真空電弧重熔

真空電弧重熔是一種利用電弧作熱源在真空條件下熔鍊金屬的真空熔煉技術，簡稱VAR。它包括真空電弧雙電極重熔和真空凝殼爐熔煉。在真空下進行熔煉，不僅杜絕了外界空氣對鋼及合金的沾污，還可以降低鋼及合金中的氣體和低熔點有害金屬雜質，提高重熔金屬的純潔度，VAR過程能有效地降低金屬中氫、鉛、鉍、銀等的含量，並具有一定的脫氮能力。

基本介紹

• 中文名：真空電弧重熔
• 外文名：vacuum arc remelting
• 簡稱：VAR
• 優點：杜絕外界空氣污染
• 熱源：電弧
• 學科：冶金工程

原理

真空電弧重熔的原理是：在無渣及真空條件下，金屬電極在直流電弧的高溫作用下迅速熔化並在水冷銅結晶器內進行再凝固。當液態金屬以薄層形式形成熔滴通過近5000K的電弧區域向結晶器中過渡以及在結晶器中保持和凝固的過程中，發生一系列的物理化學反應，使金屬得到精煉，從而達到淨化金屬、改善結晶結構、提高性能的目的。因此，真空電弧重熔法的實質就是藉助於直流電弧的熱能把已知化學成分的金屬自耗電極在真空下進行重新熔煉並在水冷銅結晶器內凝固成錠以提高其質量的熔煉過程。

設備組成

真空電弧重熔爐的型式有多種多樣，但它們的基本結構是相同的(見下圖)。真空電弧重熔爐成套設備包括爐體、電源、真空系統、電控系統、觀察系統、水冷系統等幾個部分。

爐體

由爐殼(真空室)、電極升降裝置(包括電極夾頭、過渡電極、水冷電極桿及其升降機構)、水冷銅結晶器等幾個部分組成。爐殼一般用無磁性鋼(鉻鎳不鏽鋼)製作，以保證真空室的密封和減少殼體內的鐵磁損耗，以提高電效率。爐殼上具有連線真空系統、結晶器和其他各種機構的孔道，以及供觀察爐內工作情況用的觀察孔和保證安全用的防爆孔等。爐殼和其他各部分之間的連線都是真空密封的。水冷電極桿是一根能導電、中間通水冷卻的光滑直桿，桿身與爐殼之間有防漏氣的真空滑動密封。電極連在電極升降裝置上。電極的升降可以用液壓驅動，也可以用電動機驅動，電動機的工作由電控系統自動控制。重熔用金屬自耗電極，通過電極卡頭與過渡電極與電極桿連線，自耗電極焊接在過渡電極的端頭上。自耗電極由被重熔精煉的材料組成，它可以澆鑄成型，也可以熱加工(鍛或軋)成型，對於無法澆鑄或熱加工成型的材料，例如海綿鈦、鎢粉、短金屬棒料等，可以用壓制、燒結或焊接方法製備自耗電極。上結晶器呈直筒形，是用紫銅板做成的。壁厚一般為10～20mm，外面有一個外殼(不鏽鋼質)，兩者之間通水冷卻。結晶器的頂部連在爐殼的下口上，為了充分利用電源設備和提高生產率，容量稍大的真空電弧重熔爐都配有兩個結晶器，當一個結晶器熔煉結束後，就可以立即將整套裝備切換到另一個結晶器上，開始新的一爐熔煉。切換的型式有兩種，一種是爐體固定式，另一種是爐體旋轉式。前者只能更換和移動結晶器，適用於周期性生產，後者的爐體可以旋轉，而結晶器的位置是固定的，依靠爐體的旋轉來更換結晶器，保持生產連續。為連續生產，也有兩個爐座合用一套電源、電控系統和真空系統的。這樣，更換結晶器的工作就轉變成切換電源和開閉真空系統的閥門。

電源

可採用直流電，也可用交流電。為保持電弧穩定和電網負荷的均勻，一般採用直流供電。通常，以自耗電極為陰極，結晶器和重熔金屬(液態和凝固錠)為陽極，這種接法稱為正接或正極性。真空電弧爐的電弧電壓只有20～28V左右，使用低電壓大電流的直流電源。過去用直流發電機供電。隨著爐子容量的擴大對電源容量要求的提高，以及可控矽技術的發展，現在一般均用矽整流電源，它通常是由調壓變壓器、整流變壓器和若干組矽管連成的整流櫃等組成。為了提高系統的電效率，減弱或消除磁場對重熔金屬質量的不利影響，一般均採用如圖所示的平行布線。

真空系統

由真空泵組、管道、相應的真空閥門以及真空測量儀表等組成。真空泵組應具有足夠大的抽氣能力，以迅速排出真空系統內的氣體和由爐料所放出的氣體，保證在規定的時間內將真空室內的壓力降到要求的數值，並且能保持這個壓力。在熔煉過程中，真空室內的壓力應低於1.5Pa，在弧區由於金屬蒸氣的存在，通常壓力為2～10Pa。當真空室內的壓力高於15Pa時，在一個較寬的範圍內，爐內會出現輝光放電現象，並可能產生邊弧(自耗電極與結晶器內壁之間燃弧)，這就有把結晶器擊穿的危險。在重熔含大量易揮發元素的鋼或合金時，也可在一定的氬氣壓力下工作，為穩定電弧，氬氣壓力應大於20～26kPa。

電控系統

用來控制電弧長度、穩定電弧電流和電弧電壓、防止短路和邊弧的產生，並對過電流和過電壓進行保護。在熔煉過程中，電弧的長度除決定供電迴路的電參數(電流、電壓、功率等)外，還決定自耗電極的熔化速率，從而間接地影響重熔精煉的效果。所以，保持恆定的電弧長度，對於進行連續、穩定和安全的熔煉，以獲得質地均勻的重熔錠是十分必要的。電弧長度和電弧電壓存在一定的對應關係，可以用調節電弧電壓恆定的辦法來實現控制電弧長度恆定的目的。但是，由於低壓環境中直流電弧的電位梯度很小，所以電弧電壓變化的幅度不大，調節效果不好。對自耗電極電弧重熔過程的研究發現，金屬熔滴在形成和斷落過程中會引起電壓的波動(脈衝)，而脈衝的頻率、振幅以及持續時間(脈衝寬度)都與電弧長度有一定的對應關係。所以可用脈衝的頻率、振幅及寬度為信號來控制電弧長度恆定。這種自動控制方式反應快、準確，可以穩定地將電弧長度控制在12～18mm之間，進行短弧熔煉，甚至控制弧隙為4～6mm(這時，脈衝的頻率為短路的次數)，進行超短弧熔煉。隨著弧區介質壓強的降低，陰極斑點面積擴大，弧區的功率密度減小，導致電弧的發散和電弧溫度的降低，以及電弧的不穩定，為此，在結晶器內套側面部位，加設一穩弧線圈，以保證在結晶器內形成一個與自耗電極軸線相平行的縱向磁場，在這一磁場的作用下，使電弧受到一個向心的約束力，使電弧收縮和抑制偏弧的形成。

觀察系統

真空電弧重熔爐備有光學系統，以觀察爐內情況。過去常採用潛望鏡結構，即通過稜鏡的反射，將爐口的形象反映到操作台的螢幕上，隨著電視技術的發展，改用工業電視進行觀察越來越普遍了。

重熔爐的分類

真空電弧重熔爐的種類很多，按照爐子的不同特徵可有3種分類：(1)按熔鍊形式可分為非自耗電極式和自耗電極式。前者用鎢或石墨作電極，利用電弧的熱量使結晶器中的金屬或合金熔化，熔煉過程中電極本身不消耗或消耗很少，後者用被熔煉的金屬做電極，熔煉過程中電極自身熔化消耗。自耗電極式真空電弧爐被廣泛用於高級合金鋼及合金的熔煉。(見彩圖插頁第15、16頁)(2)按爐體結構形式可分為固定式和旋轉式，如前所述，前者用於周期性的生產，後者用於連續性生產。(3)按鑄錠的形式可分為固定鑄錠式和抽錠式。前者是整個重熔和鑄錠過程都在結晶器中完成，已凝固的重熔錠在結晶器中固定不動，熔煉完全結束後，重熔錠才從結晶器中吊出。後者是在重熔和凝固過程中結晶器與已凝錠有相對位移，若結晶器固定不動，則已凝錠從結晶器的下部被慢慢拉出，若已凝錠固定不動，則結晶器隨重熔和凝固的進行逐漸上移。對於抽錠式爐子，設有金屬熔池液面控制系統。

重熔工藝

重熔工藝包括對重熔工藝過程的控制和工藝參數的選擇。

重熔過程控制

真空電弧重熔過程可分為焊接電極、引弧、正常熔煉和封頂4個時期：

(1)焊接電極。每一爐熔煉所用的自耗電極要求與過渡電極同軸且被牢固地焊接在過渡電極上。焊接在真空下進行。在自耗電極被焊接的一端鋪上一層同品種車屑作為引弧劑，然後下降電極桿，使過渡電極與自耗電極之間燃弧，當燃弧的兩個端面被加熱且電弧穩定，在自耗電極端面有較多的金屬液相形成時，迅速下降電極桿，使燃弧的兩個端面緊密接觸而焊合在一起。

(2)引弧。在自耗電極與結晶器底部的引弧劑之間形成電弧，提高弧區溫度和在結晶器底部形成一定大小的金屬熔池，保持自耗電極與金屬熔池之間形成穩定的電弧，使自耗電極的重熔轉入正常的熔煉。

(3)熔煉期。是重熔過程的主要時期，在這期間鋼或合金被精煉和凝固成錠，即脫除金屬中的氣體及低熔點的金屬雜質，去除非金屬夾雜物，降低偏析程度以及獲得理想的鑄態組織結構。

(4)封頂。目的在於減小重熔錠頭部縮孔，減輕頭部“V”形收縮區的疏鬆程度，以及促進夾雜物的最後上浮和排除，減少切頭量，提高成材率。

工藝參數的選擇

真空電弧重熔產品的質量，取決於重熔參數是否合理。在生產實踐中，是根據所熔煉的品種、重熔的目的和要求來選擇工藝參數的。

冶金特點

真空電弧重熔冶金特點可歸納為10項：(1)在真空下進行熔煉，不僅杜絕了外界空氣對鋼及合金的沾污，還可以降低鋼及合金中的氣體和低熔點有害金屬雜質，提高重熔金屬的純潔度，VAR過程能有效地降低金屬中氫、鉛、鉍、銀等的含量，並具有一定的脫氮能力。(2)由於熔煉室內氧分壓很低，重熔過程中鋁、鈦等活潑元素燒損少，合金的化學成分控制較為穩定，但易揮發元素如鎂、錳等有一定燒損。(3)由於採用真空、無渣操作，並在水冷銅結晶器內重熔，可以熔煉活潑金屬錠，真空電弧重熔是熔煉鈦及鈦合金的主要熔煉方法。(4)弧區溫度高，可以重熔難熔金屬及其合金。(5)由於熔煉是在無渣、無耐火材料與金屬液作用的環境下進行的，從而杜絕或減輕了外界夾雜物對合金的沾污;加上真空電弧重熔過程中金屬液自下而上的順序凝固及快速冷卻可在一定程度上去除非金屬夾雜物及使凝固過程中再生夾雜物尺寸細小、分布均勻，重熔金屬在非金屬夾雜物方面的純潔度較高。(6)通過對合金凝固結晶過程的合理控制，可以對合金凝固組織進行改善，得到偏析程度低、緻密度高的優質錠子。(7)合理的封頂工藝制度可以使錠子頭部縮孔小，“V”形收縮區的結晶結構與錠身較一致，從而提高了錠子的成材率。(8)由於重熔過程中弧區金屬液的飛濺，重熔錠表面組織粗糙多孔、夾雜物及揮發元素含量高，重熔錠熱加工前表面需要扒皮。(9)重熔過程中無脫硫手段，故要求自耗電極含硫量低。(10)真空電弧重熔過程中氣氛及熔煉室壓力可控。