真空自耗電極電弧爐及熔煉工藝
2020-03-31 來源：Goal Science
真空自耗電極電弧爐電極是由被熔煉材料（即爐料）制成，在熔煉過程中逐漸消耗，熔化后滴進(jìn)結(jié)晶器中冷凝成錠。主要用來熔煉鈦、鋯、鉬等活潑金屬和難熔金屬，也可熔煉耐熱鋼、不銹鋼、工具鋼和軸承鋼等。
1. 真空自耗電極電弧爐特點(diǎn)
1.1 真空自耗電極電弧爐優(yōu)點(diǎn)
真空自耗電極電弧爐優(yōu)點(diǎn)：
1.2 真空自耗電極電弧爐缺點(diǎn)
真空自耗電極電弧爐缺點(diǎn)：
（1）制造電極較難；
（2）錠子為柱狀晶，從底部到頂部方向變化，與徑向夾角逐漸減小，晶粒粗大。
2. 真空自耗電極電弧爐分類
真空自耗電極電弧爐爐體結(jié)構(gòu)形式分為以下幾種：
（1）爐體固定、坩堝移動(dòng)式
此種爐型爐體固定在金屬或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)框架上，坩堝設(shè)置在一個(gè)可移動(dòng)小車上，裝爐時(shí)移至爐體下方，提升坩堝以完成封爐操作。
屬于較早期類型。生產(chǎn)效率較低，但結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，占地面積較小，便于設(shè)置防爆設(shè)施。適合熔煉鈦、鋯及其合金。國(guó)產(chǎn)ZH-200、ZH-1000以及西德海拉斯咖L1000St3型電弧爐都是此類結(jié)構(gòu)。
（2）爐體固定、坩堝轉(zhuǎn)動(dòng)式
該爐型爐體固定，坩堝可繞一立柱旋轉(zhuǎn)和升降完成裝電極和卸錠工作，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)坩堝交替使用。該種爐型操作方便，生產(chǎn)率高，但爐子地下部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
（3）爐體轉(zhuǎn)動(dòng)、坩堝固定式
此種爐型爐體由一立柱支撐并可沿立柱升降和繞立柱旋轉(zhuǎn)，坩堝位置固定。此種爐型優(yōu)點(diǎn)是在一個(gè)坩堝熔煉的同時(shí)，另一坩堝可進(jìn)行下爐熔煉的準(zhǔn)備工作，當(dāng)一個(gè)坩堝熔煉結(jié)束后，可以立即旋轉(zhuǎn)爐體到另一個(gè)坩堝中進(jìn)行熔煉，這種連續(xù)式的生產(chǎn)作業(yè)有利于提高生產(chǎn)率。
ZH-3000型爐子屬于此種結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)地面部分比較簡(jiǎn)單，但地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占地面積較大。穩(wěn)定性不如第一種結(jié)構(gòu)。
（4）爐體移動(dòng)、坩堝固定式
該爐型爐體分成上下兩部分，上部爐室固定在構(gòu)架上，該構(gòu)架可以沿軌道水平移動(dòng)。兩個(gè)固定的下爐室下面各裝設(shè)一個(gè)坩堝，通過構(gòu)架移動(dòng)和上爐室的升降，可實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)坩堝位置的交替熔煉。此時(shí)真空系統(tǒng)是通過下爐室與爐體連接，此種結(jié)構(gòu)的地上部分和地下部分都比較復(fù)雜，占地面積較大。
2.1 真空自耗電極電弧爐結(jié)構(gòu)
真空自耗電弧爐主體主要由爐體、坩堝、水冷系統(tǒng)、電極桿及其傳動(dòng)系統(tǒng)、稱重系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、觀察系統(tǒng)等部分組成。
自耗電極電弧爐示意[5]
1－電極進(jìn)給傳動(dòng)裝置；2－爐體；3－電源箱；4－母線/電纜；5－電極桿；6－水冷坩堝；7－真空系統(tǒng)；8－X-Y調(diào)整裝置；9－稱重傳感系統(tǒng)。
2.1.1 爐體
爐體是容納自耗電極的真空室，將電極傳動(dòng)裝置、坩堝以及真空系統(tǒng)連接在一起。對(duì)爐體要求如下：
（1）爐體具有合適的空間。一般爐體的直徑是最大錠子直徑的2~3倍。爐體高度由自耗電極最大長(zhǎng)度和錠子長(zhǎng)度差來決定。
（2）爐體具有足夠的強(qiáng)度。由于爐體聯(lián)結(jié)眾多機(jī)械設(shè)備，同時(shí)承受外部大氣壓力和冷卻水壓力，因此，一般采用圓柱形和凸圓形設(shè)計(jì)。優(yōu)點(diǎn)：①剛度好，用鋼材較少，表面積少；②表面冷凝蒸氣和金屬粉塵易清除；③表面容易加工。
（3）爐體受到輻射熱和傳導(dǎo)熱，需要有效冷卻。水冷方法：①水套冷卻。效果好，但容易積存水垢，導(dǎo)致堵塞；②蛇形管冷卻。不易積存水垢，但冷卻效果差。
（4）對(duì)稱于電極安裝兩個(gè)觀察孔。由于受到電極遮蔽，爐體上部觀察孔只能看到電弧部分情況，因此，上下對(duì)稱位置都需要設(shè)置觀察孔。
（5）爐門足夠大，方便人員進(jìn)行檢查和清理。
2.1.2 坩堝
坩堝又稱為結(jié)晶器，是真空電弧熔煉的核心部位。熔煉金屬在此熔化、過熱、精煉和結(jié)晶成錠。坩堝內(nèi)進(jìn)行大量的熱交換，坩堝壁熱交換強(qiáng)度達(dá)到幾萬(wàn)至幾百萬(wàn)瓦每平方米。因此對(duì)坩堝有如下要求。
（1）坩堝金屬材質(zhì)導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能良好，不易被熔化金屬黏結(jié)，一般采用紫銅和無(wú)氧銅等；
（2）坩堝內(nèi)表面平整光滑，斷面形狀一致，便于脫錠；
（3）坩堝具有足夠強(qiáng)度和剛度，可以承受最大鑄錠質(zhì)量；
（4）坩堝壁厚在強(qiáng)度允許的條件下盡量薄，一般小爐子壁厚為8~10mm，大爐子壁厚12~24mm，鋼制坩堝壁厚8~12mm；
（5）坩堝設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)允許熱膨脹變形；
（6）直徑小于150mm坩堝設(shè)計(jì)一定錐度，方便脫錠；
（7）坩堝進(jìn)行充分的冷卻；
（8）便于裝卸、清理和維修。
2.1.3 水冷系統(tǒng)
水冷系統(tǒng)主要包括三部分，爐體水冷、銅坩堝水冷與電纜水冷。由于金屬料棒的重熔、結(jié)晶過程就在銅坩堝與爐體所形成的封閉腔體內(nèi)進(jìn)行，因此爐體與銅坩堝均需要水冷降溫。銅坩堝置于一個(gè)水冷套中，冷卻水從水冷套下部的入水口流入，從上端的出水口流出，不斷帶走銅坩堝的熱量。爐體為雙層結(jié)構(gòu)，中間為水冷夾層，冷卻水不斷從夾層中流過，實(shí)現(xiàn)爐壁的冷卻。自耗爐的供電電纜采用水冷電纜，由于熔煉電流通常達(dá)到上萬(wàn)安培，致密鈦錠的熔煉電流甚至達(dá)到二萬(wàn)四千安培，供電電纜發(fā)熱嚴(yán)重。專用電纜均有入水口與出水口供冷卻水從水冷夾層流過。在每根電纜的出水口設(shè)置溫度檢測(cè)點(diǎn)，通過出水溫度的高低反映電纜的發(fā)熱情況。水冷系統(tǒng)所用的冷卻水，是經(jīng)過軟化處理的凈水，供水壓力要求在1.45個(gè)大氣壓以上。
2.1.4 電極桿及其傳動(dòng)系統(tǒng)
傳送電極用的導(dǎo)桿稱為電極桿。電極桿作用為：（1）導(dǎo)電，供給電弧電流；（2）夾持并帶動(dòng)電極上下運(yùn)動(dòng)。
電極桿設(shè)計(jì)要求：
（1）大的導(dǎo)電截面，電阻盡量小，避免電弧電流流通時(shí)產(chǎn)生過大熱損失，要求電壓降不超過1V。
（2）有足夠機(jī)械強(qiáng)度，足夠承受自耗電極重量及其他力（如冷卻水壓力、傳動(dòng)的慣性力等）作用。
（3）表面光潔耐磨，其軸線保證較高直線度。保證靈活升降，以及電極與坩堝之間的間隙均勻。
（4）良好的水冷，以及可靠密封性。電極桿使用前進(jìn)行打壓試驗(yàn)，水壓達(dá)到0.5~0.9MPa。
（5）電極桿夾持自耗電極簡(jiǎn)單可靠、裝卡方便。
目前，常用的傳動(dòng)系統(tǒng)包括：①帶有電磁離合器的傳動(dòng)系統(tǒng)；②具有差動(dòng)器的傳動(dòng)系統(tǒng)；③液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。
2.1.5 稱重系統(tǒng)
熔煉過程中熔化速度難以直接測(cè)量，目前主要是利用稱重系統(tǒng)，實(shí)時(shí)測(cè)量電極的剩余重量，根據(jù)測(cè)得的電極剩余重量，通過計(jì)算濾波處理得到相應(yīng)的實(shí)際熔化速度，利用稱重模塊成功實(shí)現(xiàn)熔速參數(shù)的測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)恒熔速控制。
2.1.6 真空系統(tǒng)
真空電弧爐工作真空度與熔煉金屬有關(guān)。對(duì)于難熔金屬為10-2Pa；對(duì)于高溫合金、特種鋼等為10-1Pa；對(duì)于海綿鈦等為5×10-2~1Pa。高于10Pa的壓力會(huì)導(dǎo)致衍生電弧的形成，可能擊穿坩堝引起爆炸。因此，應(yīng)從冶金控制、電弧穩(wěn)定和防止擊穿坩堝來確定爐膛壓力。
真空電弧爐真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：
（1）如果熔煉不一直處于坩堝口處，弧區(qū)壓力比坩堝口處壓力高出較多，差值應(yīng)通過計(jì)算獲得，不能將電弧爐工作壓力誤認(rèn)為弧區(qū)壓力；
（2）弧區(qū)有較高的金屬蒸氣分壓力，為維持真空電弧穩(wěn)定的一個(gè)條件；
（3）使用粉末或海綿鈦壓制的電極時(shí)，熔煉過程難免突然放氣，真空系統(tǒng)應(yīng)能適應(yīng)該情況；
（4）凝殼爐要考慮澆鑄時(shí)因錠模放氣而壓力突然上升的特殊性。
2.1.7 供電系統(tǒng)
真空自耗電弧爐供電系統(tǒng)包括電弧電源和各種電氣控制設(shè)備，供電系統(tǒng)為電弧穩(wěn)定燃燒提供優(yōu)良的條件，生產(chǎn)高品質(zhì)合金產(chǎn)品。
電弧電源可以是直流電源，也可以是交流電源。但真空自耗電弧爐都采用直流電源。原因如下：
（1）直流電源大約有2/3的輸入功率用于熔煉金屬，交流電源只有1/2，因此，采用直流電源效率更高，熔池深，去氣去雜質(zhì)好；
（2）直流電源電弧電壓在25~35V即可穩(wěn)定，交流電源需要達(dá)到70~75V，人體安全電壓是36V，超過該電壓操作上帶來一定危險(xiǎn)，高電壓容易引起電極與坩堝壁之間放電，造成燒穿坩堝事故；
（3）交流單相電源功率大于1000kW有一定困難，采用三相電壓則需要安設(shè)三個(gè)電極，爐子結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
真空自耗電弧爐熔煉電流較大，適合的直流電源為：①機(jī)械式整流設(shè)備，例如直流發(fā)電機(jī)等；②半導(dǎo)體整流設(shè)備，例如硒、硅、鍺整流器和可控硅整流器等。
2.1.8 觀察系統(tǒng)
為了觀察爐內(nèi)電弧燃燒、熔煉和焊接電極情況，在爐體上至少需要兩個(gè)對(duì)稱的觀察孔。在結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的爐子上，每個(gè)輔助操作區(qū)都應(yīng)安裝觀察孔。
在熔煉過程中金屬蒸氣或其他物質(zhì)容易蒸鍍到觀察窗上，遮擋光線，影響觀察。因此，可在觀察窗前安裝可轉(zhuǎn)動(dòng)玻璃圓盤。
光學(xué)觀察裝置優(yōu)點(diǎn)：
3. 真空自耗電極電弧熔煉工藝
真空自耗電弧爐冶煉的工藝流程分為四個(gè)階段：準(zhǔn)備階段、開始階段、熔煉階段、熱封頂階段。
3.1 準(zhǔn)備階段
準(zhǔn)備階段的工作包括裝錠、焊接與抽真空。
（1）裝錠
裝錠前清理結(jié)晶器內(nèi)壁，防止上次冶煉殘?jiān)绊懞辖鹳|(zhì)量。裝入輔助電極，用天車將結(jié)晶器放入爐座下的水冷套內(nèi)，并將原料錠放入結(jié)晶器內(nèi)。調(diào)校自耗原料錠處于結(jié)晶器中心位置，完成裝錠工作。
（2）焊接
焊接的任務(wù)是將組焊好的自耗電極在真空或氬氣保護(hù)下焊接在輔助電極（位于原料錠和夾料桿之間，也稱為假電極）上，確保焊直、焊牢、焊縫能透過工作電流，并不發(fā)生氧化。
焊接前，將輔助電極裝在夾料桿下，卡好，封閉爐體，啟動(dòng)真空系統(tǒng)，當(dāng)爐內(nèi)真空度達(dá)到焊接要求即可焊接。焊接過程即為一次短暫熔煉，時(shí)間長(zhǎng)短取決于電極材質(zhì)和大小。與熔煉不同，焊接過程中，熔煉輔助電極，原料錠作為底墊。原料錠表面熔化一定深度后，斷電并壓下輔助電極使之與原料錠粘合，完成焊接。冷卻后開爐檢查牢固度。否則，重新焊接。
（3）抽真空
準(zhǔn)備階段最后操作，焊接完成后，閉合爐體，拉起電極，啟動(dòng)真空系統(tǒng)，當(dāng)爐內(nèi)真空達(dá)到 0.3Pa 以下，開始起弧熔煉。抽真空時(shí)間一般需要兩個(gè)小時(shí)左右。
3.2 開始階段
起弧方法為在結(jié)晶器底面上放置引弧劑（同材質(zhì)金屬顆粒），使引弧劑和自耗電極端面距離在20~30mm。提高空載電壓（即開路電壓）到 80V 左右。在空載電壓下，借助自耗電極與引弧劑之間瞬間接觸產(chǎn)生弧光放電，進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)定的電弧燃燒，造成一定量的金屬熔池，為過渡到正常熔煉創(chuàng)造條件。
開始起弧期為電弧最不穩(wěn)定期，為不損壞坩堝底部，保持較小電弧電流（一般1kA 左右），隨著起弧過程緩慢增大，但小電流易造成斷弧，小弧壓易造成短弧。因此，一旦起弧，立即控制電弧為恒定短弧工作狀態(tài)，通過電弧電壓控制電弧長(zhǎng)度，一般為 25V-40V 。
引弧期盡量短，攪拌磁場(chǎng)強(qiáng)于正常熔煉時(shí)期，盡快建立熔池，減少鑄錠切除量。
3.3 熔煉階段
起弧弧期結(jié)束以后，逐漸增加熔煉電流，迅速轉(zhuǎn)入正常熔煉期。
熔煉期操作直接影響熔煉金屬質(zhì)量。待熔池覆蓋坩堝底部，按照工藝曲線要求進(jìn)行熔煉。同時(shí)控制好熔煉電壓、熔煉速率、真空度、冷卻水流量等工藝參數(shù)。
熔煉電流一定時(shí)，電弧過長(zhǎng)，熱量不集中，表現(xiàn)為金屬熔池呆滯，表面有飄浮的雜質(zhì)，金屬的污染程度增加，并容易發(fā)生邊弧，造成事故；弧長(zhǎng)過短，易造成電弧頻繁短路而使熔池溫度急劇變化，熔化速度隨之波動(dòng)較大，同時(shí)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重噴濺；弧長(zhǎng)正常時(shí)，熔池十分清晰活躍，溶液緩慢波動(dòng)并將雜質(zhì)膜推向結(jié)晶器壁。
3.4 熱封頂階段
熱封頂又稱補(bǔ)縮，為保證鑄錠重熔后頂部和底部結(jié)晶一致，盡量減少頂部的縮孔現(xiàn)象，提高金屬利用率。
熱封頂?shù)哪康氖菫榱藴p少鑄錠頭部的縮孔，降低鑄錠的切頭量，提高錠坯的成材率。在熔煉工藝的后期必須對(duì)鑄錠頂部進(jìn)行熱封頂工藝操作，使熔池緩慢變淺逐漸冷卻凝固。使頂部結(jié)晶盡量均勻一致，防止出現(xiàn)金屬縮孔。熱封頂過程是一個(gè)分階段減小電流并保持的過程。
為了確定最佳封頂開始時(shí)間，傳統(tǒng)自耗電弧爐一般采用電極桿行程或平均熔速法計(jì)算確定預(yù)留電極量，也可通過確定剩余電極重量測(cè)量判斷熱封頂開始時(shí)間。在熔煉過程中，當(dāng)鈦錠重量達(dá)到熱封頂初始之后，自動(dòng)進(jìn)入熱封頂階段，按照電流斜率均勻的減少熔化電流。
4. 真空電弧熔煉關(guān)鍵參數(shù)
4.1 電弧電壓
電弧電壓是真空電弧熔煉重要參數(shù)之一，主要反映電弧長(zhǎng)度及其穩(wěn)定性，及對(duì)產(chǎn)品脫氣效果的影響，是控制工藝過程和和產(chǎn)品質(zhì)量的重要參數(shù)?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的真空自耗電弧爐，所用電弧電流較大，電弧的靜態(tài)特性均屬于上升特性。
電弧電壓是電弧長(zhǎng)度的函數(shù)，電弧電流給定時(shí)，電弧電壓與弧長(zhǎng)在一定范圍內(nèi)可近似表示為：Lh=kUδ，實(shí)際生產(chǎn)中可用電弧電壓來控制電弧長(zhǎng)度。在真空下電弧長(zhǎng)度與電弧電壓之間的關(guān)系如圖所示?？梢钥闯?，再 AB 段范圍內(nèi)，電弧電壓隨著電弧長(zhǎng)度增加而迅速升高并且反應(yīng)靈敏；在BC段則不存在該種關(guān)系。
弧長(zhǎng)與弧壓關(guān)系圖
一般采用短弧熔煉時(shí)，熔煉電壓Un很小，對(duì)于難熔、活性金屬及其合金電弧電壓在30~40V之間，爐子工作電壓與重熔金屬的種類、氣體介質(zhì)種類有關(guān)，在氬氣氣氛下熔煉時(shí)， Un值比真空熔煉時(shí)高10V左右。真空電弧熔煉點(diǎn)電壓的具體數(shù)值隨金屬種類、弧長(zhǎng)和爐子結(jié)構(gòu)特征而異。
由于熔化電流很大（1~24k A），因此，電弧電壓一定時(shí)，必須考慮電阻電壓降，即電壓給定（Un ）=理論電弧電壓（Uδ）+電阻電壓降（?U）。實(shí)際生產(chǎn)中，常常因未考慮電阻電壓而導(dǎo)致出現(xiàn)熔煉電壓不正常的情況，嚴(yán)格的工藝一般要求由電弧電流的大小來確定電弧電壓。
4.2 電弧電流
自耗電極熔煉中最重要的參數(shù)是電弧電流，電弧電流的大小直接影響電弧能否穩(wěn)定燃燒、金屬熔化快慢、熔池溫度高低、熔池深度以及鑄錠質(zhì)量等。
電弧電流主要由電極材料、鑄錠規(guī)格和坩堝比（即電極直徑與坩堝內(nèi)徑之比）決定，其電源類型、極性、爐子結(jié)構(gòu)和熔煉室氣壓等也影響其最佳值。為了獲得優(yōu)質(zhì)錠，需要維持恒定的熔煉條件。因此、在熔煉大錠時(shí)，初期加大電弧電流，以補(bǔ)償?shù)鬃?、坩堝?duì)金屬錠的冷卻；在熔煉后期，由于爐內(nèi)溫度較高，應(yīng)減小電弧電流，維持熔池溫度恒定。
4.3 熔煉真空度
真空度對(duì)熔煉過程產(chǎn)品質(zhì)量以及安全操作具有重要影響，主要影響了電弧穩(wěn)定性、弧長(zhǎng)、金屬損耗、金屬純度和蒸發(fā)損失。從理論上講，真空度的確定取決于所熔煉金屬的種類、化學(xué)組成、蒸汽壓的大小、電弧的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量等許多因素，不一定純粹追求高真空度。從電弧的穩(wěn)定性和杜絕輝光放電條件而言，保持10mmHg是為了防止熔煉重金屬的突然放氣，致使真空度降到輝光放電的臨界壓力區(qū)間，實(shí)際的真空度要比5~10mm Hg高一些。根據(jù)不同的真空度要求，變頻調(diào)節(jié)的真空系統(tǒng)才是合理的。
4.4 坩堝冷卻
坩堝冷卻水帶走干溝收到的所有熱量，否則坩堝會(huì)因溫度升高強(qiáng)度下降而失去正常性能，因此，選擇坩堝冷卻方式很重要。
目前世界各國(guó)采用的坩堝冷卻方式有三種：水套式、淋水式和鈉鉀合金冷卻式。其中水套式應(yīng)用最廣泛。
冷卻水溫差通?？刂圃?span lang="EN-US">10℃以內(nèi)，最多不超過30℃。如果使用沒有軟化的水，出水溫度不應(yīng)大于45℃，因?yàn)樵?span lang="EN-US">45℃以上時(shí)，水中鹽分將沉淀下來，結(jié)成水垢。軟化水允許出水溫度小于60℃。
真空自耗電極電弧爐部分設(shè)備實(shí)物圖如下：
真空自耗電極電弧爐[5]
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