海绵钛真空自耗电弧熔炼钛锭工艺与设备.docx

海绵钛真空自耗电弧熔炼钛（合金）锭工艺与设备---乘钒钛文化之风 创钒钛产业之都原创 邹建新 孙青竹 教授等钛和钛合金铸锭生产工艺流程如图4.9.5 所示下面分别按步骤 进行介绍1. 炉料准备 熔炼钛及钛合金铸锭的炉料包括海绵钛、钛残料、纯金属及中 间合金添加剂1）海绵钛 生产不同牌号的钛及钛合金锭应选用不同级别的海绵钛在选 用海绵钛级别时，主要是依据铸锭级别和牌号碘化钛专供生产 TA0之用，TA1级基本上使用一级品海绵钛，TA2和TA3则可根据 力学性能要求搭配使用海绵钛+残钛料+合金元素-干燥及处理- 配料-制备电极块一电极组焊一一次熔炼一炉内或炉外焊接一二次熔炼一钛锭一化学分析图 4.9.5 真空自耗电弧炉熔炼铸锭工艺流程2）残钛料为了综合利用和降低成本，就要尽量将未被混料的残钛返回入炉，加以利用作为钛及钛合金炉料的钛残料，是预先经过净化处理、碎化、严格检验而不带氧化层、低密度及高密度夹杂物的干净 残料其形式有屑状、条状、块状等块状残料的净化，需根据残 钛表面氧化皮的厚度分别处理对于氧化不严重的残钛，用 HF 和 HN03 混合酸液酸洗，然后再水洗；对于氧化严重的残钛，必须先 用喷砂等机械加工方法去除氧化皮，接着用HF和HNO,混合酸液 酸洗，然后再水洗。

3）合金添加剂各种合金元素和钛之间的物理性质 （主要是熔点和密度 ）相差甚 大，合金元素的加入可用纯金属和中间合金两种形式其中锰、 铁、铜、铬和锆等可以以纯金属形式加入，钼、锡、硅和铝、钒、 硼等常以中间合金形式加入具体的加入形式需根据不同牌号的合 金灵活应用2. 原料处理（1）含钛物料 商品海绵钛尽可能选用粒级合格的当海绵钛粒度不合格时， 应进一步在颚式破碎机上破碎到粒度符合工艺要求为止随后，在 真空烘干箱中干燥，干燥的目的是除去表面吸附的水分真空烘干 条件：温度约120〜180°C ；真空度约5Pa；保温时间4〜6h，然后 可直接出炉返回料，包括残钛边角料和钛屑，一定要牌号相同，加工成的 粒度和海绵钛大致相同，经除油、除氧化皮及干燥等处理后方可使 用2）合金添加剂或中间合金 所使用的合金添加剂和中间合金众多，它们的物理性质不同， 它们存在的外形也各异，必须依据不同的状况分别加以下料处理对于具有脆性的物料，如Al-V、A1-Mo等中间合金，它们可以 在锤式破碎机上进行破碎，再经筛分至所需粒度对于具有韧性的物料，常采用多种机械切割或机械加工成合适 的粒度因为过大的粒度易造成合金成分的偏析和产生夹杂。

然后 将加工好的物料净化处理，除去表面的氧化皮和油污，再干燥后待 用3. 自耗电极制备（1）配料 配料是获得合金成分和杂质含量合格、分布均匀铸锭的决定性 工序一旦失误，无法获得预想的合格锭配料是按钛及钛合金的牌号和化学成分为理论计算基础同时 必须充分考虑以下因素：a. 合金组元在熔炼中的烧损率和偏析状况；b. 合金组元和杂质含量允许波动范围和均匀度要求；c. 合金最佳性能要求的合金成分和杂质含量；d. 合金添加方式，是纯金属还是中间合金；e. 熔炼方法和熔炼次数 钛合金添加元素的加入方式可按实践经验来进行： 海绵钛混料组批后的平均杂质含量应低于合金允许含量，但也 要保证适当的氧当量海绵钛组批后平均力学性能应满足产品牌号 规定要求一般选用抗拉强度小于 45kg/mm2 的海绵钛作基体金属原 料合金组元中不易挥发元素 Mo、W 等应取配料成分波动值的下 限，低熔点易挥发元素的配料成分取上、中限高熔点金属 Mo、W 等作为合金组元加入时必须采用中间合金加入，而不能用纯金属加 入TCl、TC2 合金中锰的加入量当采用二次自耗熔炼时配入量应大 于 2% ；当采用真空- 充氩自耗熔炼时配入量则可小于 1.8%。

合金元素配人海绵钛基体时尽量均匀分布，组批后的电极配料 或应混合均匀，或可将合金元素做成用铝箔制成的球形合金包，置 人电极配料块中，然后压制成电极块另外，在用多组分料配料制 取单块电极时，配料组分质量应小于一次熔炼正常熔池钛液质量的 1/32）电极块的压制 自耗熔炼对电极的要求主要是：足够的强度；足够的导电性； 平直度；合金元素在电极中的分布合理；不受潮、不污染单块电极的制备方法有压制 （又分立压和横压）和挤制（又分卧式 和立式）两类，较常用的是压制法电极块的密度与被压制的原料有关一般地说，电极块的密度 大于3.2g/cm3就可以满足熔炼要求一般使用压力达到 300〜500MPa 的压机3）电极的组焊电极的组焊是将压好的单块电极块组焊成自耗电弧熔炼所需截 面和长度的电极工业上，常采用氩气保护等离子焊、真空等离子 焊和电子束焊为了防止混入高密度夹杂，一般不使用钨极氩弧焊 接焊接用氩气纯度为 99.99%海绵钛自耗电极组焊的设备如图 4.9.6 所示图 4.9.6 真空等离子焊箱 图 4.9.7 真空自耗电极电弧炉4. 熔炼（1）熔炼过程概述 圆饼状海绵钛经焊接成较长的圆柱状海绵钛电极后，就可放入 真空自耗电极电弧炉的电极把持器中，调整好电流参数后即可开始 真空熔炼，以除去杂质。

真空自耗电极电弧炉如图4.9.7 所示熔炼过程中，钛阴极不断熔化滴入水冷铜坩埚，借助于吊杆传 动使电极不断下降为了熔炼大型钛锭，采用引底式铜坩埚，随着 熔融钛增多，坩埚底逐渐向下抽拉，熔池不断定向凝固成钛锭由于熔炼过程在真空下进行，而熔炼的温度高于钛的熔点，熔 池通过螺管线圈产生的磁场对熔化的钛有强烈的搅拌作用，因此， 海绵钛内的 H 极易挥发，杂质和残余盐类会大量排除，故熔炼过程2有一定得精炼作用熔炼工艺操作过程可概述如下：以海绵钛或加入合金元素的海 绵钛为原料而压制成自耗电极，夹在电极杆上 （为直流电源的负 极），于真空或惰性气体氛围中使之与水冷铜坩埚 （直流电源的正极 ） 上的引弧料间产生电弧，依靠电弧的热量将自耗电极熔化，熔化的 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，而底部和周围受水强制冷却产生自下而上的结晶过程，不 间断地以适当的速度下降电极，以保持电弧熔炼的持续进行，直至 自耗电极熔化耗尽，熔炼阶段结束该过程按时间排列，又可分为 装炉、熔炼和出炉三阶段2）工艺操作要点实际工艺操作要点如表4.9.2 所示表4.9.2真空自耗电极电弧炉操作要点工艺 名称工艺程序内容坩埚的清坩埚的法兰盘、内壁和底座都要用砂纸打磨光滑并用棉纱擦干净。

认真检查坩埚的法兰盘与内壁的焊缝及其各部分理和检查的表面有无被电弧击中的烧伤痕迹或凹坑如凹坑大而深装铸锭底垫的准备引弧料则不能使用用同一牌号的电极残头放在坩埚底部作为底垫或配制一份 与待熔炼的自耗电极成分相同的合金包和海绵钛摊放在坩炉埚底部作为底垫在底垫上放置由铝箔折叠而成的大约 30mm 高的三角形引弧的制备料电极的自耗电极与坩埚壁之间的周围间隙应一致，一般为30〜调整40mm二次熔炼为使化学成分均匀，将一次熔炼得到的铸锭作为自耗电极 进行二次熔炼并将一次铸锭颠倒装卡，使其底部与电极夹电极安装头连接一般，二次铸锭的直径=一次铸锭的直径+两倍间侧弧的隙尺寸如果在电极与坩埚壁之间产生侧弧，多半是由电极偏移或熔处理电弧太长造成的，应加快电极下降的速度，缩短电弧电极下降速度太快，容易产生短路，此时应迅速改变电极炼电极短路 的处理电极断路 的处理电极残头运动方向，向上提升，待电弧正常后应保持恒定速度下 降如果来不及提升电极，电极端部就会与熔池凝固在一 起，这时只能待铸锭冷却后取出铸锭和电极，再将两者分 开，重新装炉熔炼 电极下降速度太慢或因其他原因电弧被切断，这时必须在 铸锭上部熔池冷凝后再下降电极起弧。

此时因没有引弧 料，起弧困难，最好重新装炉熔炼完毕后，电极残头温度较咼，应放置在水冷炉体部分（3）熔炼作业 熔炼大致分为引弧期、正常熔炼期、封顶期和冷却等四个阶 段a. 引弧期 电弧引燃的方法是在底结晶器上面直接放置一些引弧剂 （海绵 钛），并使引弧剂和自耗电极端面距离不小于 15mm，一般为20- 30mm为了顺利地起弧，必须把空载电压 （即开路电压）提高到 70V在空载电压下，借助于自耗电极与引弧剂之间瞬间接触而产 生弧光放电进而达到稳定的电弧燃烧，造成一定量的金属熔池，为 过渡到正常熔炼创造条件电弧长度（弧距）通常控制在25 mm~50 mm或更大，太短会造 成频繁的短路，降低铸锭质量，太长会使电弧移动，击穿坩埚壁 弧距不能超过电极和坩埚之间的最小距离在高的电流情况下，如 果电弧集中在坩埚表面某一位置就会瞬间击穿坩埚而造成严重的爆 炸事件为此应采取和安装有效的安全预防设施，包括炉子观测系 统、自动断电元件、爆破口、防爆墙生产实际中要求引弧期尽量短并迅速形成金属熔池，以减缓电 弧对底结晶器的冲击b . 正常熔炼期 当引弧期结束以后，逐渐增加熔炼电流，迅速转入正常熔炼 期熔炼期操作是否准确直接影响到熔炼产品的质量。

待熔池覆盖 坩埚底后，迅速将电流升到工艺要求的设定值，进行正常熔炼同 时要控制好电压、真空度、熔炼速率等其他工艺参数熔炼电流一经确定，熔炼是否正常就取决于电弧的长度电弧过长，热量不集 中，表现为金属熔池呆滞，表面有漂浮的杂质花膜，使金属的沾污 程度增加；弧长过短，会造成电弧频繁短路而使熔池温度急剧变 化，同时会发生严重喷溅；弧长正常时，熔池十分清晰活跃，熔液 徐徐波动并将杂质膜推向结晶器壁生产中，应对重熔电极和炉室彻底清理，清除外来物和炉室中 的冷凝物，诸如氧化物、氯化物等 这些是造成氧、氮含量增加、 引起铸锭冶金质量问题的潜在来源熔炼的初始电流设置应低一 些，电压在30V—5OV之间，主要取决于电极和炉室中的气体含量、 电流大小、电弧间隙、电极的电阻及铸锭的尺寸形成熔池后，将 熔炼功率增加到高于主熔炼期所预定的水平，以弥补坩埚底部的激 冷效应熔炼期间，功率应保持不变，直到熔炼末期，这时按照预定热 封顶工艺降低功率，以便把锭料头部缩孔和偏析减少到最小熔炼时，要保证电极与坩埚间隙为50mm—80mm或更大，一方 面确保安全性，另一方面为气体排除提供良好的通道真空自耗电弧熔炼的真空度一定要避开危险区。

一旦出现真空 度骤降，要立即采取有效措施，适当地减慢熔化速率，控制好电极 的进料速度，以保持合适的弧长，防止边弧产生，待真空度回升后 再转入正常熔炼c.封顶期（又称补缩期）封顶的目的是为了减少铸锭头部的缩孔和疏松区，降低钛锭的 切头量，提高锭坯的成材率从正常熔炼进入封顶后，热封顶的电 流逐渐递降，分别从正常熔炼电流的 1/3 减低最后达 1/10；热封顶 时间一般占总熔炼时间的1/厂1/3为了确定最佳封顶开始时间， 一般采用电极杆行程或平均速熔法计算确定预留电极量d. 冷却钛铸锭在真空或惰性气体保护下冷却至400°C以下温度出炉 一般来说，惰性气体保护冷却效果比真空冷却好5．关键工艺参数的确定（1） 熔炼功率 在真空自耗电弧熔炼时，用于金属熔化的功率仅占总输入功率 的30%〜50%,有50%〜70%的功率以各种形式损失掉其中包括 金属挥发损失、电极热损失、金属表面热损失和液体金属导热损 失熔炼所需的总输入功率可按下述经验公式计算：P式中P、——熔炼所需的总输入功率，kW・h； 总P ——金属熔化所需功率，kW・h；熔n——热效率，一般为30%-50%；I——电弧电流，kA；V。