真空自耗

真空自耗电弧炉
1 VAR的结构组成及其特点
VAR 炉由真空系统、电极驱动机械系统、铜坩埚及冷却循环系统、直流电源、自动和手动控制系统、稳弧搅拌系统、检测和自动记录系统等部分组成。

VAR 炉现已处于较为完善的阶段，在结构上具有同轴性、再现性和灵活性特征，正在向更大容量和远距离精确操作发展。

VAR炉采用先进的计算机自动电控和数据收集系统，能够对给定的合金和铸锭规格建立良好的熔炼模式，并分析熔炼过程中出现的问题，获得良好的铸锭表面质量和内在冶金质量，提高金属成品率。

2 真空自耗炉的工作原理
真空自耗炉主要用于钛和钛合金的生产。

图1所示为真空自耗炉原理示意图。

该炉有一个结晶器，结晶器装入水冷的外套里，并与熔炼电源的正极相接。

电源的负极与活塞即“拉杆”连接，该拉杆通过滑动的真空密封进入炉内。

待熔炼的钢材(即电极)夹紧在控制活塞的机座上，并且在炉膛抽空以后，下降电极与在结晶器底部的同样材料的金属垫料触发电弧。

当电极由于输人功率而熔化时，就可通过液压控制系统下降活塞，以便保持电极同由此而形成的熔池之间的距离不变。

当熔炼继续进行时，在结晶器里就逐渐地形成了一支新的锭料。

3 VAR基本的工艺流程：
工艺流程：混料一压制电极一电极和残料焊接成自耗电极一熔炼一铸锭处理一检验。

3.1 真空自耗原料由纯料、合金元素、返回料等组成。

3.2 电极制备
经过混料后，添加或未添加残料的原料通过压制、焊接，制成自耗电极。

焊接方法为自耗电弧焊或等离子焊，焊接应进行充分的保护或在惰性气氛下的容器里进行，以避免污染和难熔氧化物或氮化物的形成。

应严禁使用钨极氩弧焊。

制备的自耗电极必须具备足够的机械稳定性，即使在熔炼过程中加热时也不会开裂．并确保电流畅通无阻地通过。

3.3 熔炼过程
炉子采用真空系统，是为了避免空气污染，同时有效去除氢气和氯化物。

水冷铜坩埚给金属的熔炼提供了适宜的容器，只要冷却适当，熔融金属就在其表面形成一层“渣壳”．既保护坩埚，又不被坩埚污染。

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。

对于特定的合金和锭料直径．一旦确定了合适的熔炼条件，较大锭料所要求的电流通常可以简单地按比率推算。

因为锭料单位面积的功率维持不变．电流与面积保持正比关系。

表1为电流和电流密度值对比数据
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。

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。

采用液态钠一钾作为冷却剂就不存这种危险性，相应不必采取防爆措施。

3.4 压力
炉内压力和原料的气体含量影响电弧行为和产品质量。

当电弧区内残余压力增大到13 Pa～66 Pa时就达到辉光放电的临界压力范围，电弧燃烧不稳定．甚至导致电弧熄灭．严重时会产生边弧而击穿设备，依据实践经验，VAR 通常在0．13Pa --1．3 Pa压力下进行。

高的弧电压则产生长弧。

3.5 热封顶和冷却
热封顶的目的是减少铸锭头部的缩孔、疏松和偏析区，减少铸锭的切头量．提高成品率。

最后一次熔炼，当电极消耗到9O%以上时，应逐级降低电流．使熔池凝固不形成有害的缺陷。

大规格铸锭的热封顶需要进行几个小时，同时应保证有足够的
电极材料，尤其头部应是整个铸锭最后凝固的部分。

铸锭一般在真空或惰性气体保护下冷却至400 ℃以下出炉。

惰性气体保护会加速冷却，如果还需进一步的熔炼，应避免铸锭氧化。

有些对热裂纹较敏感的合金成品锭，应在热态时出炉．然后缓慢冷却。

3.6 磁场效应
电弧是一种由流动的电子和离子化的粒子组成的电现象，必然受到磁场影响而发生偏转。

通常的做法是在水套上缠绕稳弧线圈，以此对电弧和熔池更好地控制。

稳弧线圈通常有两种形式，一种是永久固定在水套上，基本上覆盖整个坩埚；另一种则较短并可移动，只用来覆盖弧区及熔池的上部区域，随熔池的升高而不断升高，对于拉锭系统则保持在某一位置不动。

理论上，电磁搅拌或稳定的必要条件可根据以下三点确定：①熔池的有意搅拌和搅动；②防止熔池旋转；③熔池中热分布的影响。

为使合金的化学成分均匀，在初次熔炼时希望熔池旋转，旋转由平行于坩埚轴的固定磁场产生。

实践证明，流过坩埚的电流不对称，供电线路、铁质结构及附近设备磁场的影响都会引起熔池的瞬时旋转，进一步影响铸锭的结晶凝固并降低冶金质量。

合理的稳弧线圈布置和参数给定能够使电弧围绕电极平稳缓慢地移动，防止集中在坩埚壁上击穿坩埚，使成品铸锭表面均匀。

这时，熔池也在缓慢轻微旋转。

若搅拌太快，会产生喷溅，形成较高的壳、差的表面及内部缺陷；旋转慢和不旋转造成铸锭表面质量发生变化然而．若要得到内外质量都好的成品锭，还必须满足其它的一些条件，包括最佳的电流值，电极和坩埚壁之间的间隙，电弧长度及较低的气体含量。

熔池的搅拌是获得良好的结晶组织以利于锻造加工的基础。

线圈的电流连续不断地沿着一个方向流动，凝固时，晶粒会在某一方向优先长大，对锻造不利。

实际中，可每隔几秒将直流电极性转换，补偿熔池固有的旋转。

这虽影响电弧，但对实际熔池影响很少。

这样就有可能控制电弧，使其移动到坩埚壁上的几率减小，同时熔池的涡流效应减轻，实际熔池变浅。

3.7 坩埚比
也称填充比，是指电极与坩埚直径之比。

它是影响铸锭质量和安全生产的重要
参数之一。

对于钛，坩埚比一般在0．625～0．88。

坩埚比大，铸锭表面质量好，致密度高，但易产生边弧。

3.8 铸锭熔化次数
为了保证最终产品的均匀性．两次熔炼是必要的。

一次熔炼的铸锭作为二次熔炼的电极．一次熔炼使铸锭初步合金化、均匀化及去除挥发性物质和气体；二次熔炼获得成份分布均匀、表面质量好的铸锭。

而三次熔炼是为了获得更好的成份均匀性。

3．9 铸锭规格的确定
铸锭尺寸不仅影响铸锭的质量，而且对生产率也有影响。

一般，铸锭尺寸依据半成品尺寸来确定。

大规格铸锭具有实用经济性优点，但增大铸锭的尺寸．偏析倾向就增高。

铸锭长度的确定必须考虑到炉子的生产率。

一定的电流下．随着铸锭长度的增加，生产率增加较小。

应当指出．长度的增加应合理，否则，会给生产带来困难，实际上起不到提高生产率的作用。

一般铸锭的合理长度可依下式确定：L =0．1 6I
I为熔化电流；0．16为系数，单位为mm／A。

4 VAR铸锭的质量问题
至今，钛铸锭冶金技术上一直存在着冶金缺陷的难题。

缺陷的来源很多，类型现在已经得到认识。

4．1 I类缺陷：
也称低密度夹杂、高间隙缺陷．指间隙元素N，O 稳定的α区，其硬度比邻近基体区高而塑性低。

缺陷区具有较高的β转变温度，经机械加工，会伴随产生孔洞，通常用超声波探伤可以发现。

图2是I类缺陷的典型金相照片。

最新的一些研究表明，在任何存在氧化反应的地方，都是产生这种缺陷的一个潜在原因，包括燃烧、炉子漏气、焊接时保护不好、外来杂质、低级残料及未混合均匀的TiO 添加剂等。

三次重熔是消除I类缺陷的一种手段，但对于大颗粒及难熔颗粒或者当熔炼本身就有问题时，三次重熔也并不是一个彻底的解决方法。

I类缺陷出现的位置
往往是很小的、不连续的区域，这些区域会引起应力集中，因此是最有害的，绝对
不允许存在的。

图2 Ti一6Al一4V 合金中典型的I类缺陷，100X
4.2Ⅱ类缺陷
也称软α偏析，是异常稳定的α区，可以延伸到部分β晶粒，是α稳定元素如A1，Sn偏析造成的。

缺陷区比邻近基体区的初生α比例和显微硬度高。

似乎此类缺陷只在钛合金中出现并在缩孔中形成，缩孔部位的低倍组织照片显示为或亮或暗的浸蚀线条(图3)。

这些线条是缩孔区由于A1，Sn或其它易挥发的组分气化和重新沉积而产生的贫化或富集区。

合理的补缩工艺可以避免这些缺馅的产生。

通常的检测方法不能查出这些缺陷，但当缺陷在表面上时，可以通过特殊浸蚀方法观测到。

4.3铸锭气孔(空洞)
在成品或半成品钛合金锻件上发现存在气孔，呈椭圆形的空洞，虽经过大变形量加工也不能愈合，说明空洞内不是真空而是有一定气体存在其中。

空洞周围并不
伴随有上述I类缺陷的特征。

除了缩孔外，重熔可基本上消除铸锭气孔。

研究表明，气孔的形成与海绵钛中所含的残余氯化物有关。

海绵钛中的盐类在固相金属中基本不溶解．但在液相中却形成蒸汽气泡。

真空熔炼中，氢含量很低，通常不足以形成气孔。

缩孔部位的气孔，是由于金属收缩和易挥发组分形成的，可以通过补缩工艺得以避免。

据报道，高熔化速率要比低熔化速率产生气孔的几率大。

熔炼速率低．有利于熔体脱气；熔池浅，可以减少凝固阶段形成的缩孔。

然而在低熔炼速率下及补缩过程中应避免压力过低造成一定量的铝损失。

4.4成分偏析
成分偏析是在钛锭结晶中形成的各部分成分不均匀的现象。

偏析大体分为两类：一类是宏观偏析，经过酸腐蚀后用肉眼可见；另一类是微观偏析，只有在显微镜下才能观察到。

对合金元素偏析已进行了广泛的研究。

理论上讲，凝固过程都是在一定温度范围内完成的，由于固态物质扩散很慢，造成溶质在凝固过程中的重新分配，形成偏析。

偏析的大小与合金分配系数、凝固速率、液相的自然和受迫运动、扩散、晶粒尺寸及晶体形成的方式等有关，最为关键的是合金分配系数，其它因素则与具体操作工艺有关，可通过调整工艺来改进。

合金分配系数是指平衡时固液两相中溶质浓
度比：K
0=Cs／C
L
，C
S
为溶质在固相中的浓度，C
L
为溶质在液相中的浓度。

Ko> 1称为
正偏析；K。

< 1称为负偏析。

N，Nb，Mo，C，O 等元素，其K。

>1，产生正偏析。

K。

<1的元素有：Mn，Sn．Cu，Si，Ni，Cr．Co，V，Fe，Zr
5 铸锭质量
铸锭质量好坏对加工材成品率及成本有重要影响。

影响铸锭质量的因素较多，主要与使用的原料、熔炼工艺参数有关。

自耗电极不洁净，气体含量过高，在熔炼过程中会产生过多的喷溅，从而附着在坩埚壁上，形成“壳”。

熔炼时选择适当的炉内压力，确保电弧稳定，不出现辉光放电现象，避免恶化铸锭质量。

重熔时．应对电极表面清洗．去除凝结的氯化物，并选择适当的电流和导电条件．保证电弧围绕电极端头平缓移动。

坩埚比过小．电弧的分布面积则小、辐射损失大，结晶器壁处的金属不能很好地熔融。

熔炼过程中电弧长度控制过短、频繁短路同样造成铸锭质量差。

非同轴供电系统的VAR炉、不恰当的稳弧线圈设置和稳弧工艺参数都影响着
铸锭质量。

总之要综合考虑，选择最佳熔炼、稳弧工艺参数，严格过程控制.。