镍合金与钛合金熔炼炉对比与选择

曹 瑞，李 楠，柴智强，苏建春

（1.陕西华泽镍钴金属有限公司，陕西 西安 710065；2.西部钛业有限责任公司，陕西 西安 710201）

综述

镍合金与钛合金熔炼炉对比与选择

曹 瑞1，李 楠2，柴智强1，苏建春1

（1.陕西华泽镍钴金属有限公司，陕西 西安 710065；2.西部钛业有限责任公司，陕西 西安 710201）

通过对几种常见镍合金与钛合金冶炼熔炉的特点介绍与对比，总结各熔炉的优缺点，从而对采购的选择提供可靠、重要的参考。对比分析认为：“真空感应炉+电渣熔炉”或“真空感应炉+真空自耗炉”是高品质高温合金和耐蚀合金等特种材料的主要生产工艺；真空自耗炉与电子束冷床炉均是冶炼钛及钛合金的首选设备。

熔炼炉 VIM ESR VAR

1 镍基合金熔炼工艺

目前，世界上镍基高温合金、镍基耐蚀合金及精密合金的熔炼工艺主要有真空感应炉熔炼、真空自耗炉熔炼、电渣重熔、电子束和等离子弧熔炼等［1］。

1.1 真空感应炉（VIM/VIDP）

真空感应熔炼（vacuuminduction melting，简称VIM）是在真空条件下，利用电磁感应在金属导体内产生涡流加热炉料来进行熔炼的方法。新型真空感应脱气浇注VIDP，具有熔炼体积小，抽真空时间和熔炼周期短，便于温度压力控制、易于回收易挥发元素和成分控制准确等特点，自1988年出现以来，被发达国家列为大型真空感应炉的重点选择对象。VIM是镍基高温合金、耐蚀合金等特种合金材料生产的重要冶炼设备，特别是对于含有铝、钛等活泼性元素较多的合金，必须采用真空感应熔炼。

VIM可提供对化学成分最大程度的控制，防止了溶液与大气中氢、氧、氮的接触，真空下反应的进行和完成比在大气下要快。电磁搅拌不但能使溶液均匀，并且能持续将反应物带到熔体和真空界面，从而使精炼反应顺利进行。气体含量和非金属夹杂物的挥发能改善大多数高温合金的力学性能。VIM缺点在于浇铸成型的铸锭头部有较大的缩孔且内部组织晶粒不规则，大多数最终产品都必须进行重熔来控制凝固组织，同时长时间与耐火材料坩埚接触，钢液会受到其污染，采用电磁搅拌、陶瓷过滤等技术均可以有效提高合金的纯净度［2］。

真空感应炉主要有卧式炉和立式炉两种结构类型，美国Consarc公司给长城特钢设计的是卧式结构，德国ALD公司设计的主要以立式炉为主，规格为12 t VIM，熔炼周期14 h/炉，每炉最大产量12 t，年产能约6 000 t。

1.2 电渣重熔炉（ESR）

电渣冶金是目前生产高品质材料的重要手段，具有纯度高、硫含量低、非金属夹杂物少、钢锭表面光滑、结晶均匀致密、金相组织和化学成分均匀的优点，广泛应用于航天航空、军工、能源、船舶、电子、石化、重型机械和交通等国民经济的重要领域。电渣重熔的目的是通过将高温熔炼、化学精炼和冷凝结晶结合起来生产高质量铸锭。

电渣重熔是在水冷铜坩埚内，金属材料被高温熔渣熔化，并有效地精炼，合金中的非金属夹杂物、气体和硫含量显著减少，合金的纯净度提高，因而合金的力学性能得到改善。电渣重熔过程中，始终有液态渣的保护，使金属熔池与大气隔绝，合金元素烧损低，成分容易控制；避免了熔炼过程中耐火材料的污染；铸锭组织致密、缩孔较小、没有疏松及皮下气泡等缺陷，提高了材料的塑性；设备简单，易于操作。然而ESR也存在许多不足之处，如熔炼和凝固速率偏低、熔渣吸收气体、活泼元素不易控制以及电极重熔过程经受高温氧化等［3］。

12tESR熔炉参数为：熔炼周期18 h/炉，最大锭重12 t，年产能4 000 t。

1.3 真空自耗电弧炉（VAR）

真空自耗炉利用低电压下直流电弧来加热和熔炼金属，将自耗电极逐渐熔化，熔化的高温合金液滴入水冷铜结晶器内，再逐渐凝固成锭，其目的是通过控制凝固和改善纯净度来生产高质量的铸锭。伴随着工艺的不断改进，高温合金、耐蚀合金市场的持续增长使VAR成为重要的重熔工艺［4］。

真空电弧熔炼减少了活性元素（如Al、Ti）的损耗，铸锭凝固过程可控，因此其组织的一致性和均匀性较好，夹杂物的数量少，合金的纯净度也得到进一步改善。但是，真空电弧熔炼不能去除硫和磷，夹杂物的尺寸大，存在树枝状和白点缺陷。因此，为了改善镍基高温合金铸锭组织和减少偏析，确保最好的性能，在熔炼过程中必须尽可能控制温度梯度和凝固速率。

现有的VAR规格有12 t、6 t和3 t，熔炼周期分别是16 h/炉、8 h/炉和6 h/炉，最大生产锭重分别为12 t、6 t和3 t。

现阶段，国内外大多数高品质高温合金和耐蚀合金等特种材料都是通过真空感应炉+电渣重熔炉（VIM+ESR） 或真空感应炉 +真空自耗炉（VIM+VAR）来生产，也有少量产品采用三连工艺（VIM+ESR+VAR）进行生产。

2 钛及钛合金熔炼工艺

目前，国内外钛及钛合金熔炼铸锭方法主要有真空自耗电弧熔炼法和真空电子束熔炼法两种。

2.1 真空自耗电弧熔炼工艺（VAR）

真空自耗电弧熔炼是在真空或在惰性气氛中，钛及钛合金自耗电极棒作为阴极，在直流电弧的高温作用下迅速熔化，并在水冷铜坩埚内形成熔池。当液钛以熔滴的形式向水冷铜坩埚内过渡以及在水冷铜坩埚内保持液态时，不仅实现了钛和钛合金的致密化，而且还发生一系列的物理化学反应，起到提纯的作用，使它们具有更好的性能。

真空自耗电极电弧熔炼具有加热温度均匀、弧柱压较小、热效率高的优点，经过2～3次电弧熔炼可得到优质钛锭。但该法也存在以下缺点：必须用较大吨位的油压机制备自耗电极，工序繁琐；残钛利用率低；生产大规格钛合金铸锭时易出现合金化元素的偏析；不能有效去除低密度（LDI）、高密度夹杂（HDI）等；仅能生产圆铸锭［5］。

2.2 真空电子束熔炼法（EB）

EB法是利用电子束枪产生的电场加速电子束作为热源轰击被熔金属，将电子的动能转变为热能，从而加热熔化金属。作为工业上使用的EB熔炼，其主要用途是精炼Ti、Ni、Ta、Zr等高熔点金属。EB法的热源具有高度灵活性，可分为滴熔法、冷床炉精炼、浮动区域熔炼等不同重熔和精炼工艺。

2.2.1 电子束冷床炉EB炉较VAR真空自耗炉的三大优势

1）EB炉可以充分去除高、低密度夹杂物，可生产航空用钛合金等高端产品。熔炼所用的返回料残钛中常含有从焊机钨极和刀具带入的颗粒W、Mo、WC等，其熔点较高，在熔炼过程中形成高密度夹杂；另外在熔炼过程中还有残留N2、O2与Ti反应形成TiO、TiN等熔点较高的低密度夹杂。EB炉实现了将熔炼、精炼以及结晶进行分区，使得液态金属在冷床精炼区的流动过程中，高密度夹杂可沉淀在冷床区被捕捉去除、低密度夹杂有充分时间上浮在表面接受电子束扫描进行高温溶解、其他低熔点杂质则在高温下挥发去除。对于航空钛合金来说，多年的实践表明，高、低密度夹杂严重威胁着航空材料的性能，成为疲劳裂纹源。美国已明确规定航空钛合金必须采用EB炉冶炼。

2）EB炉可以生产矩形锭直接轧制，大幅度降低锻造开坯成本。EB炉不仅可以生产圆锭，还可以生产矩形锭供直接轧制，可省去锻造开坯，从而大幅度降低金属损耗、降低成本，以超低成本生产纯钛卷等产品。

3）EB炉可以接受大量的残钛原料。由于无须制备电极，而且对于残料带入的W、Mo等造成的高密度夹杂可以有效去除，因此可以接受大量的残钛，如美国Timet冶炼钛合金时残钛加入量（质量分数）为62.4%，理论上可达到100%。

4）EB炉一次熔炼大大节约熔炼成本。EB炉以其冷床精炼区的净化作用，使得对于除航空钛合金等高端产品外，大多数纯钛和钛合金均可实现一次熔炼。纯钛锭需要两次熔炼，普通钛合金锭需要两次熔炼，航空钛合金锭需呀三次熔炼。因此EB炉熔炼节省一次熔炼过程，节约了电耗，也节约了电极头、平头及烧损等，金属损耗减少2.6%，电能节约1 840 kW·h/t。

2.2.2 EB炉与VAR炉相比的劣势

1）生产钛合金时成分控制较难，对于AL、Cr等蒸汽压低于纯钛的金属，其挥发较大，而且随操作条件不断变化，如Al的挥发量（质量分数）达到1.5%。因此需要一定的操作熟练度和磨合过程。

2）生产钛合金时炉温高、真空度高，钛金属挥发也有一定损失，通常为2%～5%。

3）EB炉造价高，与同产能的进口VAR炉相比，其造价是后者的3.5～4倍，吨材投资较高，导致设备折旧成本高。

2.3 真空等离子弧和真空等离子束熔炼法（PA）

该方法是利用真空等离子体作热源加热被熔金属。等离子体由空心热阴极（等离子枪）放电产生，按放电形式又分为等离子束和等离子弧两种。

真空等离子弧熔炼法与真空等离子束熔铸法相似，但所需功率比非自耗电极电弧熔铸法高。同时，采用该方法的设备熔池较浅、熔池面积大，且无遮盖，热辐射损失大，熔池过热度低，只适用于残钛回收和厚壁铸件。

2.4 冷床炉熔炼法（CHM）

冷床炉熔炼是以电子束（EB）或等离子体（PA）为热源，分别形成了电子束冷床炉熔炼（EBCHM）和等离子体冷床炉（PACHM）熔炼两类工艺。

该工艺使金属在炉床上分段进行熔化、精炼和凝固，主要特点是分别进行熔化、提纯和凝固。熔融的金属液体在水冷铜床上流动，通过控制滞留时间和温度，使HDI和LDI夹杂物通过重力分离，HDI夹杂沉积到铜床底部，LDI夹杂物被高温分解，以达到精炼。此外，由于炉床熔炼的熔池较浅，还可以使结晶偏析降至最小。

除具有EB和PA各自工艺特点外，CHM法还可直接从金属液中取样分析，一次熔炼即可生产大型、无偏析、无夹杂的优质钛及钛合金圆锭和扁锭，简化了板材和管材的后续加工，降低了生产成本。CHM法与VAR法相比，CHM法可以大量使用残钛料，无需制备电极从而简化工艺，但金属挥发损失较大，设备投资高，工艺技术相对复杂。CHM法在国外已大量应用，目前我国宝钛和宝钢特钢都从国外引进了这种设备并取得了较好的效果［6］。

3 结语

根据国内外钛及钛合金熔炼的生产实践，真空自耗炉与电子束冷床炉均是熔炼钛及钛合金的首选设备。

［1］ 郭建亭.高温合金材料学制备工艺：中册.北京：科学出版社，2010.

［2］ 章四琪，黄劲松.有色金属熔炼与铸锭［M］.北京：化学工业出版社，2013.

［3］ 黄伯云，李成功，石力开，等.中国材料工程大典：第四卷［M］.北京：化学工业出版社，2006：623-626.

［4］ 方正春.镍基合金及其铸造技术［J］.材料开发与应用，1994（1）：24-32.

［5］ 王庆，巴德纯，王冬，等.真空感应CVI/CVD系统自动化控制技术 ［C］//中国真空学会.2005年全国真空冶金与表面工程学术会议论文集.北京：电子工业出版社，2005.

［6］ B.E.Paton.钛、锆及其合金的电子束熔炼［M］.樊生文，译.北京：机械工业出版社，2014.

（编辑：张伟）

Nickel Alloy and Titanium Alloy Melting Furnace Comparison and Selection

Cao Rui1，Li Nan2，Chai Zhiqiang1，Su Jianchun1
（1.Shaanxi Huaze Nickel&Cobaltmetal Co.，Ltd.，Xi′an Shaanxi 710065；2.Western Titanium Technologies Co.，Ltd.，Xi′an Shaanxi 710201）

Through introduction and comparison of the properties of several common Nickel alloy and titanium alloy melting furnace，this paper summarizes the advantages and disadvantages of various furnaces.The contrast analysis shows that"VIM+ESR"or"VIM+VAR”is the main production process for special materials such as high-quality and high-temperature alloy and corrosion resistant alloy.VAR furnace and electron beam cooling furnace is the device of choice for melting titanium and titanium alloy metal.

melting furnace，VIM，ESR，VAR

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2015.06.01

TF815

A

1672-1152（2015）06-0001-03

2015-09-10

曹瑞（1987—），男，主要从事金属材料加工技术性工作，助理工程师。