电子束冷床炉熔炼大规格N6扁锭

杨蓉，杨国庆，李有华，文志刚，庆达嘎，王丹

（1.西安建筑科技大学冶金工程学院 陕西 西安 710055；2.宝鸡钛业股份有限公司 陕西 宝鸡 721014）

1 前言

电子束冷床炉熔炼（EBCHM）是20世纪80年代才开始发展的先进熔炼技术。其工作原理：在高真空环境下，将阴极块加热到2400～2600℃时，阴极便发射热电子，电子在高压电场的作用下加速，以极高的速度向阳极运动，通过聚焦和偏转控制系统，形成密集电子束并准确轰击到待熔炼金属表面，将动能转化成热能，使金属熔化。液态金属滴入熔池进行初步精炼，再流入精炼区进行充分精炼，通过溶解分离和比重分离消除原料中的气体、金属或非金属杂质和高低密度夹杂物，最后流入水冷铜坩锅中，坩锅中液态金属则不断至下而上逐步凝固成锭。随着熔炼过程的进行，凝固的铸锭不断从坩锅中拉出。电子束冷床炉熔炼（EBCHM）与其他熔炼方法最大的不同就是用冷床将熔炼、精炼和结晶三个过程分开，能确保金属提纯效果和有效避免坩锅材料的污染。该技术广泛应用于钛、铌、钽、铪、钒、多晶硅等材料的提纯熔炼【1-6】。

N6是纯镍的一种，因具有良好的耐腐性和机械性能，广泛应用于石油、化工、天然气、电力、船舶、通讯、海洋、机械制造等领域。纯镍铸锭传统生产工艺为一次真空感应熔炼（VIM）浇注成扁锭或圆锭，扁锭用于板材轧制，圆锭用于管、棒材的挤压和锻造，该工艺具有生产周期短、生产成本低等优点，但铸锭单重小（50～2000kg），无法满足大规格、大单重镍材生产需求。此外，真空感应熔炼（VIM）坩锅采用耐高温的镁砂材质，生产的铸锭存在炉渣夹杂。2010年，为了满足大规格、大单重N6板材生产需求，宝鸡钛业股份有限公司在传统工艺基础上进行了改进，将真空感应熔炼（VIM）与真空自耗电弧炉熔炼（VAR）技术相结合，生产制备Φ1040mm/11tN6铸锭，解决了大规格、大单重的问题。在VAR熔炼过程中可发现，大量炉渣漂浮在熔池表面，最后残留在铸锭表面和铸锭头部。VAR的顺序凝固熔铸方式虽有利于不溶杂质的上浮，但无法彻底去除VIM带入的炉渣夹杂。圆锭生产成板材还需增加开坯锻造工序，大规格纯镍铸锭锻造工艺尚未成熟，锻造过程中开裂难以避免，最终导致板材生产周期长和一次综合成品率低。为了解决上述问题，特开展了大规格N6扁锭电子束冷床炉熔炼（EBCHM）工艺研究，并对后续产品质量进行了跟踪验证。

2 试验过程

2.1 工艺方案及路线

2.1.1 工艺方案

本次试验方案见表1，方案A和B各生产一个N6扁锭。

表1 工艺方案

2.1.2 工艺路线

原料→制备电极→一次EBCHM→扁锭刨铣、液体渗透检验及取样分析→扁锭检验入库→后续产品质量跟踪验证。

2.2 原料

本次试验采用符合GB/T 6516标准要求的Ni9990电解镍和经净化处理合格的N6返回炉料作为原料。

2.3 一次EBCHM

本次试验采用宝鸡钛业股份有限公司2400kW电子束冷床炉及水平进料系统，其工作示意图见图1。熔炼工艺：电子枪电子束扫描图形见图2，主要熔炼工艺参数见表2。

2.4 产品质量跟踪验证

扁锭表面经刨铣，化学成分、液体渗透检验合格后，轧制生产28mm厚镍板，按GB/T 2054-2013《镍及镍合金板》标准要求进行了检验。

3 熔炼功率及各电子枪能量分配

3.1 熔炼功率的确定

在电子束熔炼中，功率主要消耗于镍金属升温及熔化吸热、维持熔化区、精炼区、结晶器熔池的液态吸热、金属与杂质挥发吸热和其他热损失等【6-7】。本次试验采用比电能计算熔炼功率，目标熔速控制在500kg/h～750kg/h。根据比电能公式（1）及镍材料电子束熔炼的比电能值（表4），确定熔炼所需的总功率为1000kW～1500kW。

式中，q为比电能，kW·h/kg；N为熔炼功率，kW；u为熔炼速度，kg/h。

3.2 各电子枪能量分配

图1 EBCHM工作示意图

图2 电子束扫描图形

电子束冷床炉熔炼过程中，1#和2#电子枪主要用于镍金属的熔化，电子束按设定的扫描图形进行自动扫描，使镍金属熔化和维持熔炼区保持液态。3#电子枪主要负责给水冷铜坩埚中结晶区提供能量，电子枪按设定的功率及特定扫描图形自动扫描，来调节结晶区能量分布，以控制水冷铜坩埚中镍金属液面温度，从而控制铸锭结晶过程。4#电子枪主要控制精炼区，用于镍金属的精炼，同时保证熔融态镍液经精炼区顺利流入水冷铜坩埚中。

查阅文献资料可知，用于金属熔化所需电能并不大，镍、铁仅需0.25kW·h/kg～0.5kW·h/kg，钨、钼等高熔点金属为2kW·h/kg～3kW·h/kg[7]。用于熔池加热保持液态及金属提纯的功率消耗则较大，与熔池温度和金属导热系数有关。通过理论推算，熔炼纯镍所需的总能量约125-375kW（目标熔速500kg/h～750kg/h）。本次试验确定：用于熔化镍金属和维持熔炼区保持液态的1#、2#枪能量分配230kW～450kW。Ni的导热系数90W/m·K，较钛高6倍[8]，镍的导热快，考虑扁锭表面质量，用于扫描坩锅的3#枪能量为270kW～480kW，较其他枪能量分布高出30kW～40kW。用于精炼区保持液态和金属提纯的4#枪能量为230kW～450kW。

表2 主要工艺参数

表4 不同金属材料电子束熔炼的比电能

4 结果与讨论

4.1 扁锭化学成分均匀性分析

扁锭去除表面缺陷层，沿扁锭纵向按常规方式对头、上、中、下、底（即距离铸锭头部0.1L、0.3L、0.5L、0.7L、0.9L）五点取样，图3为扁锭表面取样示意图。

用ICP光谱法检测镍扁锭表面Cu、Si、Mn、C、Mg、S、P、Fe、Pb、Bi、As、Sb、Zn、Cd、Sn等杂质元素的含量。A和B#铸锭Cu、Si、C、Fe元素分析结果如图4，Mg元素分析结果＜0.005%，Mn、Bi、Zn、Cd、Sn元素分析结果均＜0.002%，S、P、Pb、AS、Sb、Cd元素分析结果＜0.001%。

从铸锭化学成分分析结果可知，扁锭化学成分均匀性良好，且杂质含量低，完全符合GB/T 2054中对N6化学成分控制要求（表3）。添加50%和70%比例N6返回炉料生产的扁锭化学成分控制水平相当。

4.2 熔炼工艺对扁锭质量的影响

4.2.1 熔炼工艺对金属提纯的影响

图3 扁锭表面取样示意图

图4 扁锭化学成分

电子束冷床炉熔炼主要通过溶解分离和比重分离来提纯金属。气体元素、金属或非金属杂质元素等通过溶解分离，即精炼过程中发生脱气、分解、脱氧、挥发等冶金反应。比重分离主要用于高、低密度夹杂物的去除，因存在密度差，低密度夹杂物颗粒随镍液进入冷床熔炼区和精炼区后，由于其密度低于镍的密度，在浮力的作用下，低密度夹杂颗粒上浮至熔池表面，在高温和长时间的滞留过程中逐步溶解扩散。相反，高密度夹杂物颗粒则因密度较镍大，在镍液流动过程中逐步沉积到凝壳与熔融镍液交界处，最终被凝壳捕获而去除。

电子束冷床炉熔炼过程中，真空可控制在1.33×10-3～1.33×10-1Pa之间，熔炼温度可高达3000℃，熔融态镍液在熔炼区进行初步精炼后流向精炼区进行精炼，冷床给镍金属保持液态提供的充足的时间，给镍金属提纯提供了良好的条件，使一切提纯反应都能充分有效地进行。

在真空和高温条件下，氧化镍的蒸气压远远低于镍的蒸气压（2000K时氧化镍与镍蒸气压的比值为10-7），镍的真空熔炼过程中无法实现自脱氧，而碳元素以单质的形式无法从镍基中挥发，但碳元素可与氧化镍发生还原反应形成一氧化碳气体，即[NiO]+[C]=[Ni]+[CO]↑，从熔池表面逸出【7】。

根据dalton经验公式（2）可知，金属的挥发速率与金属的蒸气压与实际分压差值成正比。当金属蒸气压大于实际分压时，挥发速率为正，金属的挥发可正常进行。影响金属蒸气压和实际分压的因素都会影响挥发速率，若熔炼功率增大，温度升高，金属蒸气压增大，挥发速率也会随之增大；在熔炼炉室空间一定的情况下，增大电子枪的扫描图形设定区域，熔池面积增大，即增大挥发面积，金属实际分压升高越快。

式中，uv为挥发速率；b为与量度单位和金属性质有关的常数；分别为体系的外压、金属的蒸气压和实际分压。

在真空熔炼过程中，金属的挥发随着真空度的升高而加速。这是因为挥发的同时，存在一个金属蒸气原子相互之间或与气体分子之间的碰撞而返回熔体的回凝。真空度高时，炉气中金属蒸气原子和气体分子的平均自由程增大，质点间碰撞的概率减少，回凝速率减小，因而净挥发速率增大【7】。

金属元素的挥发有利于精炼提纯，但在高温熔炼时还会导致镍基体金属的挥发。经统计，在熔炼功率控制在1000～1500kW时，一次电子束冷床炉熔炼纯镍的挥发损耗率为1.5%～2.5%。从扁锭化学分析结果及挥发损耗率分析可知，金属或非金属杂质元素含量低，提纯效果良好，熔炼挥发损耗率低，扁锭的收得率高，本次试验采用的真空、熔炼功率、等关键工艺参数和电子束扫描图形设定合理。

表3 GB/T2054中N6化学成分要求

4.2.2 熔炼工艺对扁锭表面质量的影响

电子束冷床炉熔炼的扁锭表面质量与熔炼功率、熔化速度等工艺参数有关，特别是与电子束能量在水冷铜坩埚熔池中的合理分配及熔炼过程中枪的稳定性有关。电子束冷床炉熔炼生产的扁锭表面缺陷主要有：表面横向环型裂纹、冷隔、皮下气孔等【6】。表面横向环型裂纹一般为宽1～2mm、深2～3mm的裂纹，在后续轧制过程中可能出现严重开裂现象。形成原因是熔炼过程中扫描坩锅的3#电子枪出现长时间断弧，断弧后重新开始熔炼，3#枪电子束扫描坩锅加热过程中，扫描时间过短，坩锅周边的凝固镍未完全呈现液态就有新镍液流入坩锅。冷隔是指扁锭表面形成小叠层，由于熔池边缘局部凝固或没有完全熔化，流下的镍液将其覆盖而形成。主要是电子束能量或扫描图形分布不合适或熔速过快所致，只要合理分配电子束能量和严格控制熔速就可以消除。皮下气孔即铸锭表层或次表层小如针尖的孔，内表面呈圆滑状。熔炼过程中，被熔炼金属中的气体要不断析出，逸向炉室空间，靠近坩锅壁表面，液压很小，具有气泡容易生核的条件。由于在熔炼时的熔炼速度较快或功率不足，气体来不及从边缘析出，就被凝固的金属包围，形成皮下气孔。采用适当的熔炼速度，使液态金属停留时间加长，这样气泡就有足够的时间析出，另外加大功率，使熔池温度提高，液态金属的粘度变小，气泡逸出的速度加快，也可以消除气孔。除了采用适当的熔化速度、熔炼功率、电子束扫描图形外，拉锭工艺也是非常重要的一个影响因素，拉锭速度可根据熔化速度通过皮尔格步骤进行控制，确保铸锭的表面质量。

图5 镍板显微组织

本次试验生产铸锭表面质量良好，无表面横向环型裂纹、冷隔、皮下气孔等缺陷，扁锭在后续轧制过程中未出现开裂现象，采用的真空度、熔炼功率、熔炼速度等主要工艺参数和电子束扫描图形设定合理，熔炼过程稳定性较好。

4.3 产品质量跟踪验证

4.3.1 板材性能

28mm纯镍板材室温力学性能检测结果见表5。从表5可以看出，一次EBCHM扁锭生产的板材性能均符合GB/T 2054标准要求，但抗拉强度的富余量不足，较标准高出5～10MPa。添加50%和70%的返回炉料生产的板材力学性能相当。

4.3.2 板材显微组织

从图5可以看出，一次EBCHM扁锭生产的纯镍板材显微组织均匀。

5 结论

（1）采用电解镍、N6返回炉料作为原料，经单次电子束冷床炉熔炼生产的大规格N6扁锭，扁锭杂质元素含量低、化学成分均匀性和表面质量良好，满足板材生产需求。

（2）从扁锭化学成分均匀性、金属提纯、铸锭表面质量以及后续产品质量跟踪情况来看，本次实验采用的真空、熔炼功率、熔炼速度、电子束扫描图形等关键工艺参数匹配合理。

（3）单次电子束冷床炉熔炼N6扁锭，熔炼功率控制在1000～1500kW时，金属的挥发损耗率为1.5%～2.5%。

（4）添加50%和70%比例返回炉料生产的N6扁锭化学成分相近，板材性能相当。

（5）经一次电子束冷床炉熔炼的N6扁锭生产的镍板，满足GB/T2054标准要求，但抗拉强度富余量不足，后续还需开展添加合金元素强化或调整轧制和热处理工艺来提高抗拉强度，增大抗拉强度富余量。