[科普中国]-自耗电极熔炼炉

简介

目前，生产钛及钛合金铸锭的基本方法仍为真空自耗电弧（VAR）熔炼。真空自耗电弧熔炼技术广泛用于优质高温合金和航空钛合金铸锭的生产，是一种成熟的工业熔炼方法。其特点是熔炼速度快，可生产大型铸锭，生产的铸锭基本上可满足一般工业的要求。用于重熔的目的在于生产致密、无缺陷、成分均匀，具有所要求的化学成分、尺寸和晶粒结构的铸锭。为了实现熔炼过程自动化，提高冶金质量，尽管VAR 法的基本设计没有太大的改变，但在控制系统和熔炼工艺调整方面仍在不断改进，并取得了很大进步。下面简述真空自耗电弧熔炼技术的原理和特点，结合钛合金熔炼铸锭的缺陷特征，较详细介绍了真空自耗电弧炉熔炼技术的发展过程及取得的进展。最后寄语VAR 技术尚需完善的几点期待1。

V A R 熔炼原理及特点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。

熔炼时，在真空下，利用电极和坩埚两极间电弧放电产生的高温做热源，将电极熔化。电极由被熔炼金属材料制成，在熔炼中自耗电极不断地熔化，同时，铸锭自下而上地在结晶器中连续凝固增高。

VAR 熔炼工艺的基本流程为：混料→压制电极→电极和残料焊接成自耗电极→熔炼→铸锭处理→检验。

由于坩埚直径一般比电极大0.050~0.150 m，电极必须以一定速度向下移动，以保持电极端部与熔池间距恒定。冷却水将坩埚壁热量带走，使熔融金属在坩埚壁凝固。对于易于偏析的镍基高温合金，熔炼速度相对较低（3~4 kg/min），可以形成稳定的凝固模式，即形成盆形的熔池和熔池下面凝固铸锭。对于很多钛合金，熔炼速度较高（10~35 kg/min），不可能形成稳定的凝固前沿，熔池深度在整个熔炼过程中在不停增加。VAR 炉现已处于较为完善的阶段，在结构上具有同轴性、再现性和灵活性的特征，正在向更大容量和远距离精确操作发展。VAR 炉采用先进的计算机自动电控和数据收集系统，能够对给定的合金和铸锭规格建立良好的熔炼模式。

VAR 熔炼技术具有以下特点：

① 去除氢等气体；

② 降低高蒸气压微量元素的含量；

③ 得到从下向上的近定向凝固柱状晶，从而降低宏观偏析和微观偏析。

V A R 熔炼钛合金可能形成的缺陷评价钛及钛合金铸锭冶金质量的好坏，主要有以下几点：

① 化学成分均匀，各合金元素含量不仅达到标准要求，而且要稳定地控制在一个最佳的含量水平；

② 主要杂质（Fe，O 等）含量控制在适当范围，其它杂质符合标准要求；

③ 铸锭内部无杂质、偏析、气孔、裂纹、缩孔和疏松等冶金缺陷；

④ 铸锭表面光滑，无冷隔、折皱等表面缺陷，头部缩孔切除量小，铸锭成品率高；

⑤ 合理的形状和精确的尺寸，适合压力加工的要求，否则会增加工艺废品，降低成品率。

其中与熔炼工艺相关的冶金缺陷主要是第③点和第④点，即成分偏析和表面质量。钛合金中的偏析主要包括α偏析和β偏析两大类。在熔化过程中，铸锭自下而上地在结晶器中连续凝固增高，冷却条件、熔池形状和深度等均不是一成不变的，且合金元素在凝固结晶时的分配系数各异，这样，不可避免地使合金元素或化合物在树枝状晶间富集而形成偏析。偏析程度与原料质量、粒度、合金元素在电极中的分布和分配系数、凝固速率、熔炼时的掉块、熔池深浅、液相的自然和受迫运动、扩散、晶粒尺寸及晶体形成的方式等诸多因素有关，还与具体操作工艺如熔炼速度、磁场搅拌等有关。

1 宏观偏析

尽管VAR 熔炼钛合金的铸锭偏析问题与熔炼钢和超合金的偏析问题非常相似，但钛合金仍具有其独特的地方。近α合金和纯钛具有非常小的固/液相区间，其凝固模式类似于纯金属。只有β合金和近β合金的凝固模式具有枝晶界面。另外，钛合金凝固时以固溶β晶粒的形式析出，一般不出现一次析出沉淀相。

α合金、近α合金和CPTi 的凝固前沿为平面状，凝固过程中只有出现宏观偏析的可能性，在大截面的铸锭中，注意控制Al 和微量元素O，Fe，Cu 的宏观偏析。Al 含量偏析主要是由补缩阶段熔炼速度降低引起的Al 挥发损失增加造成的。

β合金和近β合金的凝固前沿为枝晶状，有可能出现一次枝晶间的微观偏析。这种合金不易出现宏观偏析，但可能出现β斑或环状偏析。β斑是β稳定元素较多的区域。环状偏析的形成原因为，在枝晶凝固前沿存在微量的溶质富集，当熔炼速度或功率变化时，凝固平衡被破坏而引起溶质含量变化，同时引起凝固界面中溶质含量变化。这种成分变化一般很小，低于10%溶质含量。因此，环状偏析的宽度也很小，一般低于100~300 μm。

2 α 微观偏析

α偏析又可分为I 型偏析和Ⅱ型偏析。很早以前，人们在使用钛材时就注意到材料中有一些微小的α相富集区，这些区域硬度比基体硬度高很多，对这些区域进行分析发现，N，O，C 含量较高，人们称这类缺陷为I 型缺陷或硬α缺陷。它是由N，O 等α稳定元素局部富集且与钛形成氮化物和氧化物而引起的。这类化合物的特征是硬而脆。

α偏析严重损害材料的疲劳强度和塑性，是飞机发动机等用材致命性的缺陷。N，O，C 的主要来源是海绵钛及添入的废料，或者是在制作自耗电极过程中，焊接带入。其预防措施主要是严格控制海绵钛质量，提高自耗电极焊接过程的真空度和清洁度。

Ⅱ型缺陷是Al 等α稳定元素局部富集而引起的。主要发生在铸锭上部，表现为局部的Al 含量升高，人们又称这类缺陷为软α缺陷。这类缺陷的硬度通常与基体硬度相差无几，具有延伸性，不会因加工带来裂纹，且较小的缺陷不会对力学性能产生影响。Ⅱ类缺陷不是由于凝固偏析形成的，用传统的凝固理论不能圆满地解释Ⅱ类偏析。

D.W.Tripp等认为是由于铸锭中缩孔和空洞而引起的。由于在热的钛合金铸锭中形成缩孔，在空洞内部有少量的空气，且空洞中的气体压力十分低。

在这种情况下，铝（或任何在高温下具有相对高的挥发性的合金化元素）迅速从很热空洞金属表面蒸发进入空洞，当达到露点时，蒸气冷凝或同时在空洞较冷的表面处冷凝。这样，空洞的某些表面可能形成铝、锡或其它易蒸发元素的富集，而有些表面有可能形成这些元素的贫化。其预防措施是延长补缩时间，但这样又会增加这些元素的挥发损失，尤其是当铸锭直径较大时。为了解决上述矛盾，可以采取在补缩位置增加元素含量以补偿挥发损失或适当地减少补缩时间等方法。

3 β 微观偏析

β稳定元素含量较高的α+β两相钛合金、β合金和近β合金容易形成β偏析，其主要表现形式就是所谓的β斑，即β稳定元素局部富集区。β斑的形成原因为，在凝固过程中，在柱状晶前沿出现等轴晶，这些等轴晶簇沉淀在液态熔池底部，由于溶质元素的平衡分配系数不同，等轴晶簇间的液态熔池中的溶质元素含量出现偏析，并被保存下来所至。减少β斑的方法，可从以下三个方面考虑：其一，减小铸锭的尺寸，使其迅速凝固；其二， 把易于引起β斑点元素的含量降低，控制在近于标准的下限水平；其三，只要其他条件允许，可降低熔炼速度，尽量减小熔池深度。

4 合金元素贫化偏析

合金元素贫化偏析又称为亮偏析，主要表现形式为基体中合金元素的贫化。分析认为，这类偏析的原因主要与原料粒度过大、熔炼过程不正常掉块以及焊接和熔炼时起弧料使用不当有关。熔炼工艺参数以及电磁搅拌仅起一个辅助作用。对这类偏析，一般采取增加电极机械强度、一个一次铸锭熔化一个成品铸锭、增加熔炼次数等措施，同时加强工艺监督，稳定工艺制度2。

V A R 熔炼技术的发展VAR 熔炼技术是否可以成功地熔炼易偏析合金取决于下面两个因素。

（1） 熔炼过程必需稳定只有这样才能保证向凝固区连续提供成分均匀的熔融金属。任何引起凝固区域熔融金属流场波动的凝固过程都会引起溶质成分的变化，造成宏观偏析。稳定的凝固过程决定于电弧行为，要求电弧稳定。稳定的电弧要求：原料纯净；电极与熔池间隙相对较小（真空下0.06~0.010 m）；不存在由非同轴供电、永磁体和其他设备引起的杂散磁场。值得指出的是，（5~10）×10- 4 T的横向磁场就可影响电弧，造成能量轴向不对称分布。稳定的凝固过程还决定于冷却速度。它不仅需要冷却速度稳定，而且还要随熔炼速度的变化而变化，从而根据所熔炼材料和铸锭直径形成最佳熔池形状。

（2） 水平方向的凝固过程它影响着水平方向产生偏析。水平方向偏析出现在晶粒生长方向垂直于铸锭轴向的区域。为使熔池较浅和深度恒定，必须保证从铸锭中心带走足够的热量。但如果熔池太浅，温度梯度太高，在铸锭边部产生溶质贫化现象。因此，对于一定的材料和铸锭尺寸，熔速和冷却速度必须相互匹配。事实上，直径大于0.6 m 的易偏析镍基合金是很难生产的，因为即使满足建立熔池的最小功率条件，也不能有效地从铸锭中心带走足够的热量。必须指出，对于每一炉次，起弧和补缩是最容易产生偏析缺陷、但又是极难避免的。

对于不易偏析的合金（如许多钛合金）则比易偏析合金容易熔炼。如果不存在通道偏析，就可以采用大熔速，提高生产效率，生产大直径铸锭。但必需保证电弧均匀地加热电极端部和熔池，以获得优良的铸锭表面，减少铸锭扒皮量。在大电流下熔炼大直径铸锭时，由于轴向对称磁场的存在，电弧被束缚在电极端部，电弧行为非常不理想，改善措施是增大电极间隙，采用换向搅拌磁场。可见，成功熔炼不易偏析合金的关键在于控制电弧，即控制电极间隙、搅拌磁场和磁场换向间隔。其它影响大电流钛合金熔炼的因素包括炉室气氛、坩埚涂层、炉体同轴性等。如果炉室漏气，不仅铸锭会被污染，而且还会引起电弧不稳定。

1 电极间隙控制

电极间隙（即两极间的距离）的精确控制是提高VAR 熔炼铸锭质量的重要技术保证。现在的熔炼控制系统属于简单的单输入单输出型，假设仅需主动地、独立地闭环控制一个或两个参数就可以有效控制整个过程，简化了工艺参数与铸锭质量的关系。由于熔炼过程的复杂性，这一简化有时不能得到符合质量要求的铸锭。为解决这一问题，必须开发新一代VAR 熔炼控制系统。该系统应基于对熔炼、凝固过程动力学和不同控制参数对铸锭质量影响的更加深入理解，必须能够快速准确地测定熔炼状态和自动进行适当地反应。现代高性能计算机已经使提高系统反应速度、监测和测定多个工艺变量以及进行复杂运算成为可能。通常VAR 熔炼只是简单地控制电流恒定和电极下降速度（即电压）两个参数。电压恒定，则电极间隙恒定。但事实并非如此，电压对电极间隙不敏感，特别在低于20 kA 电流下，电压并非仅仅决定于电极间隙。因此，用电压控制电极间隙的方法通常只适用于大电流熔炼。然而，即使在35~40 kA 电流下，通过控制电压来控制电极间隙也经常失败。

电弧接触坩埚壁造成坩埚打孔的问题促使小电极间隙控制系统的产生。1957 年Cooper 和Dilling（Titanium Metals Corporation）的专利建议电极下降速度略高于电极实际熔化速度，一旦电极与熔池接触，电极迅速提升预设高度。基于这一控制理论，又有许多进展。R.C.Buehl（Crucible Steel Companyof America）提出了瞬时短路法，通过监测电极端部熔滴与熔池的瞬时短路，可以知道电极已经与熔池非常接近。一旦监测到熔滴短路信号（持续0.1~0.3 s），电极被迅速提升一个预设高度。该方法的进一步优化措施是立即停止电极下降或降低电极下降速度。在今天，仍有许多VAR 熔炼控制系统采取这种控制原理或其发展理论。

以上控制方法对于生产优质合金来说仍然不能满足要求。为此，需要一种控制方法，能够在一定范围内保持电极间隙稳定。1958 年，E.W.Johnson（Westinghouse Electric Corporation）提出一项专利，可以保持电极间隙稳定，通过控制电极位置，使每秒内熔滴短路次数在一个预设的范围内。1965年，Murtland，Rebhun 和Jackson 提出一种类似的算法，称为哈希算法，它是通过监测熔滴短路后电弧重燃时的正电压尖峰信号来实现的。

R.J.Robert（Consarc Corporation）提出一种电极驱动速度控制系统。该系统采用熔速和电极电信号作为控制系统输入。其中熔速通过电极称重装置计算出来，电极下降基本速度以实际熔速确定，再由电信号进行修正。这种方法代表着VAR 熔炼控制技术的进步，因为它采用了基本速度控制方法和多点、独立数据流控制单个熔炼参数。

SMPC（Specialty Metals Processing Consortium）最新的研究目标是开发一种电极间隙控制技术，该技术充分利用现有的工艺知识、控制方法、感应器技术、建模技术和计算能力的最新进展，制作了控制器。控制器的输入是熔炼速度，输出是电极下降速度。炉子的输出信号，如熔炼电流、电弧电压、电极重量、电极位置等参数，用于对实际熔炼速度进行修正。该技术的创新之处在于采用了Kalman过滤算法，将多点、独立的电极间隙信号合成为一个优化的实际熔炼速度参考信号。Kalman 过滤算法负责消除噪声干扰和最小化变量实际值与修正值平方差。另外，Kalman 过滤算法还包括一个实验确定的模型，用于从监测数据中区别错误数据。该技术的另一个创新之处是采用了适应性增益修正算法。该算法根据炉子的输出信号修正Kalman 过滤器和控制器的增益值。SMPC 的电极间隙控制方法已经在Allvac Corporation 试验成功。

2 熔炼速度控制

稳定的熔炼速度，可以保证固/液凝固界面温度梯度稳定，使凝固过程连续平稳地进行，从而保证铸锭冶金质量，避免产生偏析缺陷。现代VAR 炉装备有称重系统，可以在线监测和记录自耗电极的重量，计算熔炼速度。由于测量数值的波动，采用简单的微分放大算法会产生非常大的偏差，为了解决此问题，所得到的称重数据需要经过过滤、缓存，然后用线性最小二乘回归等算法进行修正，这样计算所得的熔炼速度滞后于实际速度约5~10 min。

在熔炼过程稳定后的阶段，稳定的熔炼电流保证了熔炼速度的稳定。然而在熔炼开始阶段和熔炼结束的补缩阶段，以及如压力变化等外部因素引起熔炼速度变化时，上述模型不能很好地调整熔炼电流以控制熔炼速度，熔炼速度不稳定势必引起凝固速度的变化，有可能引起偏析缺陷。Williamson等开发了动态熔速控制模型，该模型考虑了电极热边界层、电极间隙、电极行程位置和电极重量等参数，电极间隙和熔炼速度设定值作为操作输入参数，熔炼电流和电极驱动信号作为输出参数。在CarpenterTechnology Corporation 的VAR 熔炼实验中表明，该模型可以在熔炼起始阶段，补缩阶段和电极尺寸发生变化时精确地控制熔炼速度。

3 同轴供电

实践证明，流过坩埚的电流不对称，供电线路及附近设备磁场的影响都会引起熔池的瞬时转动，进一步影响铸锭的结晶凝固并降低冶金质量，特别是大型铸锭尤为明显。消除杂散磁场对熔化过程的影响，关键在于如何尽可能合理地设计与制造炉子的结构，优化配置炉子的支撑结构件，合理选择制造炉子各部件的金属材料，正确设计与安装从整流器到炉子内部的整个电流回路，最终达到炉子及熔化区域电磁环境的“洁净”配置。同轴供电系统就

是基于以上要求建立的供电系统。通过控制导体周围的磁场提供绝对对称的电流分布及电流流动、保持整流器和炉子之间的电缆与母排形成的回路引线平行、尽可能减少外部磁场作用范围、缩小感应回路、尽量避免坩埚顶部附近电缆的过度下垂等措施，达到消除杂散磁场的目的。

4 X -Y 对中

在电极焊接和熔炼过程中，电极与坩埚不对中一方面影响液态熔池中的热量分布，从而引起铸锭的凝固偏析和铸锭的表面质量，另一方面会因为电极离坩埚太近发生击穿坩埚和爆炸的危险。X- Y 对中系统可以灵活地调节电极在坩埚中的位置，保证电极与坩埚同轴，避免以上问题的发生。

总结VAR 熔炼技术作为一项成熟的技术，可以成功地熔炼易偏析和高活性的金属材料，已经在钛合金熔炼中广泛应用。但仍存在以下不足：

① 熔炼易偏析合金元素多的钛合金时，仍然存在出现宏观偏析和微观偏析的可能性；② 熔炼工艺过程由一个或两个输出信号控制，受到多个变量的影响；

③ 尽管对这些输出信号采用了闭环控制方法，但这些控制技术实际是开环控制的，因为熔炼设定值与实际凝固过程没有紧密联系，从而不可避免地产生铸锭凝固过程的波动，引起成分偏析。

VAR 熔炼控制的发展目标是希望最终能够通过处理熔炼过程的边界条件来动态控制凝固过程。尽管这项控制技术的实现还需要一段时间，但一些基础性工作已经开展。需要将相关的熔炼和凝固动力学知识全部编入模型。另外，为获得相关的工艺状态变量，炉子必须装备有足够复杂的工艺过程监测和诊断系统。该项控制技术相应的控制系统，计算量非常大，需要计算性能非常高的计算机，但这将是真正的闭环控制系统。熔炼过程决定于其边界条件，一旦边界条件能够被完全控制，整个熔炼过程，即铸锭质量将得到完全控制。然而由于熔炼过程中总是存在无法预测的情况、外来干扰和噪声输出，所以熔炼边界条件不可能完全确定。一旦这些意外情况能够被测定或识别，可以建立模型进行熔炼过程的在线监测分析，从而对铸锭质量进行在线评估，智能化地确定铸锭的哪个部位存在凝固缺陷。这样的控制系统不但能够生产尺寸更大、质量更高的合金铸锭，而且能够生产新的、更易于偏析的合金铸锭3。