真空自耗电弧炉熔炼钛铸锭的质量控制

真空自耗电弧炉熔炼钛铸锭的质量控制
安红刘俊玲范丽颖/AnHongLiuJunlingFanLiying
Technology&Equipment
真空白耗电弧炉
熔炼钛铸锭的质量控制Qualitycontrolinsmeltingtitaniumingotsinvacuumarc-meltingfurnace 目前,我国生产钛及钛合金铸锭的基本方法仍为
真空白耗电弧炉熔炼法,该方法可满足一般工业的要
求,是一种成熟的工业熔炼方法(如下图).
评价钛及钛合金铸锭冶金质量的好坏,主要有以
下几点:
①化学成分均匀,各合金元素含量不仅达到标准
要求,而且要稳定地控制在一个最佳的含量水平.
②主要杂质(Fe,O等)控制适当范围,其它杂质
符合标准要求.
③铸锭内部无杂质,偏析,气孔,裂纹,缩孔和疏
松等冶金缺陷.
④铸锭表面光滑,无冷隔,折皱等表面缺陷,头
部缩孔切除量小,铸锭成品率高.
⑤合理的形状和精确的尺寸,适合压力加工的要
求,否则会增加工艺废品,降低成本.
图1钛及钛合金铸锭生产工艺流程图
影响铸锭质量的主要因素
Mainfactorsinfluencing价equalityofingots
原料,熔炼工艺参数(熔炼电流,电弧电压,真空
度,漏气率,冷却速度,搅拌磁场强度)选择的合理性
以及工艺过程控制的严密性决定着钛及钛合金铸锭的冶金质量.下面分别进行论述.
(1)海绵钛海绵钛中常含有H,MgC1
(NaC1),Fe和H,O等杂质.当H含量高时,它将在熔炼过程大量排出,会使电弧不稳;氯化物含量多时,熔炼
过程操作困难,并会影响设备的寿命;铁含量高时,会
使材料耐腐蚀性能降低;原料潮湿将使钛锭含氧,氢量增高,从而降低其强度.因此,海绵钛必须满足相关标
准的要求,如纯度,均匀性和粒度.最为重要的是不能
含有高熔点钛的氧化物,氮化物或者其它高熔点颗粒. 这些高熔点颗粒有可能在最终产品中成为裂纹源.
据资料,分析高间隙缺陷发现,这些区域含有较
高的O,N,C,认为这些颗粒的来源之一就是海绵
钛.海绵钛生产过程中漏气或者污染的反应剂,有可
能导致N,O与产品反应.
迄今为止没有自动方法检验原料,并剔除这些污
染的粒子.一般主要是肉眼评价或者工艺参数评定. 因此,除了与原料供应商协议不允许出现有缺陷的原料外,还应100%肉眼检查海绵钛和残料及中间合金. 真空白耗电弧熔炼是一种区域性熔炼,铸锭杂质
含量主要靠合理的原料选择来保证.况且,钛及钛合金的熔炼是在密闭的真空室中进行的,熔炼过程中不可能对熔体进行化学成分调整,因此,在焊接成自耗电极之前的各道工序中必须严把质量关,保证准确无误.通过精选海绵钛,按配料要求将不同成分的海绵钛充分搅拌混合,确保海绵钛的成分均匀.同时,配
入中间合金后还必须将中间合金与海绵钛混合均匀.
(2)中间合金采用中间合金作添加原料,是
改善合金化条件,提高合金成分均匀度,克服偏析和不溶金属夹杂,减少金属烧损率的有效方法.使用中间合金,便于加入某些熔点较高且不易溶解或易氧
化挥发的合金元素,以便更准确地控制合金成分,其次,使用中间合金作为炉料,可以避免熔体过热,降
低烧损.因此,中间合金应尽可能满足下列要求: WORLDNONFERROUSMETALS2007.825
技术与装鲁
①添加的合金化元素,熔点低于或者接近合金的熔
炼温度.无论是纯金属或者中间合金,其熔点一方面不能超过合金的熔点,另一方面,也不能比钛的熔点低450~C～550~C,否则,过早熔化,会造成铸锭成分不均匀.
②化学成分均匀一致.
③含有尽可能高的合金元素,夹杂物少.
④具有足够的脆性,便于破断配料,但在大气下
保存时不应碎裂成粉末.
⑤比重,比热,熔化潜热与钛相近.
⑥生产成本低.
(3)电极制备
制备单块电极的基本方法有压制和挤压两大类.
电极块经过组装和焊接得到一次熔化的电极.焊接方
法主要为氩弧焊或等离子焊,焊接应进行充分的保护
或者在惰性气氛的焊箱内进行,以避免金属污染或形
成难熔氧化物和氮化物.
制备的自耗电极必须具备下列特征:
①足够的强度,除能承受自重外,应能在运输,吊
装及熔炼操作过程中的振动和冲击下不受损坏.
②足够的导电性,一般认为,关键在于要求足够
的焊接面积.
③足够的平直度,保证在整个熔炼过程中的电极
与坩埚壁内径之间的最小间隙大于弧长.
④合金元素组元成分和杂质含量的分布合理.
⑤电极不得污染和受潮.
熔炼工艺参数
Processpemrne~insmelling
(1)电流和电压
自耗熔炼中最敏感的工艺参数就是熔炼电流.对
于熔炼电流的确定,有不少经验公式,但因为各参数
之间相互影响的关系比较复杂而局限性较大.熔炼电流主要取决于电极材料,铸锭规格和坩埚比,此外,
电源类型,极性以及炉子结构,熔炼室压力等都影响
最佳电流数值.对于钛及钛合金而言,主要是铸锭直
径的函数.实际采用的电流可利用经验公式:
In=(18～33)Dk(安培)
上式中,In一熔炼电流
Dk一结晶器内径,毫米
由于在整个电弧熔炼过程中,熔区的热平衡条件
是变化的,对于直径大的铸锭则更为明显,初期结晶
器底座冷却效果特别显着,而电极温度较低,中期逐
渐减弱了底座冷却强度的影响,电极温度升至稳定阶段,而在后期,电极温度由于炉内其他部件如夹头,
26世界有色金属2OO7年第8期
辅助电极温度升高及接受热辐射能量增加而达到最高
阶段.为了使熔池深度基本保持恒定,获得化学成分
和组织均匀的铸锭,三个阶段中使用的电流应该是递
减的.在具体确定熔炼电流值时,还应考虑到原料品
位,熔次,合金元素的熔点,比重以及坩埚比的不同
而作相应的调整.
对于熔炼电压来说,由于钛及钛合金一般采用短弧
熔炼,电压一般在28～40伏之间,铸锭规格大,电流大
则电压靠上限,铸锭规格小,电流小则电压靠下限. (2)炉内压力
炉内压力和原料的气体含量影响电弧行为和产品
质量.当电弧区残余压力增大到13Mp～66Mp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.
虽然真空自耗电弧炉可在常压惰性气体保护下进
行,但真空熔炼具有加热温度更均匀,弧柱压降小,热
效率高的优点,正常生产中多采用真空熔炼.惰性气体
保护下熔炼的El的在于解决一些钛合金严重偏析问题.
(3)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,一是永久固定在水套
上,基本可以覆盖整个坩埚;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地升高,对于拉锭系统则保持在某一位置不动.
实践证明,流过坩埚的电流不对称,供电线路及
附近设备磁场的影响都会引起熔池的瞬时转动,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.
熔池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.
实际生产中,可每隔几秒将直流电极性转换,补偿熔
池固有的旋转.
(4)热封顶操作
热封顶的El的是减少铸锭头部的缩孔和偏析等,
减少铸锭的切头量,提高铸锭的成品率.最后一次熔炼,当电极消耗~U9o%以上时,应逐级降低电流,使熔
池凝固不形成有害的缺陷.
(5)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.对于钛及其
合金,坩埚比一般在0.625～0.88之间.坩埚比大,铸锭表面质量好,致密度高,但易产生边弧.
(6)铸锭冷却
铸锭一般在真空或者惰性气体保护下冷却后出
炉.惰性气体保护会加速冷却.如果还需要进一步的熔炼,应避免铸锭氧化.
(7)铸锭规格和铸锭熔化次数
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的优点,但是,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炉子的生产率.一定电
流下,随着铸锭长度的增加,生产率增加较小.应该
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.
为了保证最终产品的均匀性,两次熔炼是必要
的.一次熔炼是为了使铸锭初步合金化,均匀化及去除挥发性物质和气体,二次熔炼是为了获得成分分布均匀,表面质量良好的铸锭.
铸锭质量控制
Qualitycon~oloningots
(1)合金化学成分均匀性控制
合金化学成分均匀性,是指铸锭各个区域具有均
匀的化学成分;同一牌号的铸锭的化学成分波动范围是严格控制的.
在钛合金真空自耗电弧熔炼过程中,当合金元素
及中间合金的熔点高于被熔炼合金的熔点时,可能出现因合金元素及中间合金熔化不完全而造成的化学成分不均匀.钛合金的结晶遵循树枝状结晶机制,由此
也会产生树枝状结晶偏析形式的化学成分不均匀.
通常采用以下措施控制合金化学成分均匀性:
①海绵钛质量对钛合金铸锭质量有遗传性影响.
要控制钛合金铸锭质量,首先应该控制海绵钛的质量.需要制订先进的海绵钛质量标准,采用先进的海
绵钛生产,破碎,分选及混合工艺,在海绵钛生产的
各个环节提高不同批次的海绵钛化学成分和硬度的一致性,防止海绵钛中混入其它外来杂质.
②在真空自耗电弧炉熔炼之前严格检查并挑选炉料,防止炉料中混入气体含量,主要是氮氧含量超标
的海绵钛块.
③在合金铸锭生产中采用小颗粒海绵钛(通常为
0.83～1.72毫米).
Technology&Equipment
④使用多元中间合金.
⑤确保电极焊接质量,防止一次电极在熔化过程
中出现掉块.
⑥严格控制熔化工艺过程,尽量保持恒速熔炼.
(2)防止出现夹杂
在熔炼过程中密度和熔点大于基体金属的炉料颗粒,以不熔块的形式存在于铸锭中,叫高密度夹杂.
在钛合金零件中出现高密度夹杂的部位,容易产生集中应力,形成裂纹,引发灾难性事故.为了防止高密
度夹杂,通常采用以下措施:
①100%地仔细地检查所有的炉料,防止夹杂有硬
质合金碎粒的颗粒进入炉料.
②以连续挤压法生产长电极,少用焊接制造自耗
电极.
③采用一根电极熔炼一次铸锭,然后,一次铸锭
化一支二次铸锭的工艺路线.
④采取工艺措施防止难熔金属块掉人液态熔池,
并要避免把电极与辅助电极的焊缝区化入铸锭.
⑤对于特别重要用途的铸锭,采取二次,甚至三
次重熔工艺,提高偶然进入炉料的高熔点料块的熔化概率.
(3)偏析缺陷的改进
真空自耗电弧炉熔炼和凝固结晶的基本特征是电
极不断地熔化,同时,铸锭自下而上地在结晶器中连续凝固增高.在熔化过程中,冷却条件,熔池形状和
深度等均不是一成不变的,且合金元素在凝固结晶时的分配系数各异,这样,不可避免地使合金元素或化合物在树枝状晶间富集而形成偏析.
偏析程度与合金分配系数,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有关,其它因素则与具体操作工艺有关,可通过以下措施进行改进.
①对铸锭的前道工序进行严格的质量控制,尤其
是电极焊接工序.
②可采用反复熔炼.反复熔炼可以减少硬0【缺陷.
③提高海绵钛质量.海绵钛生产大多采用镁还原法,对于用镁作为还原剂的海绵钛全部
制造工序的质量管理特别重要.
近年来,宝鸡有色金属加工厂采用布料一混料生
产线计算机控制配置中间合金,单块电极混料,真
空等离子焊箱内焊接等先进工艺生产钛合金铸锭,钛锭的冶金质量明显提高. WORLDNONFERROUSMETALS2007.827。