VAR熔炼大规格钛铸锭表面质量与熔炼电压的关系

陈峰　彭强　陈丽　郭盛祥　冯军宁

摘 要：文章主要探讨了VAR炉熔炼大规格钛及钛合金铸锭表面质量与熔炼电压的关系，结合工业化生产，通过试验调整影响铸锭表面质量的主要因素，优化了大规格钛及钛合金铸锭生产工艺参数，生产出了表面质量优良的钛及钛合金铸锭，提高了铸锭成品率，大大降低了钛材生产成本。

关键词：VAR；表面质量；电弧；熔炼电压

1 概述

真空自耗电弧熔炼（简称VAR）具有设备投资低、运行成本较低、操作技术简单和良好的质量重现性等优点，是当前钛及钛合金熔炼最重要、最广泛和最成熟的工艺方法。

随着航天、电力等工业的发展，大型锻件的需求逐渐增多，众多钛加工材生产商利用钢铁厂的大型轧机轧制钛产品，同时钛加工材生产厂为了满足用户的需求和提高钛材成品率、降低成本，这些都需要较大规格的铸锭。目前，世界钛发达国家均实现了钛铸锭熔炼用VAR炉的大型化和现代化，美国的大型VAR炉可以熔炼直径1219mm，重量18t的钛锭，日本可以熔炼直径1250mm，重量15t的钛锭。自2004年至今，宝鸡钛业股份有限公司先后从德国ALD公司引进了具有当今世界先进水平的10t电弧炉七台和15t电弧炉四台，从而形成了一条由计算机控制等多项新技术组成的优质钛及钛合金铸锭先进熔炼生产线，熔炼总产能达3万吨，具备生产钛及钛合金VAR锭的最大直径和质量分别达1040mm和15t。

铸锭表面质量是影响钛材成本的重要因素之一，较差的铸锭表面质量不但会增加铸锭扒皮损失，而且还会造成后序锻造产品开裂等，严重影响产品质量并大大增加生产成本。为进一步降低生产成本，越来越多的客户对铸锭表面质量提出了严格的要求，因此必须严格控制大规格铸锭表面质量。

文章主要通过工艺试验，优化了大规格钛铸锭生产工艺，生产出了表面质量好的大规格铸锭，降低了铸锭表面扒皮量，大大提高了铸锭的成品率。

3 结果与讨论

3.1 铸锭表面结晶

VAR熔炼是在高温、低压及无渣条件下，利用电弧放电产生的高温做热源将自耗电极熔化，形成的液滴通过电弧区进入熔池中，熔滴在通过电弧区发生一系列的物理化学反应，使金属得到精炼，自耗电极中的杂质如MgCl2、Mg等将发生电离和气化反应，部分被真空系统抽走，剩余部分则会冷凝在坩埚壁上与熔炼过程中的喷溅物一起形成锭冠。铸锭表面质量取决于锭冠的形成和消除，如果锭冠形成较低且薄，见图1，熔炼过程中易于被熔化、消除，金属熔液就会在坩埚壁结晶形成较好的有金属光泽的表面。如果锭冠未被消除，仍附着在坩埚内壁，金属熔液则会依附在锭冠表面冷却结晶，铸锭表面将形成皮下气孔等表面缺陷，见图2。实际生产也证明，炉内焊接时若坩埚附近喷溅物清理不干净则会在铸锭表面形成此类缺陷。

3.2 电极材料对熔炼电压的影响

从表1中可看出，钛合金与纯钛在高温下其电阻率基本相当，因此在压力、电流密度等工艺条件基本不变的情况下，熔炼过程中纯钛和钛合金的电极压降和表面压降基本相当，其对熔炼电压的影响基本一致。但实际生产中应考虑随着熔炼过程的进行，自耗电极不断消耗，其电极压降会逐渐变小，为了保持熔炼时的弧距，熔炼末期的熔炼电压应较前期稍低。

3.3 弧距对表面质量的影响

弧距即两极间的距离对于自耗熔炼质量是关键的工艺参数之一，与稳定电弧、热量分布和铸锭质量都有密切的影响[1]。钛自耗熔炼时，一定的弧长范围内每改变1厘米电弧长度引起的电压变化约0.5伏[1]。

弧距是影响熔炼电压最重要的因素，弧距过长，热能不集中，易于产生边弧，不利于熔化锭冠，影响铸锭表面质量。弧距过短，导致自耗电极和熔池之间发生弧的扩散和偶然短路，会引起稳定的热流中断，使熔池温度忽高忽低，导致熔池底部凝固面突然变化，可能造成偏析冶金缺陷[2]。同时还会造成金属喷溅而恶化铸锭表面质量。因此，应合理选择弧距。

试验表明，大规格钛及钛合金铸锭熔炼时的熔炼电压一般应控制在32～45伏，可保持电弧稳定地燃烧，熔池表面平静，形成的锭冠较低且薄，同时能使电弧做稳定均匀地旋转，见图3，使热能均匀分布于熔池表面，获得较好表面质量的铸锭。

3.4 淘心熔炼对表面质量的影响

实际生产中，若弧距控制不当，自耗电极会呈淘心熔炼，如图5。淘心熔炼过程中大部分熔炼时间熔炼电压稳定，仅电弧偶然扫出时电压有一个突降，降幅可达3～7伏，甚至更高，并在极短的时间内恢复正常，具有极强的隐蔽性，将严重影响铸锭质量。

造成自耗电极淘心熔炼的主要原因是随着熔炼过程的进行，熔池热量逐渐增高，自耗电极端面受到来自熔池的热辐射和电弧中气体与金属蒸汽阳离子冲撞的双重作用，引起自耗电极被加热并熔炼。熔池表面由于结晶器强烈的热传导存在中间温度高、边部温度低的情况，同时自耗电极表面会通过热辐射、热传导散热，这样将造成自耗电极端面出现一个温度梯度，即中间温度高、边部温度低（这一点在弧距偏长时影响更强烈），见图5。阴极斑点易于出现在温度高的自耗电极中心，而在自耗电极边缘出现的机会少，造成电弧和阳极斑点保持在熔池中部，使自耗电极中心熔化速度快、边缘熔化速度慢，从而造成自耗电极形成凹型，并最终达到热平衡。淘心熔炼因电弧集中在熔池中部且不易旋转，造成熔池边缘温度低且由于结晶器强烈的冷却作用，形成了较厚的锭冠，同时电弧又无法有效消除熔化过程中形成的锭冠，见图4，更加恶化了铸锭表面质量。

淘心熔炼时会造成熔炼电压瞬间波动大、熔炼过程不稳定、自耗电极进给时断时续等情况，对铸锭质量产生较大的影响。实际操作中应根据炉内熔炼情况及各种仪器、仪表情况综合判断，及时下调弧距，使自耗电极边缘接近熔池表面，符合电弧尖端放电规律，使电弧在自耗电极边缘游动，熔化自耗电极；同时由于自耗电极与熔池距离变小，自耗电极具有覆盖作用，使熔池热量更均匀，逐渐消除自耗电极淘心熔炼，使自耗电极端面呈基本平面，改善铸锭表面质量。

3.5 其他影响铸锭表面质量的因素

熔炼电流、冷却强度、磁场强度、自耗电极与坩埚间隙、操作水平等也是影响铸锭表面质量的重要因素，实际生产中应综合考虑，除根据熔炼设备正确选择熔炼电压外，还应设置合理熔炼电流、稳弧等工艺参数，采用“平静熔炼”法，既要使电弧稳定地燃烧，又要熔池表面处于平静状态下熔炼，同時使电弧做稳定均匀地旋转，使热能均匀分布于熔池表面，熔池扁平，获得表面质量较好的铸锭。

4 结束语

应根据熔炼设备的特点，综合考虑熔炼电流、冷却强度、磁场强度、自耗电极与坩埚间隙等因素，采用“平静熔炼”法，抑制熔炼过程中锭冠的形成，通过控制熔炼电压，一般应控制在32～45伏，保持合理的弧距，使电弧做稳定均匀地旋转以保持熔池温度均匀和消除锭冠，并避免自耗电极淘心熔炼，从而获得表面质量优良的大规格钛及钛合金铸锭。

参考文献

[1]稀有金属材料加工手册[M].冶金工业出版社，1984：377-378.

[2]戴永年，赵忠.真空冶金[M].冶金工业出版社，1988：3.

[3]李洪桂.稀有金属冶金原理及工艺[M].冶金工业出版社，1981：413.

作者简介：陈峰（1973-），男，高级工程师。