純鎳熔煉工藝方法

供稿|楊哲，楊晗，程偉 / YANG Zhe, YANG Han, CHENG Wei

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純鎳因具有優(yōu)良的耐腐蝕性、可加工性、電磁學(xué)性等而廣泛用于化工、海洋裝備、核能、蓄電池等行業(yè)。文章介紹了純鎳熔煉的主要工藝方法：真空感應(yīng)熔煉、真空感應(yīng)加真空自耗雙真空熔煉、真空感應(yīng)熔煉加電渣熔煉雙聯(lián)法、電子束爐熔煉、電子束爐熔煉加真空自耗熔煉、多次真空自耗熔煉等。通過對比各種純鎳熔煉工藝所生產(chǎn)的鑄錠質(zhì)量以及各種熔煉方式所生產(chǎn)的鑄錠的后續(xù)加工情況，探討了純鎳不同熔煉方式的優(yōu)缺點和適用性。

純鎳具有優(yōu)良的耐腐蝕性，其對苛性堿腐蝕抗力是無法替代的，同時其兼具優(yōu)良的可加工性、電磁學(xué)性能，因而被廣泛用于化工、海洋裝備、核能、蓄電池等行業(yè)[1-2]。純鎳的熔煉研究始終圍繞著脫氣、脫硫、去除非金屬夾雜、晶粒細(xì)化等提高冶金質(zhì)量和經(jīng)濟效益問題。純鎳的冶煉方法有真空感應(yīng)熔煉(VIM)、真空自耗熔煉(VAR)、真空感應(yīng)加真空自耗雙真空熔煉(VIM+VAR)、真空感應(yīng)加電渣熔煉雙聯(lián)法(VIM+ESR)、電子束爐熔煉(EB)、電子束爐加多次真空自耗熔煉(EB+VAR)等。寶鈦集團純鎳生產(chǎn)采用VIM、VIM+VAR、VIM+ESR、多次VAR、EB和EB+VAR。國內(nèi)其他省市及地區(qū)的企業(yè)生產(chǎn)純鎳以VIM為主(0.5～2.0 t)，有一些企業(yè)為擴大純鎳生產(chǎn)錠型也采用VIM+VAR雙真空熔煉。

純鎳熔煉工藝

真空感應(yīng)熔煉(VIM)

真空感應(yīng)熔煉方式(VIM)在純鎳及合金的生產(chǎn)上非常重要，很多情況下具有不可替代性。關(guān)于純鎳有效去除雜質(zhì)、夾雜、脫硫、脫氣、晶粒細(xì)化的研究是一個重點，對純鎳冶金質(zhì)量至關(guān)重要。真空感應(yīng)熔煉時以不同工藝添加各種添加劑進(jìn)行雜質(zhì)、脫氧、脫硫處理是很重要的方式，常用的元素有C、Mg、Ca、Ti、Al及La、Ce等稀土元素[3-5]；結(jié)合計算機仿真分析、爐前成分檢測等手段可以精確控制化學(xué)成分，而且真空感應(yīng)大功率攪拌，成分均勻；真空感應(yīng)熔煉借助脫氧劑和高真空，可以將H、O等有害氣體元素降至極低的水平，同時可以高效去除Pd、As、Bi等有害低熔點金屬夾雜元素。真空感應(yīng)熔煉對原料適應(yīng)性很強，可以熔煉塊狀、屑狀等各種形狀原料，無需壓制電極，有利于大幅降低成本。

VIM可以澆注圓錠和方坯。VIM熔煉大規(guī)格圓錠(質(zhì)量大于1.5 t)在切除縮孔、冒口后，用于鍛造板坯，目前國內(nèi)主流設(shè)備為0.5～2.5 t爐，板坯最終為0.4～1.5 t，成品率低。在寶鈦、重材院、西北院等企業(yè)主要將之作為自耗電極，供ESR和VAR重熔使用。

VIM大規(guī)格方錠(質(zhì)量大于1 t)可以不經(jīng)過鍛造直接軋制，存在的問題是：縮孔大，成品率很低，約為70%～75%；無法有效消除添加殘料帶來的非金屬夾雜，且容易出現(xiàn)裹渣。在開坯及成品軋制時，探傷容易不合格。在機加工時存在疏松、夾渣、掉渣現(xiàn)象，而且坯型固定與成品不完全匹配，成品率很低。雖然小錠型真空感應(yīng)爐澆注方坯可以通過模具設(shè)計規(guī)避一些問題，但是不能完全去除非金屬夾雜，故而在軋制板材表面有起皮，部分薄板料軋制會出現(xiàn)漏眼問題，導(dǎo)致產(chǎn)品報廢。

VIM熔煉純鎳作為一種常用的成熟工藝將長期使用，采用該方法直接生產(chǎn)需要對原料質(zhì)量、純凈度提出很高的要求。直接VIM熔煉不能有效去除殘料帶來的非金屬夾雜，并在后續(xù)加工中得到體現(xiàn)，表現(xiàn)為掉渣、夾雜、起皮、分層較多等，加工過程中修磨量大。而類似25、200 kg的熔煉鑄錠，規(guī)格小，配合模具可以有效減少縮孔，一些情況下可以直接使用，用作小規(guī)格的板坯、棒坯、管坯等的生產(chǎn)(圖1)。

圖 1 真空感應(yīng)熔煉鑄錠照片：(a)方坯；(b)圓錠；(c)感應(yīng)錠冒口

真空感應(yīng)加真空自耗雙真空熔煉(VIM+VAR)

雙真空熔煉(VIM+VAR)通過充分發(fā)揮兩種熔煉方式的優(yōu)勢，可以用來生產(chǎn)致密的高質(zhì)量的純鎳鑄錠，能夠有效減少疏松和縮孔，同時進(jìn)一步降低雜質(zhì)元素含量，在生產(chǎn)高純鎳如N4具有重要的作用，解決了單純真空感應(yīng)熔煉帶來的很多問題。同時該方法有利于擴大錠型，可用于生產(chǎn)更大規(guī)格、單重的成品，如大規(guī)格的中厚板、鎳帶等。

雙真空鑄錠扒皮加工量大，成品率不高，大量的扒皮加工去除了鑄錠表面的細(xì)晶組織，使得柱狀晶暴露。鑄錠鍛造時工藝控制不當(dāng)容易出現(xiàn)頭部開裂、表面裂紋的情況。為此鍛造溫度需要提高，鍛造工藝操作方法要求高，需要謹(jǐn)慎操作。

雙真空熔煉(VIM+VAR)方法生產(chǎn)的板材相對于VIM鑄錠質(zhì)量有很大提高，但是依然不能十分有效地消除添加殘料帶來的非金屬夾雜物，不能有效消除皮下氣孔(圖2)。此類成品板有時存在探傷局部不合格、機加工過程中掉渣等情況。因而為了保證冶金質(zhì)量，對原料要求高，需要使用電解鎳、純凈塊料等高級別清潔的原料，不能有效利用刨銑屑等，導(dǎo)致成本高。

圖 2 VIM+VAR雙真空熔煉純鎳鑄錠照片

真空感應(yīng)加電渣熔煉雙聯(lián)法(VIM+ESR)

先經(jīng)過真空感應(yīng)熔煉，制備自耗電極，之后組焊進(jìn)行電渣重熔，用于生產(chǎn)大規(guī)格、高品質(zhì)的純鎳鑄錠。真空感應(yīng)加電渣熔煉雙聯(lián)(VIM+ESR)方法可以發(fā)揮真空感應(yīng)熔煉對原料適應(yīng)性強、能夠精確控制成分、脫氣等優(yōu)勢，借助電渣重熔進(jìn)一步消除S等雜質(zhì)，同時強力去除非金屬夾雜，從而得到冶金質(zhì)量良好、致密、表面質(zhì)量好的純鎳鑄錠。成品率相對大幅提高。鑄錠純凈，加工性能大幅改善，鍛造極少出現(xiàn)開裂情況，板坯刨銑、修磨量降低，成品率提高至95%～97%。即使添加30%～50%返回爐料，采用嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行多次探傷未發(fā)現(xiàn)大的夾雜現(xiàn)象，非金屬夾雜物按標(biāo)準(zhǔn)評級在1級a。

真空感應(yīng)加電渣熔煉(VIM+ESR)方法生產(chǎn)鑄錠軋制的板材質(zhì)量良好，中間火次修磨量很少，實際生產(chǎn)可以軋至厚度0.1～0.7 mm，很少出現(xiàn)起皮、漏眼等現(xiàn)象。生產(chǎn)的板材經(jīng)過多批次探傷等檢測，幾乎無皮下氣孔、夾雜、疏松等缺陷(圖3)。然而真空感應(yīng)加電渣熔煉(VIM+ESR)法能耗較大，存在一定的污染問題。雖然有渣池、渣殼隔離保護，畢竟是非真空熔煉，會存在氧反彈的現(xiàn)象，因而對自耗電極的氧含量要求嚴(yán)格。同時該工藝技術(shù)要求較高，尤其是電渣重熔的渣系、參數(shù)、添加劑等，有一定的技術(shù)難度。技術(shù)不過關(guān)容易出現(xiàn)鑄錠內(nèi)部孔洞等現(xiàn)象。

圖 3 VIM+ESR雙聯(lián)法熔煉鑄錠照片：(a)鑄錠；(b)鍛坯；(c)軋制開坯

電子束爐熔煉(EB)

電子束爐熔煉純鎳鑄錠，熔煉后直接為方錠，無需鍛造。某企業(yè)電子束爐熔煉純鎳實驗料軋制后發(fā)生全部脆斷失效的情況，加工工藝參數(shù)及執(zhí)行情況、設(shè)備等無異常，同批生產(chǎn)的其他熔煉方式所產(chǎn)純鎳軋制正常。后續(xù)用其余料進(jìn)行大變形量軋制、退火實驗，依然表現(xiàn)為強度、塑性不合格，全部報廢。另外一家單位同樣使用EB爐熔煉的純鎳鑄錠軋制時也發(fā)生開裂報廢現(xiàn)象。經(jīng)過調(diào)查和一系列的檢測后，認(rèn)為采用EB爐熔煉的純鎳鑄坯柱狀晶極其粗大，鑄坯直接使用會有很大問題，綜合認(rèn)為在其工藝沒有獲得可靠性認(rèn)定及有效進(jìn)展之前不宜使用，必須采用有效手段破碎其晶粒方可保證其加工性。

電子束爐加真空自耗熔煉及多次真空自耗熔煉(EB+VAR及多次VAR)

采用電子束爐加真空自耗熔煉(EB+VAR)時先進(jìn)行電子束爐熔煉，有利于回收利用一些殘料，之后再進(jìn)行真空自耗熔煉，擴大錠型的同時消除單純EB熔煉晶粒粗大、加工性能差的問題。

多次VAR真空自耗熔煉目的是為了擴大錠型，需要制備自耗電極，返回爐料使用有限，要求高。

這兩種方法均可以獲得質(zhì)量大于10 t的大規(guī)格純鎳鑄錠，用于生產(chǎn)寬幅純鎳帶，是大規(guī)格純鎳產(chǎn)品的有效生產(chǎn)方式。

其他研究方向

將真空感應(yīng)、真空自耗、電渣重熔進(jìn)行有機結(jié)合，充分發(fā)揮三種熔煉工藝的優(yōu)勢，充分利用返回爐料，大幅度降低原料成本，有效去除非金屬夾雜，降低S等有害雜質(zhì)含量，提高質(zhì)量，同時擴大錠型、提高成品率。

純鎳熔煉工藝分析

耐腐蝕性對比實驗

添加各種殘料回收是降低成本的有效措施，而能否有效消除殘料帶來的夾雜物，以及是否會影響到產(chǎn)品性能是工藝關(guān)注的重點。實驗研究了添加同比例返回爐料并使用各種熔煉工藝所生產(chǎn)的純鎳的耐腐蝕性，研究采用ASTM G28方法A進(jìn)行實驗，結(jié)果見表1。實驗結(jié)果表明真空感應(yīng)加電渣熔煉雙聯(lián)工藝生產(chǎn)的純鎳鑄錠因為強力去除了雜質(zhì)，耐腐蝕性更高。

表 1 不同熔煉方法生產(chǎn)純鎳腐蝕速率

不同冶煉工藝探討

不同純鎳熔煉工藝對比見表2。純鎳塑性極好，可以在很寬的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行加工。通常板坯鍛造溫度為950～1100 ℃，軋制溫度為650～950 ℃，部分可以采用≤350 ℃溫軋，同時完全可以冷軋，需要指出的是加工溫度避免高于1100 ℃和低應(yīng)變速率(容易導(dǎo)致晶粒異常長大)[6]。

VIM+VAR雙真空熔煉、EB+VAR熔煉、多次VAR熔煉的純鎳鑄錠需要采用較高的開坯溫度，其晶粒較大，需要高溫大變形量開坯破碎晶粒。而且工序中需要多次刨銑、扒皮加工、修磨來保障成品質(zhì)量。

采用VIM+ESR熔煉的鑄錠晶粒較小，表面質(zhì)量好，無需扒皮加工。表面為細(xì)小等軸晶，不易開裂，可以采取大變形量加工。而且鑄錠的熱塑性、加工性能、表面質(zhì)量較好，扒皮加工量少，有利于減少火次、縮短工期，加工時采用純鎳加工溫度下限。

表 2 不同純鎳熔煉工藝方法質(zhì)量對比

結(jié)束語

純鎳熔煉有多種方法，各具優(yōu)勢和局限性。在生產(chǎn)各種產(chǎn)品時應(yīng)根據(jù)實際情況予以選擇，或單獨使用、或進(jìn)行幾種熔煉方式的優(yōu)化組合，對提高純鎳成品質(zhì)量、合理利用原料、控制成本有著重要的作用。