，将两支金属自耗电极水平对置而作为直流电的两极，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并汇聚成熔滴，熔滴在重力影响下落入旋转的非水冷结晶器内凝固。熔滴在滴落的过程中降温至液相线与固相线之间，液相中出现许多固态晶核，加上旋转机械破碎作用，重熔锭组织变为细等轴晶，熔炼原理如图3-31所示。等轴细晶组织在重熔加热时不存在破碎柱状晶的问题，热加工过程中能耗少。但是，该工艺难以生产直径在500mm以上的铸锭；离心力作用下，合金元素因密度差异在径向上分布不均。

（2）真空电弧炉熔炼过程及操作

真空电弧重熔过程可分为焊接电极、引弧、正常熔炼和封顶四个时期[9]。

在电极杆的端头有一段过渡电极，每一炉熔炼所用的自耗电极都要求同轴且牢固地焊接在过渡电极上，焊接区的电导率不降低。焊接在真空或保护气氛下进行。在被焊自耗电极的一端铺上一层引弧剂（一般用同品种的车屑），然后下降电极杆，使过渡电极与自耗电极之间燃弧，当燃弧的两个端面被加热且电弧稳定、液相较多时，迅速下降电极杆，使燃弧的两个端面紧密接触而焊合。

引弧的作用就是让自耗电极与结晶器底部的引弧剂之间形成电弧并在结晶器底部形成一定大小的金属熔池，保持自耗电极与金属熔池之间形成稳定的电弧，使自耗电极的重熔转入正常的熔炼期。常用的引弧方法有两种，一种是在结晶器的底部放一块与所炼金属品种相同的板材作为底垫，再在底垫上铺一层引弧剂。另一种方法是取消底垫，将引弧剂直接铺在结晶器的底部。在实际生产中，要求引弧期尽可能短，并且迅速形成金属熔池，以减缓电弧对底结晶器的冲击，并消除由于电弧长时间的加热底结晶器使之局部过热而与重熔锭粘结。实际操作时，当金属熔池形成后，可以用正常熔炼电流的1.1～1.2倍熔化一段时间，让重熔金属保持液态的时间稍长一些，这样可以减轻或消除重熔锭底部的疏松和气孔。

正常熔炼期是重熔的主要阶段，合金被精炼和凝固成锭，即脱除金属中的气体及低熔点的金属杂质，去除非金属夹杂，降低偏析程度以获得理想的结晶组织。重熔时，在直流电弧的加热下，自耗电极的端头温度升至熔点以上，由于端头的温度是表面高内部低，这样就决定了自耗电极的熔化在端头的表层开始。已熔化的液层在重力作用下沿端面流下，在阴极斑点区汇集成液滴，当液滴达到一定尺寸时，重力克服表面张力，液滴下落滴入金属熔池。液滴离开端面的瞬间，电弧放电并击碎液滴，使液相表面积增大。此外，液滴中溶解的气体在电弧的低压区域析出。这些气体在高温下的膨胀对液滴也起到分散作用。离开端面的液滴通过弧区时将被进一步加热，其中所含的夹杂在低压和高温的作用下分解、挥发或析出，重熔金属得到净化精炼。高温液滴在已凝固重熔锭的上部聚集，因来不及立即凝固而形成金属熔池。熔池下部的金属液在水冷结晶器中冷却凝固。金属锭不断地由下向上生长，直至自耗电极全部重熔完毕。

封顶的目的在于减少重熔锭头部的缩孔，减轻头部“V”形收缩区的疏松程度，促进夹杂物的最后上浮和排除，减少切头量，提高成材率。确定封顶工艺制度的原则是逐渐减小自耗电极的熔化速率，使金属熔池逐渐缩小，当自耗电极重熔终了时，金属熔池尽可能只有少量的金属液，从而保证缩孔最小且集中在重熔锭的顶部中央。降低自耗电极的熔化速率的措施是减小工作电流。在实际操作中，首先是确定封顶开始时间，当重熔到封顶时刻，逐级减小工作电流，直到封顶操作结束。

（3）真空电弧炉的技术要求

真空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、冷却强度、电弧强度、可编程序控制技术等方面。

1）自耗电极。由于真空电弧重熔时金属在液态保留时间短，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，自耗电极母金属必须经过充分的精炼，确保质量。自耗电极的直径直接影响重熔锭的质量，当直径较大时，电弧热能均匀地分布在整个熔池表面，熔池呈扁平状，容易获得成分偏析小、铸态组织致密、柱状晶取向有利于改善热加工性能的重熔锭（柱状晶的结晶方向与锭的轴线间夹角小）；但是不利于气体的去除，产生边弧的危险性也会增加。电极的直径通常是结晶器直径的65%～85%。

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。真空度既不能过低也不宜过高，保持在1.3Pa左右即可。电弧熔炼所用的真空系统必须满足以下两个要求：首先，能够在10～20min内把炉子抽空到适当的操作压力范围；其次，必须能顺利地排除电极熔炼期间释放出来的气体。后者是电极材料和尺寸的函数，且通常以此来选择特定系统。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。熔炼电流决定自耗电极的熔化速率和熔池温度，直接影响熔池的形状、体积和深度，最终反映到合金精炼效果及结晶组织。电流大，则电弧温度高，电极熔化速率大，重熔锭的表面质量好。但是，熔池温度也高，熔池的深度增加，重熔锭凝固时的结晶方向趋于水平，从而增加重熔锭的疏松，成分偏析严重，各向异性加剧，热加工性能变差。熔炼电流小时，熔化速率低，但金属熔池形状浅平，结晶方向趋于轴向，能保证重熔锭的致密度，而且偏析小、树枝晶之间的夹杂容易上浮排出，铸锭中夹杂细小且弥散分布。在电流一定的条件下，电弧电压决定了电弧长度。电弧长度控制过短（例如小于15mm），易产生周期性的短路，熔池温度忽高忽低，从而影响重熔锭结晶组织的均匀性和表面质量。电弧过长，则热量不集中，熔池热分布不均匀，也会影响结晶组织的均匀性，出现边弧的危险性增大。目前，大都将电弧长度控制在22～26mm范围内，相应的电压为24～26V。

4）冷却强度。通常情况下，真空电弧炉单独采用水冷却。铸锭的冷却强度受尺寸及水压等的限制。结晶器内的冷却水层要薄，大流量，大温差，保持紊流态。底结晶器进出口水温差小于3℃，上结晶器的进出口水温差大于20℃，进水口水温不大于25℃，出水口温度保持在45～50℃范围内。在这样的冷却条件下，过热的金属熔滴带入熔池的热量主要通过熔池边沿与水冷结晶器相接触的部分散失，下面的铸锭部分因收缩与结晶器间形成真空而绝热，仅能通过辐射传导热量。这使得熔池保持一个规则的倒圆锥形状。此种熔池形状对于大多数合金来说是可以保证质量的，但对于某些偏析倾向较强的合金来说则难以保证质量，因此，要以强化冷却的方式来减小熔池和糊状区的深度，降低合金的偏析系数。

目前常用的强化冷却方法是在铸锭与结晶器之间通入惰性气体，多年的研究发现，在常用的两种惰性气体中，氦气的热传导效率远高于氩气。要达到同样的冷却效果，氩气的流量是氦气流量的3～4倍，而引入过多的气体会降低炉腔内的真空度，影响电弧的形态，破坏熔炼效果。在当前的工业化生产中主要还是用氦气进行冷却。

5）电弧长度。电极与熔池间的距离称为电弧长度或弧长。电弧过长，容易产生飞弧，甚至击穿铜结晶器，应适当降低熔化速率。电弧过短，合金铸锭表面质量差，锻造热加工时容易破坏。通常弧长控制在12～25mm范围内，约为电极与结晶器壁之间距离的一半。

6）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。

真空电弧炉的熔炼技术要求和操作过程

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