自耗電極熔煉爐

自耗電極熔煉爐（VAR）又稱真空自耗電極電弧熔煉，是在真空環境下，感應熔煉爐生產的自耗電極通過可控交流電弧加熱熔煉。目前，生產鈦及鈦合金鑄錠的基本方法仍為真空自耗電弧熔煉。

基本介紹

• 中文名：自耗電極熔煉爐
• 外文名：The consumable electrode melting furnace
• 學科：冶金工程
• 領域：冶煉
• 別稱：真空自耗電極電弧熔煉
• 簡稱：VAR

技術介紹

目前，生產鈦及鈦合金鑄錠的基本方法仍為真空自耗電弧（VAR）熔煉。真空自耗電弧熔煉技術廣泛用於優質高溫合金和航空鈦合金鑄錠的生產，是一種成熟的工業熔煉方法。其特點是熔煉速度快，可生產大型鑄錠，生產的鑄錠基本上可滿足一般工業的要求。用於重熔的目的在於生產緻密、無缺陷、成分均勻，具有所要求的化學成分、尺寸和晶粒結構的鑄錠。為了實現熔煉過程自動化，提高冶金質量，儘管VAR 法的基本設計沒有太大的改變，但在控制系統和熔煉工藝調整方面仍在不斷改進，並取得了很大進步。下面簡述真空自耗電弧熔煉技術的原理和特點，結合鈦合金熔煉鑄錠的缺陷特徵，較詳細介紹了真空自耗電弧爐熔煉技術的發展過程及取得的進展。最後寄語VAR 技術尚需完善的幾點期待。

原理及特點

VAR 爐由真空系統、電極驅動機械系統、銅坩堝及冷卻循環系統、直流電源、自動和手動控制系統、穩弧攪拌系統、監測和自動記錄系統等部分組成。

熔煉時，在真空下，利用電極和坩堝兩極間電弧放電產生的高溫做熱源，將電極熔化。電極由被熔鍊金屬材料製成，在熔煉中自耗電極不斷地熔化，同時，鑄錠自下而上地在結晶器中連續凝固增高。

VAR 熔煉工藝的基本流程為：混料→壓制電極→電極和殘料焊接成自耗電極→熔煉→鑄錠處理→檢驗。

由於坩堝直徑一般比電極大0.050~0.150 m，電極必須以一定速度向下移動，以保持電極端部與熔池間距恆定。冷卻水將坩堝壁熱量帶走，使熔融金屬在坩堝壁凝固。對於易於偏析的鎳基高溫合金，熔煉速度相對較低（3~4 kg/min），可以形成穩定的凝固模式，即形成盆形的熔池和熔池下面凝固鑄錠。對於很多鈦合金，熔煉速度較高（10~35 kg/min），不可能形成穩定的凝固前沿，熔池深度在整個熔煉過程中在不停增加。VAR 爐現已處於較為完善的階段，在結構上具有同軸性、再現性和靈活性的特徵，正在向更大容量和遠距離精確操作發展。VAR 爐採用先進的計算機自動電控和數據收集系統，能夠對給定的合金和鑄錠規格建立良好的熔煉模式。

VAR 熔煉技術具有以下特點：

① 去除氫等氣體；

② 降低高蒸氣壓微量元素的含量；

③ 得到從下向上的近定向凝固柱狀晶，從而降低巨觀偏析和微觀偏析。

可能的缺陷

評價鈦及鈦合金鑄錠冶金質量的好壞，主要有以下幾點：

① 化學成分均勻，各合金元素含量不僅達到標準要求，而且要穩定地控制在一個最佳的含量水平；

② 主要雜質（Fe，O 等）含量控制在適當範圍，其它雜質符合標準要求；

③ 鑄錠內部無雜質、偏析、氣孔、裂紋、縮孔和疏鬆等冶金缺陷；

④ 鑄錠表面光滑，無冷隔、折皺等表面缺陷，頭部縮孔切除量小，鑄錠成品率高；

⑤ 合理的形狀和精確的尺寸，適合壓力加工的要求，否則會增加工藝廢品，降低成品率。

其中與熔煉工藝相關的冶金缺陷主要是第③點和第④點，即成分偏析和表面質量。鈦合金中的偏析主要包括α偏析和β偏析兩大類。在熔化過程中，鑄錠自下而上地在結晶器中連續凝固增高，冷卻條件、熔池形狀和深度等均不是一成不變的，且合金元素在凝固結晶時的分配係數各異，這樣，不可避免地使合金元素或化合物在樹枝狀晶間富集而形成偏析。偏析程度與原料質量、粒度、合金元素在電極中的分布和分配係數、凝固速率、熔煉時的掉塊、熔池深淺、液相的自然和受迫運動、擴散、晶粒尺寸及晶體形成的方式等諸多因素有關，還與具體操作工藝如熔煉速度、磁場攪拌等有關。

1 巨觀偏析

儘管VAR 熔煉鈦合金的鑄錠偏析問題與熔煉鋼和超合金的偏析問題非常相似，但鈦合金仍具有其獨特的地方。近α合金和純鈦具有非常小的固/液相區間，其凝固模式類似於純金屬。只有β合金和近β合金的凝固模式具有枝晶界面。另外，鈦合金凝固時以固溶β晶粒的形式析出，一般不出現一次析出沉澱相。

α合金、近α合金和CPTi 的凝固前沿為平面狀，凝固過程中只有出現巨觀偏析的可能性，在大截面的鑄錠中，注意控制Al 和微量元素O，Fe，Cu 的巨觀偏析。Al 含量偏析主要是由補縮階段熔煉速度降低引起的Al 揮發損失增加造成的。

β合金和近β合金的凝固前沿為枝晶狀，有可能出現一次枝晶間的微觀偏析。這種合金不易出現巨觀偏析，但可能出現β斑或環狀偏析。β斑是β穩定元素較多的區域。環狀偏析的形成原因為，在枝晶凝固前沿存在微量的溶質富集，當熔煉速度或功率變化時，凝固平衡被破壞而引起溶質含量變化，同時引起凝固界面中溶質含量變化。這種成分變化一般很小，低於10%溶質含量。因此，環狀偏析的寬度也很小，一般低於100~300 μm。

2 α 微觀偏析

α偏析又可分為I 型偏析和Ⅱ型偏析。很早以前，人們在使用鈦材時就注意到材料中有一些微小的α相富集區，這些區域硬度比基體硬度高很多，對這些區域進行分析發現，N，O，C 含量較高，人們稱這類缺陷為I 型缺陷或硬α缺陷。它是由N，O 等α穩定元素局部富集且與鈦形成氮化物和氧化物而引起的。這類化合物的特徵是硬而脆。

α偏析嚴重損害材料的疲勞強度和塑性，是飛機發動機等用材致命性的缺陷。N，O，C 的主要來源是海綿鈦及添入的廢料，或者是在製作自耗電極過程中，焊接帶入。其預防措施主要是嚴格控制海綿鈦質量，提高自耗電極焊接過程的真空度和清潔度。

Ⅱ型缺陷是Al 等α穩定元素局部富集而引起的。主要發生在鑄錠上部，表現為局部的Al 含量升高，人們又稱這類缺陷為軟α缺陷。這類缺陷的硬度通常與基體硬度相差無幾，具有延伸性，不會因加工帶來裂紋，且較小的缺陷不會對力學性能產生影響。Ⅱ類缺陷不是由於凝固偏析形成的，用傳統的凝固理論不能圓滿地解釋Ⅱ類偏析。

D.W.Tripp等認為是由於鑄錠中縮孔和空洞而引起的。由於在熱的鈦合金鑄錠中形成縮孔，在空洞內部有少量的空氣，且空洞中的氣體壓力十分低。

在這種情況下，鋁（或任何在高溫下具有相對高的揮發性的合金化元素）迅速從很熱空洞金屬表面蒸發進入空洞，當達到露點時，蒸氣冷凝或同時在空洞較冷的表面處冷凝。這樣，空洞的某些表面可能形成鋁、錫或其它易蒸發元素的富集，而有些表面有可能形成這些元素的貧化。其預防措施是延長補縮時間，但這樣又會增加這些元素的揮發損失，尤其是當鑄錠直徑較大時。為了解決上述矛盾，可以採取在補縮位置增加元素含量以補償揮發損失或適當地減少補縮時間等方法。

3 β 微觀偏析

β穩定元素含量較高的α+β兩相鈦合金、β合金和近β合金容易形成β偏析，其主要表現形式就是所謂的β斑，即β穩定元素局部富集區。β斑的形成原因為，在凝固過程中，在柱狀晶前沿出現等軸晶，這些等軸晶簇沉澱在液態熔池底部，由於溶質元素的平衡分配係數不同，等軸晶簇間的液態熔池中的溶質元素含量出現偏析，並被保存下來所至。減少β斑的方法，可從以下三個方面考慮：其一，減小鑄錠的尺寸，使其迅速凝固；其二， 把易於引起β斑點元素的含量降低，控制在近於標準的下限水平；其三，只要其他條件允許，可降低熔煉速度，儘量減小熔池深度。

4 合金元素貧化偏析

合金元素貧化偏析又稱為亮偏析，主要表現形式為基體中合金元素的貧化。分析認為，這類偏析的原因主要與原料粒度過大、熔煉過程不正常掉塊以及焊接和熔煉時起弧料使用不當有關。熔煉工藝參數以及電磁攪拌僅起一個輔助作用。對這類偏析，一般採取增加電極機械強度、一個一次鑄錠熔化一個成品鑄錠、增加熔煉次數等措施，同時加強工藝監督，穩定工藝制度。

技術發展

VAR 熔煉技術是否可以成功地熔煉易偏析合金取決於下面兩個因素。

（1） 熔煉過程必需穩定只有這樣才能保證向凝固區連續提供成分均勻的熔融金屬。任何引起凝固區域熔融金屬流場波動的凝固過程都會引起溶質成分的變化，造成巨觀偏析。穩定的凝固過程決定於電弧行為，要求電弧穩定。穩定的電弧要求：原料純淨；電極與熔池間隙相對較小（真空下0.06~0.010 m）；不存在由非同軸供電、永磁體和其他設備引起的雜散磁場。值得指出的是，（5~10）×10- 4 T的橫向磁場就可影響電弧，造成能量軸向不對稱分布。穩定的凝固過程還決定於冷卻速度。它不僅需要冷卻速度穩定，而且還要隨熔煉速度的變化而變化，從而根據所熔煉材料和鑄錠直徑形成最佳熔池形狀。

（2） 水平方向的凝固過程它影響著水平方向產生偏析。水平方向偏析出現在晶粒生長方向垂直於鑄錠軸向的區域。為使熔池較淺和深度恆定，必須保證從鑄錠中心帶走足夠的熱量。但如果熔池太淺，溫度梯度太高，在鑄錠邊部產生溶質貧化現象。因此，對於一定的材料和鑄錠尺寸，熔速和冷卻速度必須相互匹配。事實上，直徑大於0.6 m 的易偏析鎳基合金是很難生產的，因為即使滿足建立熔池的最小功率條件，也不能有效地從鑄錠中心帶走足夠的熱量。必須指出，對於每一爐次，起弧和補縮是最容易產生偏析缺陷、但又是極難避免的。

對於不易偏析的合金（如許多鈦合金）則比易偏析合金容易熔煉。如果不存在通道偏析，就可以採用大熔速，提高生產效率，生產大直徑鑄錠。但必需保證電弧均勻地加熱電極端部和熔池，以獲得優良的鑄錠表面，減少鑄錠扒皮量。在大電流下熔煉大直徑鑄錠時，由於軸向對稱磁場的存在，電弧被束縛在電極端部，電弧行為非常不理想，改善措施是增大電極間隙，採用換向攪拌磁場。可見，成功熔煉不易偏析合金的關鍵在於控制電弧，即控制電極間隙、攪拌磁場和磁場換向間隔。其它影響大電流鈦合金熔煉的因素包括爐室氣氛、坩堝塗層、爐體同軸性等。如果爐室漏氣，不僅鑄錠會被污染，而且還會引起電弧不穩定。

1 電極間隙控制

電極間隙（即兩極間的距離）的精確控制是提高VAR 熔煉鑄錠質量的重要技術保證。現在的熔煉控制系統屬於簡單的單輸入單輸出型，假設僅需主動地、獨立地閉環控制一個或兩個參數就可以有效控制整個過程，簡化了工藝參數與鑄錠質量的關係。由於熔煉過程的複雜性，這一簡化有時不能得到符合質量要求的鑄錠。為解決這一問題，必須開發新一代VAR 熔煉控制系統。該系統應基於對熔煉、凝固過程動力學和不同控制參數對鑄錠質量影響的更加深入理解，必須能夠快速準確地測定熔煉狀態和自動進行適當地反應。現代高性能計算機已經使提高系統反應速度、監測和測定多個工藝變數以及進行複雜運算成為可能。通常VAR 熔煉只是簡單地控制電流恆定和電極下降速度（即電壓）兩個參數。電壓恆定，則電極間隙恆定。但事實並非如此，電壓對電極間隙不敏感，特別在低於20 kA 電流下，電壓並非僅僅決定於電極間隙。因此，用電壓控制電極間隙的方法通常只適用於大電流熔煉。然而，即使在35~40 kA 電流下，通過控制電壓來控制電極間隙也經常失敗。

電弧接觸坩堝壁造成坩堝打孔的問題促使小電極間隙控制系統的產生。1957 年Cooper 和Dilling（Titanium Metals Corporation）的專利建議電極下降速度略高於電極實際熔化速度，一旦電極與熔池接觸，電極迅速提升預設高度。基於這一控制理論，又有許多進展。R.C.Buehl（Crucible Steel Companyof America）提出了瞬時短路法，通過監測電極端部熔滴與熔池的瞬時短路，可以知道電極已經與熔池非常接近。一旦監測到熔滴短路信號（持續0.1~0.3 s），電極被迅速提升一個預設高度。該方法的進一步最佳化措施是立即停止電極下降或降低電極下降速度。在今天，仍有許多VAR 熔煉控制系統採取這種控制原理或其發展理論。

以上控制方法對於生產優質合金來說仍然不能滿足要求。為此，需要一種控制方法，能夠在一定範圍內保持電極間隙穩定。1958 年，E.W.Johnson（Westinghouse Electric Corporation）提出一項專利，可以保持電極間隙穩定，通過控制電極位置，使每秒內熔滴短路次數在一個預設的範圍內。1965年，Murtland，Rebhun 和Jackson 提出一種類似的算法，稱為哈希算法，它是通過監測熔滴短路後電弧重燃時的正電壓尖峰信號來實現的。

R.J.Robert（Consarc Corporation）提出一種電極驅動速度控制系統。該系統採用熔速和電極電信號作為控制系統輸入。其中熔速通過電極稱重裝置計算出來，電極下降基本速度以實際熔速確定，再由電信號進行修正。這種方法代表著VAR 熔煉控制技術的進步，因為它採用了基本速度控制方法和多點、獨立數據流控制單個熔煉參數。

SMPC（Specialty Metals Processing Consortium）最新的研究目標是開發一種電極間隙控制技術，該技術充分利用現有的工藝知識、控制方法、感應器技術、建模技術和計算能力的最新進展，製作了控制器。控制器的輸入是熔煉速度，輸出是電極下降速度。爐子的輸出信號，如熔煉電流、電弧電壓、電極重量、電極位置等參數，用於對實際熔煉速度進行修正。該技術的創新之處在於採用了Kalman過濾算法，將多點、獨立的電極間隙信號合成為一個最佳化的實際熔煉速度參考信號。Kalman 過濾算法負責消除噪聲干擾和最小化變數實際值與修正值平方差。另外，Kalman 過濾算法還包括一個實驗確定的模型，用於從監測數據中區別錯誤數據。該技術的另一個創新之處是採用了適應性增益修正算法。該算法根據爐子的輸出信號修正Kalman 過濾器和控制器的增益值。SMPC 的電極間隙控制方法已經在Allvac Corporation 試驗成功。

2 熔煉速度控制

穩定的熔煉速度，可以保證固/液凝固界面溫度梯度穩定，使凝固過程連續平穩地進行，從而保證鑄錠冶金質量，避免產生偏析缺陷。現代VAR 爐裝備有稱重系統，可以線上監測和記錄自耗電極的重量，計算熔煉速度。由於測量數值的波動，採用簡單的微分放大算法會產生非常大的偏差，為了解決此問題，所得到的稱重數據需要經過過濾、快取，然後用線性最小二乘回歸等算法進行修正，這樣計算所得的熔煉速度滯後於實際速度約5~10 min。

在熔煉過程穩定後的階段，穩定的熔煉電流保證了熔煉速度的穩定。然而在熔煉開始階段和熔煉結束的補縮階段，以及如壓力變化等外部因素引起熔煉速度變化時，上述模型不能很好地調整熔煉電流以控制熔煉速度，熔煉速度不穩定勢必引起凝固速度的變化，有可能引起偏析缺陷。Williamson等開發了動態熔速控制模型，該模型考慮了電極熱邊界層、電極間隙、電極行程位置和電極重量等參數，電極間隙和熔煉速度設定值作為操作輸入參數，熔煉電流和電極驅動信號作為輸出參數。在CarpenterTechnology Corporation 的VAR 熔煉實驗中表明，該模型可以在熔煉起始階段，補縮階段和電極尺寸發生變化時精確地控制熔煉速度。

3 同軸供電

實踐證明，流過坩堝的電流不對稱，供電線路及附近設備磁場的影響都會引起熔池的瞬時轉動，進一步影響鑄錠的結晶凝固並降低冶金質量，特別是大型鑄錠尤為明顯。消除雜散磁場對熔化過程的影響，關鍵在於如何儘可能合理地設計與製造爐子的結構，最佳化配置爐子的支撐結構件，合理選擇製造爐子各部件的金屬材料，正確設計與安裝從整流器到爐子內部的整個電流迴路，最終達到爐子及熔化區域電磁環境的“潔淨”配置。同軸供電系統就

是基於以上要求建立的供電系統。通過控制導體周圍的磁場提供絕對對稱的電流分布及電流流動、保持整流器和爐子之間的電纜與母排形成的迴路引線平行、儘可能減少外部磁場作用範圍、縮小感應迴路、儘量避免坩堝頂部附近電纜的過度下垂等措施，達到消除雜散磁場的目的。

4 X -Y 對中

在電極焊接和熔煉過程中，電極與坩堝不對中一方面影響液態熔池中的熱量分布，從而引起鑄錠的凝固偏析和鑄錠的表面質量，另一方面會因為電極離坩堝太近發生擊穿坩堝和爆炸的危險。X- Y 對中系統可以靈活地調節電極在坩堝中的位置，保證電極與坩堝同軸，避免以上問題的發生。

總結

VAR 熔煉技術作為一項成熟的技術，可以成功地熔煉易偏析和高活性的金屬材料，已經在鈦合金熔煉中廣泛套用。但仍存在以下不足：

① 熔煉易偏析合金元素多的鈦合金時，仍然存在出現巨觀偏析和微觀偏析的可能性；② 熔煉工藝過程由一個或兩個輸出信號控制，受到多個變數的影響；

③ 儘管對這些輸出信號採用了閉環控制方法，但這些控制技術實際是開環控制的，因為熔煉設定值與實際凝固過程沒有緊密聯繫，從而不可避免地產生鑄錠凝固過程的波動，引起成分偏析。

VAR 熔煉控制的發展目標是希望最終能夠通過處理熔煉過程的邊界條件來動態控制凝固過程。儘管這項控制技術的實現還需要一段時間，但一些基礎性工作已經開展。需要將相關的熔煉和凝固動力學知識全部編入模型。另外，為獲得相關的工藝狀態變數，爐子必須裝備有足夠複雜的工藝過程監測和診斷系統。該項控制技術相應的控制系統，計算量非常大，需要計算性能非常高的計算機，但這將是真正的閉環控制系統。熔煉過程決定於其邊界條件，一旦邊界條件能夠被完全控制，整個熔煉過程，即鑄錠質量將得到完全控制。然而由於熔煉過程中總是存在無法預測的情況、外來干擾和噪聲輸出，所以熔煉邊界條件不可能完全確定。一旦這些意外情況能夠被測定或識別，可以建立模型進行熔煉過程的線上監測分析，從而對鑄錠質量進行線上評估，智慧型化地確定鑄錠的哪個部位存在凝固缺陷。這樣的控制系統不但能夠生產尺寸更大、質量更高的合金鑄錠，而且能夠生產新的、更易於偏析的合金鑄錠。