鎳合金與鈦合金熔煉爐對比與選擇

曹 瑞，李 楠，柴智強，蘇建春

（1.陜西華澤鎳鈷金屬有限公司，陜西 西安 710065；2.西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201）

綜述

鎳合金與鈦合金熔煉爐對比與選擇

曹 瑞1，李 楠2，柴智強1，蘇建春1

（1.陜西華澤鎳鈷金屬有限公司，陜西 西安 710065；2.西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201）

通過對幾種常見鎳合金與鈦合金冶煉熔爐的特點介紹與對比，總結(jié)各熔爐的優(yōu)缺點，從而對采購的選擇提供可靠、重要的參考。對比分析認為：“真空感應(yīng)爐+電渣熔爐”或“真空感應(yīng)爐+真空自耗爐”是高品質(zhì)高溫合金和耐蝕合金等特種材料的主要生產(chǎn)工藝；真空自耗爐與電子束冷床爐均是冶煉鈦及鈦合金的首選設(shè)備。

熔煉爐 VIM ESR VAR

1 鎳基合金熔煉工藝

目前，世界上鎳基高溫合金、鎳基耐蝕合金及精密合金的熔煉工藝主要有真空感應(yīng)爐熔煉、真空自耗爐熔煉、電渣重熔、電子束和等離子弧熔煉等［1］。

1.1 真空感應(yīng)爐（VIM/VIDP）

真空感應(yīng)熔煉（vacuuminduction melting，簡稱VIM）是在真空條件下，利用電磁感應(yīng)在金屬導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦流加熱爐料來進行熔煉的方法。新型真空感應(yīng)脫氣澆注VIDP，具有熔煉體積小，抽真空時間和熔煉周期短，便于溫度壓力控制、易于回收易揮發(fā)元素和成分控制準確等特點，自1988年出現(xiàn)以來，被發(fā)達國家列為大型真空感應(yīng)爐的重點選擇對象。VIM是鎳基高溫合金、耐蝕合金等特種合金材料生產(chǎn)的重要冶煉設(shè)備，特別是對于含有鋁、鈦等活潑性元素較多的合金，必須采用真空感應(yīng)熔煉。

VIM可提供對化學(xué)成分最大程度的控制，防止了溶液與大氣中氫、氧、氮的接觸，真空下反應(yīng)的進行和完成比在大氣下要快。電磁攪拌不但能使溶液均勻，并且能持續(xù)將反應(yīng)物帶到熔體和真空界面，從而使精煉反應(yīng)順利進行。氣體含量和非金屬夾雜物的揮發(fā)能改善大多數(shù)高溫合金的力學(xué)性能。VIM缺點在于澆鑄成型的鑄錠頭部有較大的縮孔且內(nèi)部組織晶粒不規(guī)則，大多數(shù)最終產(chǎn)品都必須進行重熔來控制凝固組織，同時長時間與耐火材料坩堝接觸，鋼液會受到其污染，采用電磁攪拌、陶瓷過濾等技術(shù)均可以有效提高合金的純凈度［2］。

真空感應(yīng)爐主要有臥式爐和立式爐兩種結(jié)構(gòu)類型，美國Consarc公司給長城特鋼設(shè)計的是臥式結(jié)構(gòu)，德國ALD公司設(shè)計的主要以立式爐為主，規(guī)格為12 t VIM，熔煉周期14 h/爐，每爐最大產(chǎn)量12 t，年產(chǎn)能約6 000 t。

1.2 電渣重熔爐（ESR）

電渣冶金是目前生產(chǎn)高品質(zhì)材料的重要手段，具有純度高、硫含量低、非金屬夾雜物少、鋼錠表面光滑、結(jié)晶均勻致密、金相組織和化學(xué)成分均勻的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航天航空、軍工、能源、船舶、電子、石化、重型機械和交通等國民經(jīng)濟的重要領(lǐng)域。電渣重熔的目的是通過將高溫熔煉、化學(xué)精煉和冷凝結(jié)晶結(jié)合起來生產(chǎn)高質(zhì)量鑄錠。

電渣重熔是在水冷銅坩堝內(nèi)，金屬材料被高溫熔渣熔化，并有效地精煉，合金中的非金屬夾雜物、氣體和硫含量顯著減少，合金的純凈度提高，因而合金的力學(xué)性能得到改善。電渣重熔過程中，始終有液態(tài)渣的保護，使金屬熔池與大氣隔絕，合金元素?zé)龘p低，成分容易控制；避免了熔煉過程中耐火材料的污染；鑄錠組織致密、縮孔較小、沒有疏松及皮下氣泡等缺陷，提高了材料的塑性；設(shè)備簡單，易于操作。然而ESR也存在許多不足之處，如熔煉和凝固速率偏低、熔渣吸收氣體、活潑元素不易控制以及電極重熔過程經(jīng)受高溫氧化等［3］。

12tESR熔爐參數(shù)為：熔煉周期18 h/爐，最大錠重12 t，年產(chǎn)能4 000 t。

1.3 真空自耗電弧爐（VAR）

真空自耗爐利用低電壓下直流電弧來加熱和熔煉金屬，將自耗電極逐漸熔化，熔化的高溫合金液滴入水冷銅結(jié)晶器內(nèi)，再逐漸凝固成錠，其目的是通過控制凝固和改善純凈度來生產(chǎn)高質(zhì)量的鑄錠。伴隨著工藝的不斷改進，高溫合金、耐蝕合金市場的持續(xù)增長使VAR成為重要的重熔工藝［4］。

真空電弧熔煉減少了活性元素（如Al、Ti）的損耗，鑄錠凝固過程可控，因此其組織的一致性和均勻性較好，夾雜物的數(shù)量少，合金的純凈度也得到進一步改善。但是，真空電弧熔煉不能去除硫和磷，夾雜物的尺寸大，存在樹枝狀和白點缺陷。因此，為了改善鎳基高溫合金鑄錠組織和減少偏析，確保最好的性能，在熔煉過程中必須盡可能控制溫度梯度和凝固速率。

現(xiàn)有的VAR規(guī)格有12 t、6 t和3 t，熔煉周期分別是16 h/爐、8 h/爐和6 h/爐，最大生產(chǎn)錠重分別為12 t、6 t和3 t。

現(xiàn)階段，國內(nèi)外大多數(shù)高品質(zhì)高溫合金和耐蝕合金等特種材料都是通過真空感應(yīng)爐+電渣重熔爐（VIM+ESR） 或真空感應(yīng)爐 +真空自耗爐（VIM+VAR）來生產(chǎn)，也有少量產(chǎn)品采用三連工藝（VIM+ESR+VAR）進行生產(chǎn)。

2 鈦及鈦合金熔煉工藝

目前，國內(nèi)外鈦及鈦合金熔煉鑄錠方法主要有真空自耗電弧熔煉法和真空電子束熔煉法兩種。

2.1 真空自耗電弧熔煉工藝（VAR）

真空自耗電弧熔煉是在真空或在惰性氣氛中，鈦及鈦合金自耗電極棒作為陰極，在直流電弧的高溫作用下迅速熔化，并在水冷銅坩堝內(nèi)形成熔池。當(dāng)液鈦以熔滴的形式向水冷銅坩堝內(nèi)過渡以及在水冷銅坩堝內(nèi)保持液態(tài)時，不僅實現(xiàn)了鈦和鈦合金的致密化，而且還發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，起到提純的作用，使它們具有更好的性能。

真空自耗電極電弧熔煉具有加熱溫度均勻、弧柱壓較小、熱效率高的優(yōu)點，經(jīng)過2～3次電弧熔煉可得到優(yōu)質(zhì)鈦錠。但該法也存在以下缺點：必須用較大噸位的油壓機制備自耗電極，工序繁瑣；殘鈦利用率低；生產(chǎn)大規(guī)格鈦合金鑄錠時易出現(xiàn)合金化元素的偏析；不能有效去除低密度（LDI）、高密度夾雜（HDI）等；僅能生產(chǎn)圓鑄錠［5］。

2.2 真空電子束熔煉法（EB）

EB法是利用電子束槍產(chǎn)生的電場加速電子束作為熱源轟擊被熔金屬，將電子的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，從而加熱熔化金屬。作為工業(yè)上使用的EB熔煉，其主要用途是精煉Ti、Ni、Ta、Zr等高熔點金屬。EB法的熱源具有高度靈活性，可分為滴熔法、冷床爐精煉、浮動區(qū)域熔煉等不同重熔和精煉工藝。

2.2.1 電子束冷床爐EB爐較VAR真空自耗爐的三大優(yōu)勢

1）EB爐可以充分去除高、低密度夾雜物，可生產(chǎn)航空用鈦合金等高端產(chǎn)品。熔煉所用的返回料殘鈦中常含有從焊機鎢極和刀具帶入的顆粒W、Mo、WC等，其熔點較高，在熔煉過程中形成高密度夾雜；另外在熔煉過程中還有殘留N2、O2與Ti反應(yīng)形成TiO、TiN等熔點較高的低密度夾雜。EB爐實現(xiàn)了將熔煉、精煉以及結(jié)晶進行分區(qū)，使得液態(tài)金屬在冷床精煉區(qū)的流動過程中，高密度夾雜可沉淀在冷床區(qū)被捕捉去除、低密度夾雜有充分時間上浮在表面接受電子束掃描進行高溫溶解、其他低熔點雜質(zhì)則在高溫下?lián)]發(fā)去除。對于航空鈦合金來說，多年的實踐表明，高、低密度夾雜嚴重威脅著航空材料的性能，成為疲勞裂紋源。美國已明確規(guī)定航空鈦合金必須采用EB爐冶煉。

2）EB爐可以生產(chǎn)矩形錠直接軋制，大幅度降低鍛造開坯成本。EB爐不僅可以生產(chǎn)圓錠，還可以生產(chǎn)矩形錠供直接軋制，可省去鍛造開坯，從而大幅度降低金屬損耗、降低成本，以超低成本生產(chǎn)純鈦卷等產(chǎn)品。

3）EB爐可以接受大量的殘鈦原料。由于無須制備電極，而且對于殘料帶入的W、Mo等造成的高密度夾雜可以有效去除，因此可以接受大量的殘鈦，如美國Timet冶煉鈦合金時殘鈦加入量（質(zhì)量分數(shù)）為62.4%，理論上可達到100%。

4）EB爐一次熔煉大大節(jié)約熔煉成本。EB爐以其冷床精煉區(qū)的凈化作用，使得對于除航空鈦合金等高端產(chǎn)品外，大多數(shù)純鈦和鈦合金均可實現(xiàn)一次熔煉。純鈦錠需要兩次熔煉，普通鈦合金錠需要兩次熔煉，航空鈦合金錠需呀三次熔煉。因此EB爐熔煉節(jié)省一次熔煉過程，節(jié)約了電耗，也節(jié)約了電極頭、平頭及燒損等，金屬損耗減少2.6%，電能節(jié)約1 840 kW·h/t。

2.2.2 EB爐與VAR爐相比的劣勢

1）生產(chǎn)鈦合金時成分控制較難，對于AL、Cr等蒸汽壓低于純鈦的金屬，其揮發(fā)較大，而且隨操作條件不斷變化，如Al的揮發(fā)量（質(zhì)量分數(shù)）達到1.5%。因此需要一定的操作熟練度和磨合過程。

2）生產(chǎn)鈦合金時爐溫高、真空度高，鈦金屬揮發(fā)也有一定損失，通常為2%～5%。

3）EB爐造價高，與同產(chǎn)能的進口VAR爐相比，其造價是后者的3.5～4倍，噸材投資較高，導(dǎo)致設(shè)備折舊成本高。

2.3 真空等離子弧和真空等離子束熔煉法（PA）

該方法是利用真空等離子體作熱源加熱被熔金屬。等離子體由空心熱陰極（等離子槍）放電產(chǎn)生，按放電形式又分為等離子束和等離子弧兩種。

真空等離子弧熔煉法與真空等離子束熔鑄法相似，但所需功率比非自耗電極電弧熔鑄法高。同時，采用該方法的設(shè)備熔池較淺、熔池面積大，且無遮蓋，熱輻射損失大，熔池過熱度低，只適用于殘鈦回收和厚壁鑄件。

2.4 冷床爐熔煉法（CHM）

冷床爐熔煉是以電子束（EB）或等離子體（PA）為熱源，分別形成了電子束冷床爐熔煉（EBCHM）和等離子體冷床爐（PACHM）熔煉兩類工藝。

該工藝使金屬在爐床上分段進行熔化、精煉和凝固，主要特點是分別進行熔化、提純和凝固。熔融的金屬液體在水冷銅床上流動，通過控制滯留時間和溫度，使HDI和LDI夾雜物通過重力分離，HDI夾雜沉積到銅床底部，LDI夾雜物被高溫分解，以達到精煉。此外，由于爐床熔煉的熔池較淺，還可以使結(jié)晶偏析降至最小。

除具有EB和PA各自工藝特點外，CHM法還可直接從金屬液中取樣分析，一次熔煉即可生產(chǎn)大型、無偏析、無夾雜的優(yōu)質(zhì)鈦及鈦合金圓錠和扁錠，簡化了板材和管材的后續(xù)加工，降低了生產(chǎn)成本。CHM法與VAR法相比，CHM法可以大量使用殘鈦料，無需制備電極從而簡化工藝，但金屬揮發(fā)損失較大，設(shè)備投資高，工藝技術(shù)相對復(fù)雜。CHM法在國外已大量應(yīng)用，目前我國寶鈦和寶鋼特鋼都從國外引進了這種設(shè)備并取得了較好的效果［6］。

3 結(jié)語

根據(jù)國內(nèi)外鈦及鈦合金熔煉的生產(chǎn)實踐，真空自耗爐與電子束冷床爐均是熔煉鈦及鈦合金的首選設(shè)備。

［1］ 郭建亭.高溫合金材料學(xué)制備工藝：中冊.北京：科學(xué)出版社，2010.

［2］ 章四琪，黃勁松.有色金屬熔煉與鑄錠［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

［3］ 黃伯云，李成功，石力開，等.中國材料工程大典：第四卷［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：623-626.

［4］ 方正春.鎳基合金及其鑄造技術(shù)［J］.材料開發(fā)與應(yīng)用，1994（1）：24-32.

［5］ 王慶，巴德純，王冬，等.真空感應(yīng)CVI/CVD系統(tǒng)自動化控制技術(shù) ［C］//中國真空學(xué)會.2005年全國真空冶金與表面工程學(xué)術(shù)會議論文集.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［6］ B.E.Paton.鈦、鋯及其合金的電子束熔煉［M］.樊生文，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2014.

（編輯：張偉）

Nickel Alloy and Titanium Alloy Melting Furnace Comparison and Selection

Cao Rui1，Li Nan2，Chai Zhiqiang1，Su Jianchun1
（1.Shaanxi Huaze Nickel&Cobaltmetal Co.，Ltd.，Xi′an Shaanxi 710065；2.Western Titanium Technologies Co.，Ltd.，Xi′an Shaanxi 710201）

Through introduction and comparison of the properties of several common Nickel alloy and titanium alloy melting furnace，this paper summarizes the advantages and disadvantages of various furnaces.The contrast analysis shows that"VIM+ESR"or"VIM+VAR”is the main production process for special materials such as high-quality and high-temperature alloy and corrosion resistant alloy.VAR furnace and electron beam cooling furnace is the device of choice for melting titanium and titanium alloy metal.

melting furnace，VIM，ESR，VAR

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2015.06.01

TF815

A

1672-1152（2015）06-0001-03

2015-09-10

曹瑞（1987—），男，主要從事金屬材料加工技術(shù)性工作，助理工程師。