真空電弧重熔

真空電弧重熔爐的種類很多，按照爐子的不同特征可有3種分類：(1)按熔煉形式可分為非自耗電極式和自耗電極式。前者用鎢或石墨作電極，利用電弧的熱量使結(jié)晶器中的金屬或合金熔化，熔煉過程中電極本身不消耗或消耗很少，后者用被熔煉的金屬做電極，熔煉過程中電極自身熔化消耗。自耗電極式真空電弧爐被廣泛用于高級(jí)合金鋼及合金的熔煉。(2)按爐體結(jié)構(gòu)形式可分為固定式和旋轉(zhuǎn)式，如前所述，前者用于周期性的生產(chǎn)，后者用于連續(xù)性生產(chǎn)。(3)按鑄錠的形式可分為固定鑄錠式和抽錠式。前者是整個(gè)重熔和鑄錠過程都在結(jié)晶器中完成，已凝固的重熔錠在結(jié)晶器中固定不動(dòng)，熔煉完全結(jié)束后，重熔錠才從結(jié)晶器中吊出。后者是在重熔和凝固過程中結(jié)晶器與已凝錠有相對(duì)位移，若結(jié)晶器固定不動(dòng)，則已凝錠從結(jié)晶器的下部被慢慢拉出，若已凝錠固定不動(dòng)，則結(jié)晶器隨重熔和凝固的進(jìn)行逐漸上移。對(duì)于抽錠式爐子，設(shè)有金屬熔池液面控制系統(tǒng)。

重熔工藝包括對(duì)重熔工藝過程的控制和工藝參數(shù)的選擇。

真空電弧重熔重熔過程控制

真空電弧重熔過程可分為焊接電極、引弧、正常熔煉和封頂4個(gè)時(shí)期：

(1)焊接電極。每一爐熔煉所用的自耗電極要求與過渡電極同軸且被牢固地焊接在過渡電極上。焊接在真空下進(jìn)行。在自耗電極被焊接的一端鋪上一層同品種車屑作為引弧劑，然后下降電極桿，使過渡電極與自耗電極之間燃弧，當(dāng)燃弧的兩個(gè)端面被加熱且電弧穩(wěn)定，在自耗電極端面有較多的金屬液相形成時(shí)，迅速下降電極桿，使燃弧的兩個(gè)端面緊密接觸而焊合在一起。

(2)引弧。在自耗電極與結(jié)晶器底部的引弧劑之間形成電弧，提高弧區(qū)溫度和在結(jié)晶器底部形成一定大小的金屬熔池，保持自耗電極與金屬熔池之間形成穩(wěn)定的電弧，使自耗電極的重熔轉(zhuǎn)入正常的熔煉。

(3)熔煉期。是重熔過程的主要時(shí)期，在這期間鋼或合金被精煉和凝固成錠，即脫除金屬中的氣體及低熔點(diǎn)的金屬雜質(zhì)，去除非金屬夾雜物，降低偏析程度以及獲得理想的鑄態(tài)組織結(jié)構(gòu)。

(4)封頂。目的在于減小重熔錠頭部縮孔，減輕頭部“V”形收縮區(qū)的疏松程度，以及促進(jìn)夾雜物的最后上浮和排除，減少切頭量，提高成材率。

真空電弧重熔工藝參數(shù)的選擇

真空電弧重熔產(chǎn)品的質(zhì)量，取決于重熔參數(shù)是否合理。在生產(chǎn)實(shí)踐中，是根據(jù)所熔煉的品種、重熔的目的和要求來選擇工藝參數(shù)的。

真空電弧重熔的原理是：在無渣及真空條件下，金屬電極在直流電弧的高溫作用下迅速熔化并在水冷銅結(jié)晶器內(nèi)進(jìn)行再凝固。當(dāng)液態(tài)金屬以薄層形式形成熔滴通過近5000K的電弧區(qū)域向結(jié)晶器中過渡以及在結(jié)晶器中保持和凝固的過程中，發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，使金屬得到精煉，從而達(dá)到凈化金屬、改善結(jié)晶結(jié)構(gòu)、提高性能的目的。因此，真空電弧重熔法的實(shí)質(zhì)就是借助于直流電弧的熱能把已知化學(xué)成分的金屬自耗電極在真空下進(jìn)行重新熔煉并在水冷銅結(jié)晶器內(nèi)凝固成錠以提高其質(zhì)量的熔煉過程。

真空電弧重熔爐的型式有多種多樣，但它們的基本結(jié)構(gòu)是相同的(見圖1)。真空電弧重熔爐成套設(shè)備包括爐體、電源、真空系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、觀察系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)等幾個(gè)部分。

真空電弧重熔爐體

由爐殼(真空室)、電極升降裝置(包括電極夾頭、過渡電極、水冷電極桿及其升降機(jī)構(gòu))、水冷銅結(jié)晶器等幾個(gè)部分組成。爐殼一般用無磁性鋼(鉻鎳不銹鋼)制作，以保證真空室的密封和減少殼體內(nèi)的鐵磁損耗，以提高電效率。爐殼上具有連接真空系統(tǒng)、結(jié)晶器和其他各種機(jī)構(gòu)的孔道，以及供觀察爐內(nèi)工作情況用的觀察孔和保證安全用的防爆孔等。爐殼和其他各部分之間的連接都是真空密封的。水冷電極桿是一根能導(dǎo)電、中間通水冷卻的光滑直桿，桿身與爐殼之間有防漏氣的真空滑動(dòng)密封。電極連在電極升降裝置上。電極的升降可以用液壓驅(qū)動(dòng)，也可以用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的工作由電控系統(tǒng)自動(dòng)控制。重熔用金屬自耗電極，通過電極卡頭與過渡電極與電極桿連接，自耗電極焊接在過渡電極的端頭上。自耗電極由被重熔精煉的材料組成，它可以澆鑄成型，也可以熱加工(鍛或軋)成型，對(duì)于無法澆鑄或熱加工成型的材料，例如海綿鈦、鎢粉、短金屬棒料等，可以用壓制、燒結(jié)或焊接方法制備自耗電極。上結(jié)晶器呈直筒形，是用紫銅板做成的。壁厚一般為10～20mm，外面有一個(gè)外殼(不銹鋼質(zhì))，兩者之間通水冷卻。結(jié)晶器的頂部連在爐殼的下口上，為了充分利用電源設(shè)備和提高生產(chǎn)率，容量稍大的真空電弧重熔爐都配有兩個(gè)結(jié)晶器，當(dāng)一個(gè)結(jié)晶器熔煉結(jié)束后，就可以立即將整套裝備切換到另一個(gè)結(jié)晶器上，開始新的一爐熔煉。切換的型式有兩種，一種是爐體固定式，另一種是爐體旋轉(zhuǎn)式。前者只能更換和移動(dòng)結(jié)晶器，適用于周期性生產(chǎn)，后者的爐體可以旋轉(zhuǎn)，而結(jié)晶器的位置是固定的，依靠爐體的旋轉(zhuǎn)來更換結(jié)晶器，保持生產(chǎn)連續(xù)。為連續(xù)生產(chǎn)，也有兩個(gè)爐座合用一套電源、電控系統(tǒng)和真空系統(tǒng)的。這樣，更換結(jié)晶器的工作就轉(zhuǎn)變成切換電源和開閉真空系統(tǒng)的閥門。

真空電弧重熔電源

可采用直流電，也可用交流電。為保持電弧穩(wěn)定和電網(wǎng)負(fù)荷的均勻，一般采用直流供電。通常，以自耗電極為陰極，結(jié)晶器和重熔金屬(液態(tài)和凝固錠)為陽極，這種接法稱為正接或正極性。真空電弧爐的電弧電壓只有20～28V左右，使用低電壓大電流的直流電源。過去用直流發(fā)電機(jī)供電。隨著爐子容量的擴(kuò)大對(duì)電源容量要求的提高，以及可控硅技術(shù)的發(fā)展，一般均用硅整流電源，它通常是由調(diào)壓變壓器、整流變壓器和若干組硅管連成的整流柜等組成。為了提高系統(tǒng)的電效率，減弱或消除磁場(chǎng)對(duì)重熔金屬質(zhì)量的不利影響，一般均采用平行布線。

真空電弧重熔真空系統(tǒng)

由真空泵組、管道、相應(yīng)的真空閥門以及真空測(cè)量?jī)x表等組成。真空泵組應(yīng)具有足夠大的抽氣能力，以迅速排出真空系統(tǒng)內(nèi)的氣體和由爐料所放出的氣體，保證在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)將真空室內(nèi)的壓力降到要求的數(shù)值，并且能保持這個(gè)壓力。在熔煉過程中，真空室內(nèi)的壓力應(yīng)低于1.5Pa，在弧區(qū)由于金屬蒸氣的存在，通常壓力為2～10Pa。當(dāng)真空室內(nèi)的壓力高于15Pa時(shí)，在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)，爐內(nèi)會(huì)出現(xiàn)輝光放電現(xiàn)象，并可能產(chǎn)生邊弧(自耗電極與結(jié)晶器內(nèi)壁之間燃弧)，這就有把結(jié)晶器擊穿的危險(xiǎn)。在重熔含大量易揮發(fā)元素的鋼或合金時(shí)，也可在一定的氬氣壓力下工作，為穩(wěn)定電弧，氬氣壓力應(yīng)大于20～26kPa。

真空電弧重熔電控系統(tǒng)

用來控制電弧長(zhǎng)度、穩(wěn)定電弧電流和電弧電壓、防止短路和邊弧的產(chǎn)生，并對(duì)過電流和過電壓進(jìn)行保護(hù)。在熔煉過程中，電弧的長(zhǎng)度除決定供電回路的電參數(shù)(電流、電壓、功率等)外，還決定自耗電極的熔化速率，從而間接地影響重熔精煉的效果。所以，保持恒定的電弧長(zhǎng)度，對(duì)于進(jìn)行連續(xù)、穩(wěn)定和安全的熔煉，以獲得質(zhì)地均勻的重熔錠是十分必要的。電弧長(zhǎng)度和電弧電壓存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以用調(diào)節(jié)電弧電壓恒定的辦法來實(shí)現(xiàn)控制電弧長(zhǎng)度恒定的目的。但是，由于低壓環(huán)境中直流電弧的電位梯度很小，所以電弧電壓變化的幅度不大，調(diào)節(jié)效果不好。對(duì)自耗電極電弧重熔過程的研究發(fā)現(xiàn)，金屬熔滴在形成和斷落過程中會(huì)引起電壓的波動(dòng)(脈沖)，而脈沖的頻率、振幅以及持續(xù)時(shí)間(脈沖寬度)都與電弧長(zhǎng)度有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。所以可用脈沖的頻率、振幅及寬度為信號(hào)來控制電弧長(zhǎng)度恒定。這種自動(dòng)控制方式反應(yīng)快、準(zhǔn)確，可以穩(wěn)定地將電弧長(zhǎng)度控制在12～18mm之間，進(jìn)行短弧熔煉，甚至控制弧隙為4～6mm(這時(shí)，脈沖的頻率為短路的次數(shù))，進(jìn)行超短弧熔煉。隨著弧區(qū)介質(zhì)壓強(qiáng)的降低，陰極斑點(diǎn)面積擴(kuò)大，弧區(qū)的功率密度減小，導(dǎo)致電弧的發(fā)散和電弧溫度的降低，以及電弧的不穩(wěn)定，為此，在結(jié)晶器內(nèi)套側(cè)面部位，加設(shè)一穩(wěn)弧線圈，以保證在結(jié)晶器內(nèi)形成一個(gè)與自耗電極軸線相平行的縱向磁場(chǎng)，在這一磁場(chǎng)的作用下，使電弧受到一個(gè)向心的約束力，使電弧收縮和抑制偏弧的形成。

真空電弧重熔觀察系統(tǒng)

真空電弧重熔爐備有光學(xué)系統(tǒng)，以觀察爐內(nèi)情況。過去常采用潛望鏡結(jié)構(gòu)，即通過棱鏡的反射，將爐口的形象反映到操作臺(tái)的屏幕上，隨著電視技術(shù)的發(fā)展，改用工業(yè)電視進(jìn)行觀察越來越普遍了。

真空電弧重熔冶金特點(diǎn)可歸納為10項(xiàng)：(1)在真空下進(jìn)行熔煉，不僅杜絕了外界空氣對(duì)鋼及合金的沾污，還可以降低鋼及合金中的氣體和低熔點(diǎn)有害金屬雜質(zhì)，提高重熔金屬的純潔度，VAR過程能有效地降低金屬中氫、鉛、鉍、銀等的含量，并具有一定的脫氮能力。(2)由于熔煉室內(nèi)氧分壓很低，重熔過程中鋁、鈦等活潑元素?zé)龘p少，合金的化學(xué)成分控制較為穩(wěn)定，但易揮發(fā)元素如鎂、錳等有一定燒損。(3)由于采用真空、無渣操作，并在水冷銅結(jié)晶器內(nèi)重熔，可以熔煉活潑金屬錠，真空電弧重熔是熔煉鈦及鈦合金的主要熔煉方法。(4)弧區(qū)溫度高，可以重熔難熔金屬及其合金。(5)由于熔煉是在無渣、無耐火材料與金屬液作用的環(huán)境下進(jìn)行的，從而杜絕或減輕了外界夾雜物對(duì)合金的沾污;加上真空電弧重熔過程中金屬液自下而上的順序凝固及快速冷卻可在一定程度上去除非金屬夾雜物及使凝固過程中再生夾雜物尺寸細(xì)小、分布均勻，重熔金屬在非金屬夾雜物方面的純潔度較高。(6)通過對(duì)合金凝固結(jié)晶過程的合理控制，可以對(duì)合金凝固組織進(jìn)行改善，得到偏析程度低、致密度高的優(yōu)質(zhì)錠子。(7)合理的封頂工藝制度可以使錠子頭部縮孔小，“V”形收縮區(qū)的結(jié)晶結(jié)構(gòu)與錠身較一致，從而提高了錠子的成材率。(8)由于重熔過程中弧區(qū)金屬液的飛濺，重熔錠表面組織粗糙多孔、夾雜物及揮發(fā)元素含量高，重熔錠熱加工前表面需要扒皮。(9)重熔過程中無脫硫手段，故要求自耗電極含硫量低。(10)真空電弧重熔過程中氣氛及熔煉室壓力可控。

在真空電弧重熔過程中，金屬的熔化和凝固過程同時(shí)進(jìn)行，由子在水冷銅結(jié)晶器內(nèi)存在大的溫度梯度，在這種條件下凝固會(huì)形成粗大晶體。而在真空凝殼爐熔煉中，金屬的熔化和澆注完全分開進(jìn)行，由于金屬液面沒有電極的陽極輝點(diǎn)，熱場(chǎng)相對(duì)均勻，加之熔池發(fā)生攪動(dòng)，促使鑄件凝固時(shí)長(zhǎng)大的晶體前沿形成過冷金屬液，在該處出現(xiàn)補(bǔ)充的結(jié)晶中心，從而可以獲得細(xì)晶組織，這是真空凝殼爐較真空電弧爐熔煉的又一優(yōu)點(diǎn)。真空凝殼爐熔煉的鑄件具有較高的機(jī)械性能。例如一般真空電弧爐熔煉的MT(Mo 0.5%Ti)合金的延伸率占為1%-2%,而用真空凝殼爐熔煉的同一合金的占為3%~5% 。

《電氣工程名詞》第一版。

一般說來，采用自耗電極重熔工藝時(shí)，使用較高的熔煉功率可以導(dǎo)致較快的熔化速率。而欲使水冷銅坩堝內(nèi)壁凝殼保持一定的厚度，又要求坩堝內(nèi)的液體金屬保持一定的過熱溫度是比較困難的，可以將按所需金屬量制成的自耗電極熔焊在一根鎢棒上，這樣當(dāng)自耗電極材料熔完以后，利用熔池上方的鎢棒作為一個(gè)非自耗電極，繼續(xù)進(jìn)行熔煉，并提高和調(diào)整液體金屬的溫度 。