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钛及钛合金熔炼技术的发展现状

时间:2013-12-26 10:45来源:洛阳科诺工业 作者:Admin 点击:

海绵钛是多孔疏松状材料,含有一定量的湿气和MgCl2,必须通过进一步的熔炼转化成固体铸锭,才能用于后续的加工材生产。然而钛是活性金属,在高温下极容易与氧、氮等气体反应,也几乎与所有的坩埚材料(如耐火材料,石墨、陶瓷等)起反应,使金属钛被污染而失去原有的良好工艺性能及力学性能。所以它必须在真空或惰性气体保护的水冷铜坩埚中进行熔炼。

自20世纪50年代以来,全世界已发展了多种钛及钛合金的熔炼方法,如真空白耗电弧熔炼(VAR)、电子束冷床熔炼(EBCHM)、等离子束冷床熔炼(PACHM)、感应壳熔炼、真空电弧双电极熔炼、凝壳熔炼、旋转电极熔炼等,在特殊情况下也采用一些复合的方法,例如VAR+EB或PAM+VAR或AR+EB+VAR。

工业化生产中最有历史的并且最常用的钛熔炼设备是VAR炉(真空电弧熔炼炉),VAR法在20世纪70年代中期成为钛及钛合金铸锭熔炼的主要方法:近年来发展最快的是电子束冷床熔炼炉和等离子束冷床熔炼炉,在20世纪80年代,钛的冷床熔炼开始发展,首先是用电子束,然后是等离子束,随后该技术快速发展并加入到了过去由VAR熔炼主导的工业领域中。

一、真空电弧熔炼(VAR)

1)VAR炉的工作原理

VAR炉由真空系统、电极驱动机械系统、铜坩埚及冷却循环系统、直流电源、自动和手动控制系统、稳弧搅拌系统、监测和自动记录系统等部分组成。

VAR通过真空电弧对电极进行持续熔炼。应用直流电源在电极和放于水冷套中的铜模底板之间产生电弧(起弧)。电弧产生的高热熔化了电极,而坩埚因为有水冷却未被熔化。随着电极的熔化,熔融的金属从电极上落入到坩埚底部,从坩埚底部开始形成铸锭。随着电弧下的熔池从坩埚底部的不断提升,熔化金属也不断凝固形成铸锭,就像填满一个玻璃杯一样。VAR熔炼与电弧焊相似,焊条在焊接过程中被消耗掉,在VAR熔炼中,钛电极被消耗掉。当整个钛电极消耗掉后,经过冷却,就在坩埚内形成了一个铸锭。其过程的实质是借助于直流电弧的热能,把已知化学成分的钛及其合金的自耗电极在低压或惰性气氛中进行重新熔炼。

为了提高铸锭的纯度和化学均匀性,二次熔炼是必要的。一次熔炼的铸锭作为二次熔炼的电极,一次熔炼是铸锭初步合金化、均匀化及去除挥发性物质和气体;二次熔炼获得成分分布均匀、表面质最好的铸锭。一些特殊用途的铸锭要进行三次甚至多次重熔。

2) VAR技术特点

VAR法是熔炼高温合金、特种钢、钛、锆、钨、钼等活泼金属和难熔金属的主要熔炼方法之一。在真空下重熔自耗电极的主要好处在于:

①对于易挥发杂质和某些气体(如氢气、氮气)的去除有良好的效果;

②利用高蒸气压减少不需要的微量元素:

③提高氧化物清洁度;

④实现了铸锭从底部到顶部的定向凝固,顺序凝固的熔铸方式有利于不溶杂质的上浮,因此避免了宏观偏析并减少了微脱偏析;

⑤多次重熔后铸锭的一致性和均匀性较好;

⑥工艺自动化程度高,操作简单。

真空自耗电弧熔炼法作为生产钛锭的.}要方法,其工艺技术已较为完善,但足它仍有一些无法克服的缺点,如:对原材料和电极的质昔要求较高;残料利用率低(最大添加比例为30%);不能有效地去除低密度夹杂(LDIs)和高密度夹杂(HDIs),精炼效果不如电子束和等离子束熔炼。VAR工艺是一个费时且繁重的批次生产工艺,生产成本昂贵,在一定程度限制了钛及钛合金的推广应用。

3 )VAR技术发展现状

VAR技术经过50多年的发展,已较为完善,近年来的技术发展主要表现在以下3个方面:

①铸锭尺寸大型化。电弧熔炼是一种批次工艺,因州增;、批次规模会提高效率。同时随着钛钢联合生产模式的不断发展,许多钛生产商利用钢铁厂的大型轧机轧制钛产品以提高生产效率和产品收得率。现代工业对大型锻件的需求也逐渐增多,这些都需要较大规格的铸锭。

大型VAR炉在国外的制造技术牛产、工艺己较为成熟和完善。据了解,人型VAR炉可熔炼直径为1524mm、重达30 t的钛铸锭,国外工业发达国家熔钛用的真空白耗炉吨位多为8~15 t。我国钛熔炼丰要采用VAR炉,但炉型较小,20世纪90年代增设了6tVAR炉;2002年以后,宝钛集团先后引进4台10tVAR炉,宝钢集团引进了10 t炉2台、15 t炉1台,西部钛业购买了1台8t炉,铸锭生产实现了大型化。

②工艺自动化。VAR炉全自动重熔工艺口趋成熟。现代VAR炉采用先进的计算机自动电控和数据收集系统,根据重熔配方进行电脑控制重熔工艺,能够对给定的合金和铸锭规格建立良好的熔炼模式,并分析熔炼过程中出现的问题,获得良好的铸锭表面质量和内在的冶金质量,提高金属成品率。目前VAR熔炼的工艺模拟已经发展到能够合理准确的预测凝固条件,熔池深度和化学成分。新一代模型要求能够预测结晶特征,如B斑,并给m了结晶时的三维条件。

 

③生产高效化。自动称重混料系统、大型真空等离子焊箱、残极焊接装置等辅助设备的应用,能够制造出高质量的自耗电极,使得VAR工艺更具有稳定性和可重复性,提高了铸锭质量和成品率。此外,国外设计的VAR炉通常采用双工位的布置方式,当~个工位熔炼完成后,用闭锁阀将炉头和坩埚隔离,在铸锭冷却、脱模期间,炉头转到已准备好的另一个工位上进行熔炼,熔炼在两个工位间交替进行,提高了生产效率。

二、电子束冷床熔炼(EBCHM)

1)EBCHM炉的工作原理

EBCHR工艺是在20世纪50年代为了精炼高熔点合金如铌、钽和钼等而发展起来的一种工艺。现在它在超合金和钛的熔炼工艺中显得越来越重要。电子束冷床炉结构示意图如图2所示,其工作原理是以电子束作热源,水冷铜坩埚为冷床,利用高速电子的动能转换成热能使金属熔化、精炼、浇铸成锭。

通常电子束冷床炉有3个工作区:熔化区、精炼区和结晶区。炉料通过进料斗进入到熔化区内,进料斗可以独立于炉室真空系统而实现装料和抽真空。在熔化区,聚焦后的高能电子柬轰击炉料的表面,炉料由固态变为液态,流向精炼区;在精炼区,液态金属进行精炼,通过挥发、溶解上:浮、沉淀等机制去除杂质和夹杂,并充分实现合金化:然后通过溢流嘴缓缓注入结晶器,形成铸锭。炉床的溢流嘴以及锭模的金属表面区域仍有电子束加热。如果移除溢流嘴处的电子束,溢流的金属将会凝固,因此溢流嘴也可用作阀门使用。现代EBCHM炉床可以有两个或多个溢流嘴,每个溢流嘴下方都有一个锭模。当一个锭模充满金属后,电子束可以移动到第二个溢流嘴处熔化金属,开始填充第二个锭模。在第二个锭模填充金属的过程中,第一个锭模可以通过闭锁阀实现分离。通常炉床上装有一个拦截坝,可以预先决定金属液的流向,拦截坝阻止高密度夹杂(HDI)进入锭模。HDI沉到炉床底部,而且必须定时清除。