5-5 真空电弧炉熔炼及其参数

实践证明：填充期的电弧电流仅占正常重熔期的30％ 左右。因为这个时期的电弧功率主要是用于弥补热损 失来保持熔池表面部先行凝固为准则，而不是为了熔 化电极。 当然，小功率电弧操作一方面可以保持熔池表面处于 液态，另一方面也可以提供小量液态金属不间断地进 入熔池来填充由于凝固和结晶所造成的体积收缩。与 此同时，还可以保证锭材结晶方向不变，即保持锭头 结晶方向与锭身的一致性——逐渐由下而上地减少熔 池体积和深度，到停电时头部熔池减到最小。始终保 持熔池表面处于液态而不先行凝固还有利于头部气体 和夹杂作最后排除，这就保证了锭头纯度的提高。
3、头部填充期
头部填充期又称头部加热填充期，它是真空电 弧熔炼最后一期工艺操作。其任务在于防止头 部收缩和内部疏松，引导头部中的气体和夹杂 物作最后的排除从而确保头部质量与锭本体在 纯度和结晶质量上的一致性。 为完成上述各项任务，必须在重熔结束前的一 段时间里，采用尽可能小的电弧功率进行头部 加热填充操作，使熔化速度尽可能小。
2、自耗电极的制造方法
（1）难熔与活性金属电极的制造 粉末压制：粉末直接压制成型，粉末压制后经预烧结 脱气和热压制。 压制方法：用立式圆锥压模冲压成型法 、用卧式圆锥 压模冲压成型法 、立式正锥度圆形压模冲压成型 、水 静压力成型法 （等静压制法 ） 电极的联接：对小断面电极一般采用焊接法。即：在 真空或在氩气保护下用电弧焊，或在大气中用局部吹 氩或氢气保护下对焊。而大断面电极还设有专门焊电 极设备或者在自耗炉内之间对焊。
（2）钢及合金重熔用自耗电极的制造
钢与合金的自耗电极一般采用感应炉、电弧 炉，有时也采用电渣炉熔炼。将熔炼的钢水直 接铸成电极或钢锭。对于首先铸成钢锭的，则 在经锻造或轧制成所需要的尺寸的电极，然后 扒皮处理。供真空自耗炉重熔使用。 对高质量要求的高温合金和耐热钢而言，一般 认为采用真空感应熔炼为好。因为这种熔炼可 以保证高Al、Ti不致烧损，成分准确。
生产中采用的引弧方法
A-直接引弧法，其实质是使自耗电极与结晶器模底做 瞬间短路，再缓慢拉开起弧。这种引弧方法的原理 是：由于两极间的接触实际上只是个别的突起点（两 极横断面不可能绝对光滑），因为在短路瞬间，在突 起点上将通过强大的电流，足以把它们加热到极高的 温度，从而使阴极表面有了强烈的发射热电子的条 件。这时如将两极慢慢拉开，阴极表面热电子立即开 始并产生电弧。与此同时，自耗电极将产生局部熔化 和蒸发。与此同时，处于两极间的气体和金属蒸气， 在电场中的电子轰击作用下也发生强烈电离，因此两 极之间的电弧进一步稳定。阴极端表面除了热电子发 射外，还有自发射，这两种电子的轰击作用，足以使 两极间的气体和金属蒸气进行电离，同时在热与光的 作用下，还存在有热电离和光电离。随着两极间气体 与金属蒸气电离程度的增加，电弧过程亦愈加稳定。
2、 正常重熔期
真空电弧熔炼的第二期为正常重熔期。该期的 长短因锭重而异。它占整个重熔过程的绝大部 分。其任务是去除气体、非金属杂质和各种有 害杂质；均化成分、改善结晶质量、消除各种 缺欠，获得表面光洁和结晶结构合理的高质量 锭材。 在某些情况下，在正常重熔期还附加有超声 波、电磁搅拌和机械震动等处理，以细化结晶 结构、有害杂质均匀分布。显然，正常重熔期 是净化重熔－重注过程，成以后，开始装炉工作。把准备 好的带有卡头的自耗电极或带卡头的假电极与 自耗电极按要求装入炉内，并把结晶器对正炉 子熔炼室装配好。前者是指把带有卡头的自耗 电极装到炉内电极升降连杆的电极把持器上。 后者只是将带卡头的假电极装到把持器上，而 自耗电极在结晶器内摆好放正，在封炉并抽空 以后进行炉内电极对焊。 由于真空电弧炉具有不同的炉型结构、具体的 装炉操作应视其特点而异。
根据焊接程序和工艺参数通电一段时间后，切 断电源，同时下降假电极并将其压进电极上端 表面上在通电时所形成的焊接熔池，静止冷却 数分钟。待焊缝部分自然冷却后，可向炉内通 入大气，破坏真空状态，下降结晶器（或升起 炉体），检查焊缝质量。如焊缝处有外溢的钢 瘤，则应除掉。使电极表面上不附有任何突出 物以防止产生边弧。 最后是把电极定位的楔块取掉，并轻轻提起， 然后提升结晶器（或下降炉体）进行封炉，抽 空，以便重熔。
上述引弧法为直接接触引弧。这种方法易烧坏 水冷模底而沾污金属，安全程度低。因此近年 来在生产中很少采用。目前生产中常用的引弧 方法是图5-2中的B、C、D三种。这三种引弧方 法的实质与A完全一样，只是为了安全和防止 金属污染而放置与熔炼金属同成分的引弧垫或 引弧料（有的两者同时采用）。 实践表明，引弧期的供电制度比正常重熔期的 功率要小的多。引弧期电弧电流一般仅为正常 重熔期的50～60％。
3、电极尺寸的确定
（1） 保证足够的安全间隙尺寸。 （2） 保证脱气间隙尺寸要大； （3）保证表面质量 （4）保证高效率和低电耗 （5）保证工艺操作方便性 根据国内外有关报导来看，最小的电极直径尺寸不小于锭直 径的1/3，而在熔炼与铸时最好间隙尺寸为30－50mm。苏联 在小炉子上重熔不锈钢获得的经验是电极断面积（F）和锭 （FNN）的比值波动在0.3－0.5为佳。有人作出了最小安全间 隙尺寸与锭直径的关系曲线，并得到Dk 在200－1000mm之 间的值为25－50mm之间。
第五章 真空电弧炉熔炼工艺
一、真空电弧炉熔炼的工艺操作概述 真空电弧熔炼的工艺操作一般包括： （1）熔炼前的准备； （2）装炉； （3）试车检查；抽空和开炉熔炼； （4）停炉和卸炉； （5）善后处理。
1、熔炼前的准备
熔炼前的准备包括操作人员的思想准备和物质 准备。 思想准备主要是组织有关人员熟悉各自的工作 岗位，职务、工艺规程和工作要点以及安全规 程等等。根据凡事预测则立，不预测则废的原 则，要预测可能出现的不正常现象和事故，并 确定消除不正常现象和事故的对策与措施。 物质准备包括：引弧料（垫或粉料），合适的 结晶器，带卡头的假电极、自耗电极（或带卡 头的自耗电极）以及常用工具等设备。
工艺参数
电极直径DO 及其与锭直径DC （或结晶器之间 DK）的比值； 真空度PT； 电弧长度LO与重熔电压Un（包括电弧电压UO和 短网压降）； 重熔电流In或电弧电流IO； 冷却强度和耗水量； 填充制度； 炉内电极焊接制度； 稳弧制度或电磁搅拌制度等。
（一）电极质量及其尺寸的确定
1、对电极质量的要求 （1）自耗电极金属必须是全脱氧的。 （2）必须保证某些易挥发的成分在电极中具有足够的富 余浓度。例如：在重熔时，钢中锰挥发损失一般波动 在15-20％，而铬损失3％。因此自耗电极的组成中， 那些蒸气压高、易损失的元素必须比产品规格上限高 些，否则重熔后会因成分不合格而报废。 （3）电极轴向的化学成分必须均匀。 （4）电极粗细度要均匀。 （5）电极表面要光洁，缺陷要少，表面不得有沾污物和 杂质，构则电弧不稳和易产生边弧或扩散闪弧与飞弧
二、真空电弧熔炼的分期和各期的任 务
真空电弧熔炼全过程分三个依次连续进行 的阶段，即 引弧熔炼建立期； 正常重熔期; 头部填充期。
1、引弧建立熔池期
引弧建立熔池期是真空电弧熔炼的第一期，它的任务 主要是引燃电弧和使电弧迅速过渡到稳定燃烧状态以 及建立起一定深度的熔池。此外，在引弧期由于有部 分电极金属熔化，这部分熔化的金属起着清除附于炉 内各构件表面上的其他的作用（金属吸附剂作用）， 特别在熔炼钛时，其吸气作用更为明显。 为了完成引弧期的任务，要求引弧期的熔化速度尽可 能低，以免大量金属充当金属吸附剂而被气体所沾 污。为此，开始宜用小功率电弧操作。此时的小功率 操作还可避免水冷模底被烧坏和由此引起的沾污。小 功率电弧、低速熔化，还能防止气体猛烈析出而造成 大量喷溅，而这种喷溅是恶化锭表面质量的重要因素 之一。
为完成上述各项任务，其关键在于正确选择各 种工艺参数和在重熔过程中保持各种工艺参数 的恒定。这些工艺参数主要是电弧长度、电弧 电压、电弧电流、真空度、冷却强度、稳弧安 匝数等。在熔炼过程中，这些参数如有波动， 应及时进行调节。另外，在熔炼前要依据产品 要求和后部工序加工能力选定合适尺寸的结晶 器以及相适应的电极直径尺寸和电极制造方 法。在保证产品质量的前提下，应尽可能选用 大功率电炉进行熔炼，以便活动更好的技术经 济指标。
计算公式
安全间隙：
δ K = 0.0175DK + 18.25(mm)
电极直径：
DE = DK − 2δ K (mm)
DK-结晶器直径
（二）炉内电极焊接工艺
炉内电极焊接包括把带卡头的假电极与自耗电极的对 焊和在炉内把多段短电极逐段对焊成足够长度的自耗 电极等两种情况。 炉内电极焊接工艺过程是首先把带卡头的假电极装到 电极把持器上，同时把自耗电极置于结晶器中定位， 并在电极上端表面洒上一层（1－2mm）与电极材质相 同的粗车屑。然后封闭炉体，开动真空机组抽空至10－ 1mmHg柱以后，下降假电极，使假电极与自耗电极上 端表面接触。当确实接触之后，再把假电极提升数毫 米，其次再合上主电源，并把假电极下降起弧。
（三）熔炼过程中放气和真空度的确定
1. 真空电弧炉熔炼过程中的放气情况 所谓熔炼过程的放气情况是指放气速度、速度变化、 气体的成分温度以及放气量。 放出气体的过程是比较复杂的。放气过程是从固体金 属电极放气（占总放气量25－50％）开始到电极熔端 部分附近得到较大发展，并一直延续到熔池金属结晶 成锭为止。 真空电弧熔炼过程中，气体自熔区放出先要经过环形 间隙尺寸进入熔室的状况，取决于环形间隙尺寸与真 空机组的抽气能力。如果真空系统不能将放出的气体 及时地全部抽出，则一方面炉内压强增高，另一方面 部分剩余气体将被熔区和锭子上部的锭冠吸收，这就 会发生金属再次被玷污。
三 真空电弧熔炼参数及其确定
在选定工艺参数时，应遵从下述三个原则： （1）保证真空熔炼过程中电弧具有良好的连续燃烧的稳定 性，这是正常生产的前提。也就是说，要在整个熔炼过程中 保证稳定的电弧过程，避免短路和辉光放电以及产生边弧和 闪弧。否则将严重影响熔炼进行过程和恶化产品质量。 （2）确保产品质量。真空电弧熔炼的最终目的是获得高质 量锭材，为此，在选定各种参数时，应以确保质量为核心。 即要使获得的产品纯度高、化学成分合格与极度均匀、结晶 结构合理、无缺陷和机械性能良好。 （3）在确保电弧过程稳定和高质量的前提下，应努力降低 电耗，提高生产率、降低生产成本以及获得最佳的技术经济 指标。
3、开炉前检查、抽空和开始熔炼
为保证熔炼顺利进行，在装炉过程中就 已经开始对炉体各个系统——电源、水 冷、机械传动和真空系统分别进行试车 前的检查。在炉子装配和检查合格后， 即可开动真空机组进行抽空。当炉内抽 到规定的真空度后，便可通电进行熔 炼。在熔炼过程中不断通过各种仪表和 光学电弧投影器、工业电视等观察炉内 熔炼情况，随时调整工艺参数。
4、停炉和卸炉操作
当熔炼完毕后，立即切断电源停炉。但这时真 空泵仍须继续工作，一直到炉内“钢锭”冷却到 不被大气氧化的温度为止，才能停止真空泵的 工作。这时，冷却系统除真空系统的冷却继续 进行外，炉体、电极连杆、结晶器等皆可停止 工作。 在真空系统停止工作后，即可进行卸炉、脱 锭、卸下带电极卡头的假电极。如果在炉内进 行焊接电极时，假电极可以不卸下，留待下炉 之用。 卸炉操作与装炉操作相似，程序相反。
另外，对于某些钢种，由于热敏感性强，自耗 电极需要一个逐渐升温加热过程，否则自耗电 极在熔炼过程易发生热炸裂。因此，引弧期也 必须从小功率开始而后逐渐增大。 迅速建立起足够大的金属熔池实质是提供足够 高温的阴极表面，借以减少阴极热损失和增加 放电空间（两极之间）的温度来保证电弧稳 定。因此，为了迅速建立起熔池，须在引弧中 期逐渐增加电弧功率以增大熔化速度，只有当 建立起熔池后，电弧的燃烧才能稳定而连续地 进行。
5 、善后处理
卸炉脱锭后的善后处理包括对熔炼室内各构件 表面上的飞溅、蒸发物的清除和炉内易损件耗 损情况的检查。 清除炉内工作用脱脂棉纱、纱布或绢丝等沾易 挥发性液体进行擦洗（如汽油、酒精、四氯化 碳以及苯等），以备下炉再炼。如果停炉不再 继续熔炼，则在擦洗之后封炉并抽成真空状 态，以防止大气中水分对炉内各部件的浸蚀和 吸附影响炉子抽空速率和下炉熔炼的产品质 量。 脱出的“钢锭”视材料本身的属性而定是否需要 缓冷和采用何种缓冷方法。