自耗電極熔煉爐總結(jié)

VAR 熔煉技術(shù)作為一項(xiàng)成熟的技術(shù)，可以成功地熔煉易偏析和高活性的金屬材料，已經(jīng)在鈦合金熔煉中廣泛應(yīng)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(shí)，仍然存在出現(xiàn)宏觀(guān)偏析和微觀(guān)偏析的可能性；② 熔煉工藝過(guò)程由一個(gè)或兩個(gè)輸出信號(hào)控制，受到多個(gè)變量的影響；

③ 盡管對(duì)這些輸出信號(hào)采用了閉環(huán)控制方法，但這些控制技術(shù)實(shí)際是開(kāi)環(huán)控制的，因?yàn)槿蹮捲O(shè)定值與實(shí)際凝固過(guò)程沒(méi)有緊密聯(lián)系，從而不可避免地產(chǎn)生鑄錠凝固過(guò)程的波動(dòng)，引起成分偏析。

VAR 熔煉控制的發(fā)展目標(biāo)是希望最終能夠通過(guò)處理熔煉過(guò)程的邊界條件來(lái)動(dòng)態(tài)控制凝固過(guò)程。盡管這項(xiàng)控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)還需要一段時(shí)間，但一些基礎(chǔ)性工作已經(jīng)開(kāi)展。需要將相關(guān)的熔煉和凝固動(dòng)力學(xué)知識(shí)全部編入模型。另外，為獲得相關(guān)的工藝狀態(tài)變量，爐子必須裝備有足夠復(fù)雜的工藝過(guò)程監(jiān)測(cè)和診斷系統(tǒng)。該項(xiàng)控制技術(shù)相應(yīng)的控制系統(tǒng)，計(jì)算量非常大，需要計(jì)算性能非常高的計(jì)算機(jī)，但這將是真正的閉環(huán)控制系統(tǒng)。熔煉過(guò)程決定于其邊界條件，一旦邊界條件能夠被完全控制，整個(gè)熔煉過(guò)程，即鑄錠質(zhì)量將得到完全控制。然而由于熔煉過(guò)程中總是存在無(wú)法預(yù)測(cè)的情況、外來(lái)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(cè)定或識(shí)別，可以建立模型進(jìn)行熔煉過(guò)程的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)分析，從而對(duì)鑄錠質(zhì)量進(jìn)行在線(xiàn)評(píng)估，智能化地確定鑄錠的哪個(gè)部位存在凝固缺陷。這樣的控制系統(tǒng)不但能夠生產(chǎn)尺寸更大、質(zhì)量更高的合金鑄錠，而且能夠生產(chǎn)新的、更易于偏析的合金鑄錠 。

VAR 熔煉技術(shù)是否可以成功地熔煉易偏析合金取決于下面兩個(gè)因素。

（1） 熔煉過(guò)程必需穩(wěn)定只有這樣才能保證向凝固區(qū)連續(xù)提供成分均勻的熔融金屬。任何引起凝固區(qū)域熔融金屬流場(chǎng)波動(dòng)的凝固過(guò)程都會(huì)引起溶質(zhì)成分的變化，造成宏觀(guān)偏析。穩(wěn)定的凝固過(guò)程決定于電弧行為，要求電弧穩(wěn)定。穩(wěn)定的電弧要求：原料純凈；電極與熔池間隙相對(duì)較?。ㄕ婵障?.06~0.010 m）；不存在由非同軸供電、永磁體和其他設(shè)備引起的雜散磁場(chǎng)。值得指出的是，（5~10）×10- 4 T的橫向磁場(chǎng)就可影響電弧，造成能量軸向不對(duì)稱(chēng)分布。穩(wěn)定的凝固過(guò)程還決定于冷卻速度。它不僅需要冷卻速度穩(wěn)定，而且還要隨熔煉速度的變化而變化，從而根據(jù)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(guò)程它影響著水平方向產(chǎn)生偏析。水平方向偏析出現(xiàn)在晶粒生長(zhǎng)方向垂直于鑄錠軸向的區(qū)域。為使熔池較淺和深度恒定，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(chǎn)生溶質(zhì)貧化現(xiàn)象。因此，對(duì)于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(shí)上，直徑大于0.6 m 的易偏析鎳基合金是很難生產(chǎn)的，因?yàn)榧词節(jié)M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(duì)于每一爐次，起弧和補(bǔ)縮是最容易產(chǎn)生偏析缺陷、但又是極難避免的。

對(duì)于不易偏析的合金（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，就可以采用大熔速，提高生產(chǎn)效率，生產(chǎn)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(yōu)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(shí)，由于軸向?qū)ΨQ(chēng)磁場(chǎng)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，采用換向攪拌磁場(chǎng)?？梢?jiàn)，成功熔煉不易偏析合金的關(guān)鍵在于控制電弧，即控制電極間隙、攪拌磁場(chǎng)和磁場(chǎng)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、坩堝涂層、爐體同軸性等。如果爐室漏氣，不僅鑄錠會(huì)被污染，而且還會(huì)引起電弧不穩(wěn)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(zhì)量的重要技術(shù)保證。熔煉控制系統(tǒng)屬于簡(jiǎn)單的單輸入單輸出型，假設(shè)僅需主動(dòng)地、獨(dú)立地閉環(huán)控制一個(gè)或兩個(gè)參數(shù)就可以有效控制整個(gè)過(guò)程，簡(jiǎn)化了工藝參數(shù)與鑄錠質(zhì)量的關(guān)系。由于熔煉過(guò)程的復(fù)雜性，這一簡(jiǎn)化有時(shí)不能得到符合質(zhì)量要求的鑄錠。為解決這一問(wèn)題，必須開(kāi)發(fā)新一代VAR 熔煉控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)基于對(duì)熔煉、凝固過(guò)程動(dòng)力學(xué)和不同控制參數(shù)對(duì)鑄錠質(zhì)量影響的更加深入理解，必須能夠快速準(zhǔn)確地測(cè)定熔煉狀態(tài)和自動(dòng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)胤磻?yīng)。現(xiàn)代高性能計(jì)算機(jī)已經(jīng)使提高系統(tǒng)反應(yīng)速度、監(jiān)測(cè)和測(cè)定多個(gè)工藝變量以及進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算成為可能。通常VAR 熔煉只是簡(jiǎn)單地控制電流恒定和電極下降速度（即電壓）兩個(gè)參數(shù)。電壓恒定，則電極間隙恒定。但事實(shí)并非如此，電壓對(duì)電極間隙不敏感，特別在低于20 kA 電流下，電壓并非僅僅決定于電極間隙。因此，用電壓控制電極間隙的方法通常只適用于大電流熔煉。然而，即使在35~40 kA 電流下，通過(guò)控制電壓來(lái)控制電極間隙也經(jīng)常失敗。

電弧接觸坩堝壁造成坩堝打孔的問(wèn)題促使小電極間隙控制系統(tǒng)的產(chǎn)生。1957 年Cooper 和Dilling（Titanium Metals Corporation）的專(zhuān)利建議電極下降速度略高于電極實(shí)際熔化速度，一旦電極與熔池接觸，電極迅速提升預(yù)設(shè)高度。基于這一控制理論，又有許多進(jìn)展。R.C.Buehl（Crucible Steel Companyof America）提出了瞬時(shí)短路法，通過(guò)監(jiān)測(cè)電極端部熔滴與熔池的瞬時(shí)短路，可以知道電極已經(jīng)與熔池非常接近。一旦監(jiān)測(cè)到熔滴短路信號(hào)（持續(xù)0.1~0.3 s），電極被迅速提升一個(gè)預(yù)設(shè)高度。該方法的進(jìn)一步優(yōu)化措施是立即停止電極下降或降低電極下降速度。仍有許多VAR 熔煉控制系統(tǒng)采取這種控制原理或其發(fā)展理論。

以上控制方法對(duì)于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)合金來(lái)說(shuō)仍然不能滿(mǎn)足要求。為此，需要一種控制方法，能夠在一定范圍內(nèi)保持電極間隙穩(wěn)定。1958 年，E.W.Johnson（Westinghouse Electric Corporation）提出一項(xiàng)專(zhuān)利，可以保持電極間隙穩(wěn)定，通過(guò)控制電極位置，使每秒內(nèi)熔滴短路次數(shù)在一個(gè)預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)。1965年，Murtland，Rebhun 和Jackson 提出一種類(lèi)似的算法，稱(chēng)為哈希算法，它是通過(guò)監(jiān)測(cè)熔滴短路后電弧重燃時(shí)的正電壓尖峰信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

R.J.Robert（Consarc Corporation）提出一種電極驅(qū)動(dòng)速度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用熔速和電極電信號(hào)作為控制系統(tǒng)輸入。其中熔速通過(guò)電極稱(chēng)重裝置計(jì)算出來(lái)，電極下降基本速度以實(shí)際熔速確定，再由電信號(hào)進(jìn)行修正。這種方法代表著VAR 熔煉控制技術(shù)的進(jìn)步，因?yàn)樗捎昧嘶舅俣瓤刂品椒ê投帱c(diǎn)、獨(dú)立數(shù)據(jù)流控制單個(gè)熔煉參數(shù)。

SMPC（Specialty Metals Processing Consortium）最新的研究目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種電極間隙控制技術(shù)，該技術(shù)充分利用現(xiàn)有的工藝知識(shí)、控制方法、感應(yīng)器技術(shù)、建模技術(shù)和計(jì)算能力的最新進(jìn)展，制作了控制器?？刂破鞯妮斎胧侨蹮捤俣龋敵鍪请姌O下降速度。爐子的輸出信號(hào)，如熔煉電流、電弧電壓、電極重量、電極位置等參數(shù)，用于對(duì)實(shí)際熔煉速度進(jìn)行修正。該技術(shù)的創(chuàng)新之處在于采用了Kalman過(guò)濾算法，將多點(diǎn)、獨(dú)立的電極間隙信號(hào)合成為一個(gè)優(yōu)化的實(shí)際熔煉速度參考信號(hào)。Kalman 過(guò)濾算法負(fù)責(zé)消除噪聲干擾和最小化變量實(shí)際值與修正值平方差。另外，Kalman 過(guò)濾算法還包括一個(gè)實(shí)驗(yàn)確定的模型，用于從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中區(qū)別錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。該技術(shù)的另一個(gè)創(chuàng)新之處是采用了適應(yīng)性增益修正算法。該算法根據(jù)爐子的輸出信號(hào)修正Kalman 過(guò)濾器和控制器的增益值。SMPC 的電極間隙控制方法已經(jīng)在Allvac Corporation 試驗(yàn)成功。

2 熔煉速度控制

穩(wěn)定的熔煉速度，可以保證固/液凝固界面溫度梯度穩(wěn)定，使凝固過(guò)程連續(xù)平穩(wěn)地進(jìn)行，從而保證鑄錠冶金質(zhì)量，避免產(chǎn)生偏析缺陷?，F(xiàn)代VAR 爐裝備有稱(chēng)重系統(tǒng)，可以在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和記錄自耗電極的重量，計(jì)算熔煉速度。由于測(cè)量數(shù)值的波動(dòng)，采用簡(jiǎn)單的微分放大算法會(huì)產(chǎn)生非常大的偏差，為了解決此問(wèn)題，所得到的稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)過(guò)濾、緩存，然后用線(xiàn)性最小二乘回歸等算法進(jìn)行修正，這樣計(jì)算所得的熔煉速度滯后于實(shí)際速度約5~10 min。

在熔煉過(guò)程穩(wěn)定后的階段，穩(wěn)定的熔煉電流保證了熔煉速度的穩(wěn)定。然而在熔煉開(kāi)始階段和熔煉結(jié)束的補(bǔ)縮階段，以及如壓力變化等外部因素引起熔煉速度變化時(shí)，上述模型不能很好地調(diào)整熔煉電流以控制熔煉速度，熔煉速度不穩(wěn)定勢(shì)必引起凝固速度的變化，有可能引起偏析缺陷。Williamson等開(kāi)發(fā)了動(dòng)態(tài)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(shù)，電極間隙和熔煉速度設(shè)定值作為操作輸入?yún)?shù)，熔煉電流和電極驅(qū)動(dòng)信號(hào)作為輸出參數(shù)。在CarpenterTechnology Corporation 的VAR 熔煉實(shí)驗(yàn)中表明，該模型可以在熔煉起始階段，補(bǔ)縮階段和電極尺寸發(fā)生變化時(shí)精確地控制熔煉速度。

3 同軸供電

實(shí)踐證明，流過(guò)坩堝的電流不對(duì)稱(chēng)，供電線(xiàn)路及附近設(shè)備磁場(chǎng)的影響都會(huì)引起熔池的瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)一步影響鑄錠的結(jié)晶凝固并降低冶金質(zhì)量，特別是大型鑄錠尤為明顯。消除雜散磁場(chǎng)對(duì)熔化過(guò)程的影響，關(guān)鍵在于如何盡可能合理地設(shè)計(jì)與制造爐子的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化配置爐子的支撐結(jié)構(gòu)件，合理選擇制造爐子各部件的金屬材料，正確設(shè)計(jì)與安裝從整流器到爐子內(nèi)部的整個(gè)電流回路，最終達(dá)到爐子及熔化區(qū)域電磁環(huán)境的“潔凈”配置。同軸供電系統(tǒng)就

是基于以上要求建立的供電系統(tǒng)。通過(guò)控制導(dǎo)體周?chē)拇艌?chǎng)提供絕對(duì)對(duì)稱(chēng)的電流分布及電流流動(dòng)、保持整流器和爐子之間的電纜與母排形成的回路引線(xiàn)平行、盡可能減少外部磁場(chǎng)作用范圍、縮小感應(yīng)回路、盡量避免坩堝頂部附近電纜的過(guò)度下垂等措施，達(dá)到消除雜散磁場(chǎng)的目的。

4 X -Y 對(duì)中

在電極焊接和熔煉過(guò)程中，電極與坩堝不對(duì)中一方面影響液態(tài)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(zhì)量，另一方面會(huì)因?yàn)殡姌O離坩堝太近發(fā)生擊穿坩堝和爆炸的危險(xiǎn)。X- Y 對(duì)中系統(tǒng)可以靈活地調(diào)節(jié)電極在坩堝中的位置，保證電極與坩堝同軸，避免以上問(wèn)題的發(fā)生。

評(píng)價(jià)鈦及鈦合金鑄錠冶金質(zhì)量的好壞，主要有以下幾點(diǎn)：

① 化學(xué)成分均勻，各合金元素含量不僅達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，而且要穩(wěn)定地控制在一個(gè)最佳的含量水平；

② 主要雜質(zhì)（Fe，O 等）含量控制在適當(dāng)范圍，其它雜質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)要求；

③ 鑄錠內(nèi)部無(wú)雜質(zhì)、偏析、氣孔、裂紋、縮孔和疏松等冶金缺陷；

④ 鑄錠表面光滑，無(wú)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(huì)增加工藝廢品，降低成品率。

其中與熔煉工藝相關(guān)的冶金缺陷主要是第③點(diǎn)和第④點(diǎn)，即成分偏析和表面質(zhì)量。鈦合金中的偏析主要包括α偏析和β偏析兩大類(lèi)。在熔化過(guò)程中，鑄錠自下而上地在結(jié)晶器中連續(xù)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(jié)晶時(shí)的分配系數(shù)各異，這樣，不可避免地使合金元素或化合物在樹(shù)枝狀晶間富集而形成偏析。偏析程度與原料質(zhì)量、粒度、合金元素在電極中的分布和分配系數(shù)、凝固速率、熔煉時(shí)的掉塊、熔池深淺、液相的自然和受迫運(yùn)動(dòng)、擴(kuò)散、晶粒尺寸及晶體形成的方式等諸多因素有關(guān)，還與具體操作工藝如熔煉速度、磁場(chǎng)攪拌等有關(guān)。

1 宏觀(guān)偏析

盡管VAR 熔煉鈦合金的鑄錠偏析問(wèn)題與熔煉鋼和超合金的偏析問(wèn)題非常相似，但鈦合金仍具有其獨(dú)特的地方。近α合金和純鈦具有非常小的固/液相區(qū)間，其凝固模式類(lèi)似于純金屬。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(shí)以固溶β晶粒的形式析出，一般不出現(xiàn)一次析出沉淀相。

α合金、近α合金和CPTi 的凝固前沿為平面狀，凝固過(guò)程中只有出現(xiàn)宏觀(guān)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，F(xiàn)e，Cu 的宏觀(guān)偏析。Al 含量偏析主要是由補(bǔ)縮階段熔煉速度降低引起的Al 揮發(fā)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(xiàn)一次枝晶間的微觀(guān)偏析。這種合金不易出現(xiàn)宏觀(guān)偏析，但可能出現(xiàn)β斑或環(huán)狀偏析。β斑是β穩(wěn)定元素較多的區(qū)域。環(huán)狀偏析的形成原因?yàn)?，在枝晶凝固前沿存在微量的溶質(zhì)富集，當(dāng)熔煉速度或功率變化時(shí)，凝固平衡被破壞而引起溶質(zhì)含量變化，同時(shí)引起凝固界面中溶質(zhì)含量變化。這種成分變化一般很小，低于10%溶質(zhì)含量。因此，環(huán)狀偏析的寬度也很小，一般低于100~300 μm。

2 α 微觀(guān)偏析

α偏析又可分為I 型偏析和Ⅱ型偏析。很早以前，人們?cè)谑褂免伈臅r(shí)就注意到材料中有一些微小的α相富集區(qū)，這些區(qū)域硬度比基體硬度高很多，對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，N，O，C 含量較高，人們稱(chēng)這類(lèi)缺陷為I 型缺陷或硬α缺陷。它是由N，O 等α穩(wěn)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(lèi)化合物的特征是硬而脆。

α偏析嚴(yán)重?fù)p害材料的疲勞強(qiáng)度和塑性，是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等用材致命性的缺陷。N，O，C 的主要來(lái)源是海綿鈦及添入的廢料，或者是在制作自耗電極過(guò)程中，焊接帶入。其預(yù)防措施主要是嚴(yán)格控制海綿鈦質(zhì)量，提高自耗電極焊接過(guò)程的真空度和清潔度。

Ⅱ型缺陷是Al 等α穩(wěn)定元素局部富集而引起的。主要發(fā)生在鑄錠上部，表現(xiàn)為局部的Al 含量升高，人們又稱(chēng)這類(lèi)缺陷為軟α缺陷。這類(lèi)缺陷的硬度通常與基體硬度相差無(wú)幾，具有延伸性，不會(huì)因加工帶來(lái)裂紋，且較小的缺陷不會(huì)對(duì)力學(xué)性能產(chǎn)生影響。Ⅱ類(lèi)缺陷不是由于凝固偏析形成的，用傳統(tǒng)的凝固理論不能圓滿(mǎn)地解釋Ⅱ類(lèi)偏析。

D.W.Tripp等認(rèn)為是由于鑄錠中縮孔和空洞而引起的。由于在熱的鈦合金鑄錠中形成縮孔，在空洞內(nèi)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(duì)高的揮發(fā)性的合金化元素）迅速?gòu)暮軣峥斩唇饘俦砻嬲舭l(fā)進(jìn)入空洞，當(dāng)達(dá)到露點(diǎn)時(shí)，蒸氣冷凝或同時(shí)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(fā)元素的富集，而有些表面有可能形成這些元素的貧化。其預(yù)防措施是延長(zhǎng)補(bǔ)縮時(shí)間，但這樣又會(huì)增加這些元素的揮發(fā)損失，尤其是當(dāng)鑄錠直徑較大時(shí)。為了解決上述矛盾，可以采取在補(bǔ)縮位置增加元素含量以補(bǔ)償揮發(fā)損失或適當(dāng)?shù)販p少補(bǔ)縮時(shí)間等方法。

3 β 微觀(guān)偏析

β穩(wěn)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(xiàn)形式就是所謂的β斑，即β穩(wěn)定元素局部富集區(qū)。β斑的形成原因?yàn)?，在凝固過(guò)程中，在柱狀晶前沿出現(xiàn)等軸晶，這些等軸晶簇沉淀在液態(tài)熔池底部，由于溶質(zhì)元素的平衡分配系數(shù)不同，等軸晶簇間的液態(tài)熔池中的溶質(zhì)元素含量出現(xiàn)偏析，并被保存下來(lái)所至。減少β斑的方法，可從以下三個(gè)方面考慮：其一，減小鑄錠的尺寸，使其迅速凝固；其二， 把易于引起β斑點(diǎn)元素的含量降低，控制在近于標(biāo)準(zhǔn)的下限水平；其三，只要其他條件允許，可降低熔煉速度，盡量減小熔池深度。

4 合金元素貧化偏析

合金元素貧化偏析又稱(chēng)為亮偏析，主要表現(xiàn)形式為基體中合金元素的貧化。分析認(rèn)為，這類(lèi)偏析的原因主要與原料粒度過(guò)大、熔煉過(guò)程不正常掉塊以及焊接和熔煉時(shí)起弧料使用不當(dāng)有關(guān)。熔煉工藝參數(shù)以及電磁攪拌僅起一個(gè)輔助作用。對(duì)這類(lèi)偏析，一般采取增加電極機(jī)械強(qiáng)度、一個(gè)一次鑄錠熔化一個(gè)成品鑄錠、增加熔煉次數(shù)等措施，同時(shí)加強(qiáng)工藝監(jiān)督，穩(wěn)定工藝制度 。

VAR 爐由真空系統(tǒng)、電極驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)、銅坩堝及冷卻循環(huán)系統(tǒng)、直流電源、自動(dòng)和手動(dòng)控制系統(tǒng)、穩(wěn)弧攪拌系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)和自動(dòng)記錄系統(tǒng)等部分組成。

熔煉時(shí)，在真空下，利用電極和坩堝兩極間電弧放電產(chǎn)生的高溫做熱源，將電極熔化。電極由被熔煉金屬材料制成，在熔煉中自耗電極不斷地熔化，同時(shí)，鑄錠自下而上地在結(jié)晶器中連續(xù)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(yàn)。

由于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(dòng)，以保持電極端部與熔池間距恒定。冷卻水將坩堝壁熱量帶走，使熔融金屬在坩堝壁凝固。對(duì)于易于偏析的鎳基高溫合金，熔煉速度相對(duì)較低（3~4 kg/min），可以形成穩(wěn)定的凝固模式，即形成盆形的熔池和熔池下面凝固鑄錠。對(duì)于很多鈦合金，熔煉速度較高（10~35 kg/min），不可能形成穩(wěn)定的凝固前沿，熔池深度在整個(gè)熔煉過(guò)程中在不停增加。VAR 爐現(xiàn)已處于較為完善的階段，在結(jié)構(gòu)上具有同軸性、再現(xiàn)性和靈活性的特征，正在向更大容量和遠(yuǎn)距離精確操作發(fā)展。VAR 爐采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)電控和數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，能夠?qū)o定的合金和鑄錠規(guī)格建立良好的熔煉模式。

VAR 熔煉技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

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，從而降低宏觀(guān)偏析和微觀(guān)偏析。

生產(chǎn)鈦及鈦合金鑄錠的基本方法仍為真空自耗電?。╒AR）熔煉。真空自耗電弧熔煉技術(shù)廣泛用于優(yōu)質(zhì)高溫合金和航空鈦合金鑄錠的生產(chǎn)，是一種成熟的工業(yè)熔煉方法。其特點(diǎn)是熔煉速度快，可生產(chǎn)大型鑄錠，生產(chǎn)的鑄錠基本上可滿(mǎn)足一般工業(yè)的要求。用于重熔的目的在于生產(chǎn)致密、無(wú)缺陷、成分均勻，具有所要求的化學(xué)成分、尺寸和晶粒結(jié)構(gòu)的鑄錠。為了實(shí)現(xiàn)熔煉過(guò)程自動(dòng)化，提高冶金質(zhì)量，盡管VAR 法的基本設(shè)計(jì)沒(méi)有太大的改變，但在控制系統(tǒng)和熔煉工藝調(diào)整方面仍在不斷改進(jìn)，并取得了很大進(jìn)步。下面簡(jiǎn)述真空自耗電弧熔煉技術(shù)的原理和特點(diǎn)，結(jié)合鈦合金熔煉鑄錠的缺陷特征，較詳細(xì)介紹了真空自耗電弧爐熔煉技術(shù)的發(fā)展過(guò)程及取得的進(jìn)展。最后寄語(yǔ)VAR 技術(shù)尚需完善的幾點(diǎn)期待 。

真空電弧爐是在抽真空的爐體中用電弧直接加熱熔煉金屬的電爐。爐內(nèi)氣體稀薄，主要靠被熔金屬的蒸氣發(fā)生電弧，為使電弧穩(wěn)定，一般供直流電。按照熔煉特點(diǎn)，分為金屬重熔爐和澆鑄爐。按照熔煉過(guò)程中電極是否消耗（熔化），分為自耗爐和非自耗爐，工業(yè)上應(yīng)用的大多數(shù)是自耗爐。真空電弧爐用于熔煉特殊鋼、活潑的和難熔的金屬如鈦、鉬、鈮（見(jiàn)真空冶金）。

自焙電極的接長(zhǎng)

自焙電極的焙燒和消耗是連續(xù)進(jìn)行的。電極糊的添加要與電極的消耗量相適應(yīng)。維持電極糊柱的高度，使電極焙燒帶的電極糊具有一定的壓力，以增加液態(tài)電極糊的致密程度，從而提高燒成電極的強(qiáng)度。圖1為電極糊柱高度與電極直徑的關(guān)系。實(shí)際操作中，冬季電極糊柱可以偏低，而夏季可以略高。揮發(fā)分從電極糊中逸出時(shí)會(huì)在糊柱的上部低溫段凝固，增加上部電極糊的流動(dòng)性，從而導(dǎo)致電極糊的偏析。糊柱過(guò)高容易出現(xiàn)偏析現(xiàn)象，還會(huì)造成電極糊懸料。

電極殼的接長(zhǎng)過(guò)程要注意保證電極的垂直度，電極殼的鋼板接縫必須滿(mǎn)焊，焊縫應(yīng)連續(xù)密實(shí)、平整均勻。筋片要焊牢，上下筋片焊接成一體。在1000℃時(shí)50%電流由電極殼和筋片承擔(dān)。

為保持電極工作端長(zhǎng)度應(yīng)按一定時(shí)間間隔下放電極。正常工作時(shí)，電極下放量應(yīng)等于電極消耗量。銅瓦部位燒成電極高度只有150～200mm。為了防止出現(xiàn)電極事故，下放電極必須采用少放勤放的措施。電極下放量不能過(guò)大，通常每次下放20mm左右。

電極消耗

影響電極消耗的因素有冶煉工藝、電極材質(zhì)和質(zhì)量、電極表面的氧化作用、電爐負(fù)荷、電極事故及電極管理。

單位重量產(chǎn)品的自焙電極消耗量見(jiàn)下表。硅錳合金、硅鉻合金、硅鐵、碳素鉻鐵等埋弧電爐單位耗電所消耗的電極較低且相差不大，硅鈣合金消耗電極較多，是由于部分電極作為碳質(zhì)還原劑參與了高溫還原反應(yīng)。由于中低碳錳鐵、中低碳鉻鐵和鎢鐵生產(chǎn)過(guò)程中電弧裸露時(shí)間較長(zhǎng)，電極氧化損失較大，因此電極消耗量高于埋弧電爐。

在現(xiàn)有的由可旋轉(zhuǎn)的水冷銅坩堝盤(pán)、水冷電極等部件構(gòu)成的非自耗電極電弧爐的基礎(chǔ)上，另安有一個(gè)場(chǎng)強(qiáng)可調(diào)節(jié)的磁體，通過(guò)調(diào)節(jié)該磁體的磁場(chǎng)大小，使電弧受到不同程度的約束和聚焦。從而使熔煉過(guò)程中高熔點(diǎn)金屬和低熔點(diǎn)金屬都受到充分地加熱和攪拌，一次起弧熔煉便可得到成分均勻的合金鑄錠 。