真空自耗电弧炉熔炼钛铸锭的质量控制Word文档下载推荐.docx
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影响铸锭质量的主要因素
Mainfactorsinfluencing价equalityofingots
原料,熔炼工艺参数(熔炼电流,电弧电压,真空
度,漏气率,冷却速度,搅拌磁场强度)选择的合理性
以及工艺过程控制的严密性决定着钛及钛合金铸锭的
冶金质量.下面分别进行论述.
(1)海绵钛海绵钛中常含有H,MgC1
(NaC1),Fe和H,O等杂质.当H含量高时,它将在熔炼
过程大量排出,会使电弧不稳;
氯化物含量多时,熔炼
过程操作困难,并会影响设备的寿命;
铁含量高时,会
使材料耐腐蚀性能降低;
原料潮湿将使钛锭含氧,氢量
增高,从而降低其强度.因此,海绵钛必须满足相关标
准的要求,如纯度,均匀性和粒度.最为重要的是不能
含有高熔点钛的氧化物,氮化物或者其它高熔点颗粒.
这些高熔点颗粒有可能在最终产品中成为裂纹源.
据资料,分析高间隙缺陷发现,这些区域含有较
高的O,N,C,认为这些颗粒的来源之一就是海绵
钛.海绵钛生产过程中漏气或者污染的反应剂,有可
能导致N,O与产品反应.
迄今为止没有自动方法检验原料,并剔除这些污
染的粒子.一般主要是肉眼评价或者工艺参数评定.
因此,除了与原料供应商协议不允许出现有缺陷的原
料外,还应100%肉眼检查海绵钛和残料及中间合金.
真空白耗电弧熔炼是一种区域性熔炼,铸锭杂质
含量主要靠合理的原料选择来保证.况且,钛及钛合
金的熔炼是在密闭的真空室中进行的,熔炼过程中不
可能对熔体进行化学成分调整,因此,在焊接成自耗
电极之前的各道工序中必须严把质量关,保证准确无
误.通过精选海绵钛,按配料要求将不同成分的海绵
钛充分搅拌混合,确保海绵钛的成分均匀.同时,配
入中间合金后还必须将中间合金与海绵钛混合均匀.
(2)中间合金采用中间合金作添加原料,是
改善合金化条件,提高合金成分均匀度,克服偏析和
不溶金属夹杂,减少金属烧损率的有效方法.使用中
间合金,便于加入某些熔点较高且不易溶解或易氧
化挥发的合金元素,以便更准确地控制合金成分,其
次,使用中间合金作为炉料,可以避免熔体过热,降
低烧损.因此,中间合金应尽可能满足下列要求:
WORLDNONFERROUSMETALS2007.825
技术与装鲁
①添加的合金化元素,熔点低于或者接近合金的熔
炼温度.无论是纯金属或者中间合金,其熔点一方面不能
超过合金的熔点,另一方面,也不能比钛的熔点低450~C~
550~C,否则,过早熔化,会造成铸锭成分不均匀.
②化学成分均匀一致.
③含有尽可能高的合金元素,夹杂物少.
④具有足够的脆性,便于破断配料,但在大气下
保存时不应碎裂成粉末.
⑤比重,比热,熔化潜热与钛相近.
⑥生产成本低.
(3)电极制备
制备单块电极的基本方法有压制和挤压两大类.
电极块经过组装和焊接得到一次熔化的电极.焊接方
法主要为氩弧焊或等离子焊,焊接应进行充分的保护
或者在惰性气氛的焊箱内进行,以避免金属污染或形
成难熔氧化物和氮化物.
制备的自耗电极必须具备下列特征:
①足够的强度,除能承受自重外,应能在运输,吊
装及熔炼操作过程中的振动和冲击下不受损坏.
②足够的导电性,一般认为,关键在于要求足够
的焊接面积.
③足够的平直度,保证在整个熔炼过程中的电极
与坩埚壁内径之间的最小间隙大于弧长.
④合金元素组元成分和杂质含量的分布合理.
⑤电极不得污染和受潮.
熔炼工艺参数
Processpemrne~insmelling
(1)电流和电压
自耗熔炼中最敏感的工艺参数就是熔炼电流.对
于熔炼电流的确定,有不少经验公式,但因为各参数
之间相互影响的关系比较复杂而局限性较大.熔炼电
流主要取决于电极材料,铸锭规格和坩埚比,此外,
电源类型,极性以及炉子结构,熔炼室压力等都影响
最佳电流数值.对于钛及钛合金而言,主要是铸锭直
径的函数.实际采用的电流可利用经验公式:
In=(18~33)Dk(安培)
上式中,In一熔炼电流
Dk一结晶器内径,毫米
由于在整个电弧熔炼过程中,熔区的热平衡条件
是变化的,对于直径大的铸锭则更为明显,初期结晶
器底座冷却效果特别显着,而电极温度较低,中期逐
渐减弱了底座冷却强度的影响,电极温度升至稳定阶
段,而在后期,电极温度由于炉内其他部件如夹头,
26世界有色金属2OO7年第8期
辅助电极温度升高及接受热辐射能量增加而达到最高
阶段.为了使熔池深度基本保持恒定,获得化学成分
和组织均匀的铸锭,三个阶段中使用的电流应该是递
减的.在具体确定熔炼电流值时,还应考虑到原料品
位,熔次,合金元素的熔点,比重以及坩埚比的不同
而作相应的调整.
对于熔炼电压来说,由于钛及钛合金一般采用短弧
熔炼,电压一般在28~40伏之间,铸锭规格大,电流大
则电压靠上限,铸锭规格小,电流小则电压靠下限.
(2)炉内压力
炉内压力和原料的气体含量影响电弧行为和产品
质量.当电弧区残余压力增大到13Mp~66Mp时就达
到辉光放电的临界压力范围,电弧燃烧不稳定,甚至
导致电弧熄灭,严重时会产生边弧而击穿设备.
虽然真空自耗电弧炉可在常压惰性气体保护下进
行,但真空熔炼具有加热温度更均匀,弧柱压降小,热
效率高的优点,正常生产中多采用真空熔炼.惰性气体
保护下熔炼的El的在于解决一些钛合金严重偏析问题.
(3)磁场效应
电弧是一种由流动的电子和离子化的粒子组成的电
现象,必然受到磁场影响而发生偏转.通常的做法是在
水套上缠绕稳弧线圈,以此对电弧和熔池更好地控制.
稳弧线圈通常有两种形式,一是永久固定在水套
上,基本可以覆盖整个坩埚;
另一种则较短并可移动,
只用来覆盖弧区及熔池的上部区域,随熔池的升高而不
断地升高,对于拉锭系统则保持在某一位置不动.
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.合理的稳弧
线圈布置和参数给定能够使电弧围绕电极平稳缓慢地
移动,防止集中在坩埚壁上击穿坩埚.
熔池搅拌是获得良好的结晶组织以利于锻造加工
的基础.线圈的电流连续不断地沿着一个方向流动,
凝固时,晶粒会在某一方向优先长大,对锻造不利.
实际生产中,可每隔几秒将直流电极性转换,补偿熔
池固有的旋转.
(4)热封顶操作
热封顶的El的是减少铸锭头部的缩孔和偏析等,
减少铸锭的切头量,提高铸锭的成品率.最后一次熔
炼,当电极消耗~U9o%以上时,应逐级降低电流,使熔
池凝固不形成有害的缺陷.
(5)坩埚比
也称填充比,是指电极与坩埚直径之比.它是影
响铸锭质量和安全生产的重要参数之一.对于钛及其
合金,坩埚比一般在0.625~0.88之间.坩埚比大,铸
锭表面质量好,致密度高,但易产生边弧.
(6)铸锭冷却
铸锭一般在真空或者惰性气体保护下冷却后出
炉.惰性气体保护会加速冷却.如果还需要进一步的
熔炼,应避免铸锭氧化.
(7)铸锭规格和铸锭熔化次数
铸锭尺寸不仅影响铸锭的质量,而且对生产率也
有影响.一般,铸锭尺寸依据半成品尺寸来确定.大
规格铸锭具有实用经济性的优点,但是,增大铸锭的
尺寸,偏析倾向就增高.
铸锭长度的确定必须考虑炉子的生产率.一定电
流下,随着铸锭长度的增加,生产率增加较小.应该
指出,长度的增加应合理,否则,会给生产带来困难,
实际上起不到提高生产率的作用.
为了保证最终产品的均匀性,两次熔炼是必要
的.一次熔炼是为了使铸锭初步合金化,均匀化及去
除挥发性物质和气体,二次熔炼是为了获得成分分布
均匀,表面质量良好的铸锭.
铸锭质量控制
Qualitycon~oloningots
(1)合金化学成分均匀性控制
合金化学成分均匀性,是指铸锭各个区域具有均
匀的化学成分;
同一牌号的铸锭的化学成分波动范围
是严格控制的.
在钛合金真空自耗电弧熔炼过程中,当合金元素
及中间合金的熔点高于被熔炼合金的熔点时,可能出
现因合金元素及中间合金熔化不完全而造成的化学成
分不均匀.钛合金的结晶遵循树枝状结晶机制,由此
也会产生树枝状结晶偏析形式的化学成分不均匀.
通常采用以下措施控制合金化学成分均匀性:
①海绵钛质量对钛合金铸锭质量有遗传性影响.
要控制钛合金铸锭质量,首先应该控制海绵钛的质
量.需要制订先进的海绵钛质量标准,采用先进的海
绵钛生产,破碎,分选及混合工艺,在海绵钛生产的
各个环节提高不同批次的海绵钛化学成分和硬度的一
致性,防止海绵钛中混入其它外来杂质.
②在真空自耗电弧炉熔炼之前严格检查并挑选炉
料,防止炉料中混入气体含量,主要是氮氧含量超标
的海绵钛块.
③在合金铸锭生产中采用小颗粒海绵钛(通常为
0.83~1.72毫米).
④使用多元中间合金.
⑤确保电极焊接质量,防止一次电极在熔化过程
中出现掉块.
⑥严格控制熔化工艺过程,尽量保持恒速熔炼.
(2)防止出现夹杂
在熔炼过程中密度和熔点大于基体金属的炉料颗
粒,以不熔块的形式存在于铸锭中,叫高密度夹杂.
在钛合金零件中出现高密度夹杂的部位,容易产生集
中应力,形成裂纹,引发灾难性事故.为了防止高密
度夹杂,通常采用以下措施:
①100%地仔细地检查所有的炉料,防止夹杂有硬
质合金碎粒的颗粒进入炉料.
②以连续挤压法生产长电极,少用焊接制造自耗
电极.
③采用一根电极熔炼一次铸锭,然后,一次铸锭
化一支二次铸锭的工艺路线.
④采取工艺措施防止难熔金属块掉人液态熔池,
并要避免把电极与辅助电极的焊缝区化入铸锭.
⑤对于特别重要用途的铸锭,采取二次,甚至三
次重熔工艺,提高偶然进入炉料的高熔点料块的熔化
概率.
(3)偏析缺陷的改进
真空自耗电弧炉熔炼和凝固结晶的基本特征是电
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.在熔化过程中,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.
偏析程度与合金分配系数,凝固速率,液相的自
然和受迫运动,扩散,晶粒尺寸及晶体形成的方式有
关,其它因素则与具体操作工艺有关,可通过以下措
施进行改进.
①对铸锭的前道工序进行严格的质量控制,尤其
是电极焊接工序.
②可采用反复熔炼.反复熔炼可以减少硬0【缺陷.
③提高海绵钛质量.海绵钛生产大多采用镁还原
法,对于用镁作为还原剂的海绵钛全部
制造工序的质量管理特别重要.
近年来,宝鸡有色金属加工厂采用布料一混料生
产线计算机控制配置中间合金,单块电极混料,真
空等离子焊箱内焊接等先进工艺生产钛合金铸锭,钛
锭的冶金质量明显提高.
WORLDNONFERROUSMETALS2007.827
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- 真空 电弧炉 熔炼 铸锭 质量 控制