KG钛及钛合金真空自耗熔炼工艺规程
海绵钛真空自耗电弧熔炼钛(合金)锭工艺与设备---乘钒钛文化之风 创钒钛产业之都
海绵钛真空自耗电弧熔炼钛（合金）锭工艺与设备---乘钒钛文化之风创钒钛产业之都原创邹建新孙青竹教授等钛和钛合金铸锭生产工艺流程如图4.9.5所示。
下面分别按步骤进行介绍。
1. 炉料准备熔炼钛及钛合金铸锭的炉料包括海绵钛、钛残料、纯金属及中间合金添加剂。
（1）海绵钛生产不同牌号的钛及钛合金锭应选用不同级别的海绵钛。
在选用海绵钛级别时，主要是依据铸锭级别和牌号。
碘化钛专供生产TA0之用，TAl级基本上使用一级品海绵钛，TA2和TA3则可根据力学性能要求搭配使用。
海绵钛+残钛料+合金元素→→→→→→→→钛锭→图4.9.5 真空自耗电弧炉熔炼铸锭工艺流程（2）残钛料为了综合利用和降低成本，就要尽量将未被混料的残钛返回入炉，加以利用。
作为钛及钛合金炉料的钛残料，是预先经过净化处理、碎化、严格检验而不带氧化层、低密度及高密度夹杂物的干净残料。
其形式有屑状、条状、块状等。
块状残料的净化，需根据残钛表面氧化皮的厚度分别处理。
对于氧化不严重的残钛，用HF和HN03混合酸液酸洗，然后再水洗；对于氧化严重的残钛，必须先用喷砂等机械加工方法去除氧化皮，接着用HF和HNO，混合酸液酸洗，然后再水洗。
（3）合金添加剂各种合金元素和钛之间的物理性质(主要是熔点和密度)相差甚大，合金元素的加入可用纯金属和中间合金两种形式。
其中锰、铁、铜、铬和锆等可以以纯金属形式加入，钼、锡、硅和铝、钒、硼等常以中间合金形式加入。
具体的加入形式需根据不同牌号的合金灵活应用。
2. 原料处理（1）含钛物料商品海绵钛尽可能选用粒级合格的。
当海绵钛粒度不合格时，应进一步在颚式破碎机上破碎到粒度符合工艺要求为止。
随后，在真空烘干箱中干燥，干燥的目的是除去表面吸附的水分。
真空烘干条件：温度约120～180℃；真空度约5Pa；保温时间4～6h，然后可直接出炉。
返回料，包括残钛边角料和钛屑，一定要牌号相同，加工成的粒度和海绵钛大致相同，经除油、除氧化皮及干燥等处理后方可使用。
钛合金的熔炼技术
1、直接添加高熔点金属的钛合金真空自耗熔炼用电极制备方法在钛合金真空自耗电弧熔炼用电极常规制备的基础上，由直接压制的具有一定凹槽的电极块与适合电极块凹槽形状的高熔点金属棒拼焊组成电极的方法，通过选择合适的真空自耗电弧熔炼工艺，能够熔炼出达到配比计算要求的、成分均匀的无偏析优质铸锭。
2、钛及钛合金真空自耗熔炼过程中断电后重新起弧的工艺钛及钛合金真空自耗熔炼过程中断电后重新起弧的工艺，包括如下步骤:当熔炼中断后重新起弧时，将熔炼电流快速提升至正常熔炼电流的75-80%,保持此时的熔炼电流;当熔池的边缘到达坦塌壁后，保持2-3min,再将此时的熔炼电流快速提升至正常熔炼电流。
该工艺优势在于，使总的起弧时间大幅缩短，减小铸锭的冷却体积收缩后与用提壁间产生的间隙及避免铸锭冷却凝固形成的内部缩孔:当熔炼电流达到正常熔炼电流的75~80%时，保持该熔炼电流一段时间，这样可以较为准确地控制电极及已凝固熔池的熔化速度，避免瞬时产生大量的熔液流入铸锭与用塌壁的间隙，或造成冷隔缺陷。
3、纯钛块状废料的熔炼回收方法纯钛块状废料的熔炼回收方法，使用6个电子枪的电子束冷床炉，将选定成分的原料装入电子束冷床炉的进料器，进行熔炼，然后将得到的铸锭冷却出炉，即可得到成品。
该法直接使用TAl回收料进行熔炼，避免了废料破碎电极块压制，电极的焊制。
单锭熔炼每天单台设备可熔炼9个棒料总重约6.5吨，双锭熔炼每天单台设备可熔炼18个棒料总重约13吨，极大的提高了回收效率和速度。
4、钛及钛合金屑状废料的电子束冷床熔炼回收方法钛及钛合金屑状废料的电子束冷床熔炼回收方法过程为:根据所熔炼钛及钛合金成分，称取纯钛屑状废料，或称取纯钛屑状废料和钛合金屑状废料中的一种或两种与海绵钛以及纯合金添加元素和/或中间合金混合的混合料，混合料中的纯钛及钛合金屑状废料添加量按质量百分比计为10%~90%;然后将其压制成电极块，用电子束冷床熔炼炉将所述电极块进行一次电子束冷床熔炼，得到钛或钛合金铸锭。
钛合金的熔炼工艺-电子束冷床熔炼法(EBCHR)
钛合金的熔炼工艺-电子束冷床熔炼法（EBCHR）真空自耗电弧熔炼一直是钛合金的主要熔炼方法。
为了提高航空发动机用钛合金铸锭成分的均匀性和尽可能消除偏析等缺陷，一般采用三次真空电弧熔炼。
但研究证明，真空电弧熔炼消除钛合金中的高密度夹杂（HDI）和低密度夹杂（LDI）的能力有限。
而这两种缺陷是钛合金零部件的疲劳裂纹源，降低了零部件的使用寿命。
若用于航空发动机，可能引起重大事故。
因此美国在20世纪80年代开始研究开发一种熔炼钛合金的新工艺———冷床熔炼（Cold Hearth Melting，简称CHM）技术。
根据热源的不同，冷床熔炼可以分为电子束冷床熔炼（Electron Beam Hearth Melting，简称EBCM 或Electron Beam Cold-Hearth Remelting，简称EBCHR）和等离子束冷床熔炼（Plasma Arc Cold Hearth Melting，简称PACHM）两种熔炼方式。
冷床炉熔炼技术独特的熔炼方式，可以有效消除钛合金中的各种夹杂物，解决了长期困扰钛工业界的一大难题，因此，冷床熔炼技术可以认为是钛合金熔炼技术发展史上的一次飞跃。
冷床熔炼就是在冷坩埚（水冷坩埚）熔炼技术的基础上，再加上电子束或等离子束的高温外加热源作用的结合。
所谓冷床实际就是凝壳熔炼的坩埚，冷床熔炼就是凝壳熔炼的新发展。
1905年，德国的西门子（Siemens）公司和Haisko用电子束熔炼钽首次获得成功，但由于当时世界的真空技术发展水平还很有限，从而阻碍了电子束熔炼技术的发展。
真正将电子束熔炼技术推向商业化是在1957年，Temescal冶金公司利用电子束熔炼钛锭。
之后Temescal冶金公司大力发展电子束熔炼技术，在20世纪60年代初期，该公司利用横向电子枪熔炼炉制备了直径80mm的钽锭和钨锭以及直径127mm、重数百公斤的钛锭。
20世纪80年代，现代轴向电子枪取代了早期的横向电子枪，使得电子束熔炼炉的产能得到真正意义上的大幅提高。
钛合金铸造设备与工艺
3) 离心铸造装置
生产用凝壳炉的离心铸造装置都采用立式离心铸造机 （见图4）。离心机的转速范围为0～600转／分。离 心盘直径的大小取决于炉膛的尺寸和炉子的容量，一 般为600～1600mm。
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清铸华造大培学训 4)电极传动机构和控制系统
在熔炼和装炉过程中用以调节及传动电极杆升降的机构，电 极传动有双电动机单式差动和多电动机复式差动齿轮传动两 种方式（见图14a）（见图14b）。
1 自耗炉
图2为真空自耗炉的结构示意图。 图3为自耗炉的外观。
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清铸华造大培学训
图2 真空自耗炉的结构示意图 1-电极传动机构 2-熔炼炉室 3-熔炼电源 4-母排
/电缆 5-电极导杆 6-铜坩埚/冷却水套 7-真空系统 8-X-Y.调节 9-负载传感系统
图3 自耗炉的外观
2 凝壳炉
图4为真空自耗电极电弧凝壳炉及其主要构成组件的结构示 意图，由图4可见，它的基本结构和组成构件与真空自耗电 极电弧熔炼炉大致相似，但在某些重要构件和构成组件的 配置上有很大不同的。两者的区别在于，凝壳炉：
型（750kg）立式凝壳炉
图6 德国LEYBOLD.AG公司设计制造的L300SM立式凝壳炉的外观［11］
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清铸华造大培学训
图7 L300SM立式凝壳 炉的内部详细结构示意图
1-电极快速提升机构 2-电源电缆 3-电源 4-电极导杆 5-自耗电极 6-坩埚 7-炉门与坩埚滑车 8-离心铸造装置 9-真空系统 10-型模 11-抽气口
图29 不够长的电极与端头残极的螺纹连接示意图 1.电极安装头 2-自耗电极 3-中间连接螺杆 4-自耗残极 5-阴螺纹
a
b
图30 回炉料制成的重杯 2-液态钛 3,6-石墨锭模
真空自耗电弧炉熔炼钛合金铸锭工艺流程
真空自耗电弧炉熔炼钛合金铸锭工艺流程1.首先，将钛合金块放入真空自耗电弧炉中。
First, the titanium alloy ingot is placed into the vacuum consumable arc furnace.2.接着，关闭炉门并开始抽真空。
Then, the furnace door is closed and the vacuum is started to be pulled.3.随后，加热炉膛，使钛合金块开始熔化。
Subsequently, the furnace is heated, causing the titanium alloy ingot to begin melting.4.在熔化状态下，将适量的合金元素加入炉内。
While in a molten state, the appropriate amount of alloying elements is added to the furnace.5.继续加热并搅拌炉内的合金熔液，以确保均匀混合。
The furnace is continued to be heated and the alloy meltis stirred to ensure uniform mixing.6.当合金熔液达到特定温度和成分要求时，停止加热并准备浇铸。
When the alloy melt reaches the specific temperature and composition requirements, the heating is stopped and the casting is prepared.7.将浇注模具放置在浇注机上，准备开始浇铸。
The casting mold is placed on the casting machine, preparing to start the casting process.8.慢慢倒入合金熔液，开始铸造钛合金铸锭。
1KG钛及钛合金真空自耗熔炼工艺规程
本规程适用于技术（研发）中心钛及钛合金电极的熔炼。
编制依据：《钛镍加工材项目初步设计》GB/T2524-2010《海绵钛》设备合同1. 主要设备性能1.1真空自耗电弧炉技术性能。
设备主要技术参数2. 原料原料来自315T制样用自耗电极成形液压机压制的（Z 30X390的电极3. 钛及钛合金熔炼3.1钛及其合金的熔炼工艺流程水、电、气输送正常一开机一装炉一抽真空一熔炼一坩埚冷却一破真空一取出铜坩锅倒出钛锭一停止工作一关水、关电、关气。
3.2熔炼工艺参数3.2.1熔炼工艺参数。
3.2.2 熔铸前检查系统并进行预抽空，炉内预真空度不得低于0.133Pa,泄漏率不得大于0.667Pa/min。
3.2.3 在熔炼过程中，熔炼电流需逐渐增加。
3.2.4 在结晶器周围设有稳弧线圈，以保证熔炼电弧的稳定。
通过“稳弧调节”电位器调节其电流，最大电流为5A。
3.2.5 电弧电压的大小代表电弧的长短，熔炼过程中保证弧压的稳定非常重要。
熔炼过程中弧压的大小为0-40V 。
3.2.6补缩工艺参数实际生产中生产。
3.3 引弧料同批号的钛料、铺满坩埚底为益。
3.4 注意事项3.4.1 压制完的电极在熔炼前必须放入干燥箱内干燥20~40min，干燥温度在90〜105 C之间。
3.4.2 在熔炼开炉前，必须对真空自耗电弧炉的传动系统、冷却系统、电控系统、真空系统及炉体进行检查，检查无误，方可开炉熔炼。
3.4.3 抽空真空泵使用必须遵照使用说明书的要求，进行启动、停泵、维护。
3.4.4 每炉熔炼工作完成后，必须清洗结晶器。
防止熔炼时电极与结晶器侧壁放电。
3.4.5 熔炼期间冷却水不能间断。
3.4.6 熔炼进行时，现场要有操作控制人员，观察炉内熔炼情况和监视冷却水水温水压等。
3.4.7 在熔炼完的铸锭或扒完皮的铸锭上，必须有明显的标记。
3.4.8 试锭和试样的制备严格按GB/T2524-2010 进行。
4．主要工模具4.1 熔炼坩埚坩埚的主要结构材质为铜。
真空自耗电弧熔炼钛(合金)锭原理---乘钒钛文化之风 创钒钛产业之都
真空自耗电弧熔炼钛（合金）锭原理---乘钒钛文化之风创钒钛产业之都原创邹建新孙青竹教授等真空自耗电弧熔炼（VAR）是在真空高温下进行的，每次熔炼都相当于进行一次真空蒸馏和一次区域熔炼，对钛起到一定的精制提纯作用。
自耗炉结构如图4.9.3所示。
图4.9.3 真空自耗电弧炉结构示意图1-坩埚；2-熔池；3-铸锭；4-稳弧线圈；5-水套；6-阳极电缆；7-法兰；8-入空；9-炉体；10-观测装置；11-阴极电缆；12-复式差动齿轮；13-电极升降机构；14-动密封盒；15-电极杆；16-电极夹头；17-自耗电极；18-排气口；19-电弧VAR 炉由真空系统、电极驱动机械系统、铜坩埚及冷却循环系统、直流电源、自动和手动控制系统、稳弧搅拌系统、检测和自动记录系统等部分组成。
VAR 炉现已处于较为完善的阶段，在结构上具有同轴性、再现性和灵活性特征，正在向更大容量和远距离精确操作发展。
VAR炉采用先进的计算机自动电控和数据收集系统，能够对给定的合金和铸锭规格建立良好的熔炼模式，并分析熔炼过程中出现的问题，获得良好的铸锭表面质量和内在冶金质量，提高金属成品率。
真空自耗电弧熔炼是在低压或惰性气氛中，钛电极棒在直流电弧的高温作用下迅速熔化，并在水冷铜柑用内再凝固的过程。
当液态金属钛以熔滴的形式通过高温的电弧区向铜柑涡中过渡，以及在铜坩埚中保持液态和随后的凝固过程中，不仅实现了致密化，而且还起到提纯金属的作用，使金属具有更好的性能。
因此，过程的实质是借助于直流电弧的热能把已知化学成分的钛自耗电极在低压或惰性气氛中进行重新熔炼。
熔炼本身是一个定向连续过程。
在高温加热形成的熔池区内，液态钛合金成分和杂质不断地扩散，随后凝固成钛锭。
熔炼过程如图4.9.4所示。
1．打弧真空自耗电弧熔炼的热能来自电弧。
熔炼过程的电弧行为直接影响到熔炼产品的质量。
电弧的产生是一个弧光放电过程。
辉光放电和弧光放电都是气体自激导电的形式。
辉光放电特点是电压高、电流小，仅有少量电子和正离子参与导电过程，发出较弱的光。
钛及钛合金真空自耗电弧熔炼自耗电极“破断”原因分析
钛及钛合金真空自耗电弧熔炼自耗电极“破断”原因分析本文分析了钛及钛合金真空自耗电弧熔炼中自耗电极“破断”的各种原因：电极块疏松、自耗电极组焊不牢靠、熔炼前炉内焊接不牢靠、熔炼参数及应急操作，提出了解决方案。
通过实践总结，对原料混合均匀，采取合适的压力及保压时间，电极块致密性好，且组焊的电极间接触紧密，焊点熔池深度达3mm以上，用加强筋加固电极焊缝处，以及保证焊接时的导电面积及焊接面积达到70%以上、选取合适的熔炼参数，短弧操作，不仅可以避免发生破断事故，而且提高了规模化生产中钛及钛合金大规格铸锭的质量及生产效率。
标签：钛及钛合金真空自耗电弧熔炼破断1 概述目前，生产钛及钛合金铸锭的基本方法仍为真空自耗电弧(Vacuum Arc Remehing，V AR) 熔炼，此方法不仅能提供致密的铸锭，而且在不同程度上可以将金属材料提纯。
由于当前工业对大型锻件的需求，大规格铸锭也应运而生，国外工业发达国家熔炼钛铸锭吨位多为8～15t[1]，国内最高达12吨。
用V AR法熔炼大规格钛合金过程中，由于自耗电极强度不能承受自重及熔炼升降震动的影响[2]，从未熔化部分的某处或从辅助电极与自耗电极的焊接面断裂掉入熔池，导致电弧熄灭，自耗熔炼过程被迫中断的一种熔炼现象称之为“破断”。
首先，自耗电极破断会导致铸锭内部冶金缺陷——夹杂。
其次，可能引起边弧，导致坩埚被击穿进水，达到一定条件后发生氢气爆炸，破坏炉体，甚至摧毁厂房，发生严重的安全事故。
最后，若在生产中发生破断，一般的处理办法是将自耗电极重熔，且重熔前需经过车床扒皮，除掉自耗电极表层氧化物，再进行炉内焊接、熔炼等工序，这样势必会延误生产，降低生产效率。
本文主要对钛及钛合金真空自耗电弧熔炼中自耗电极破断的原因进行了分析，并提出了相应的解决办法，提高了规模化生产中钛及钛合金大规格铸锭的质量及生产效率。
2 V AR法熔炼自耗电极“破断”原因分析及解决办法2.1 电极块疏松熔炼钛及钛合金的原材料——海绵钛粒度一般为0.83～12.7mm及0.83～25.4mm，用油压机压制的电极块密度一般大于3.3g/cm3。
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本规程适用于技术（研发）中心钛及钛合金电极的熔炼。
编制依据：《钛镍加工材项目初步设计》
GB/T2524-2010《海绵钛》
设备合同
1.主要设备性能
1.1 真空自耗电弧炉技术性能。
设备主要技术参数
2．原料
原料来自315T制样用自耗电极成形液压机压制的￠30X390的电极
3.钛及钛合金熔炼
3.1 钛及其合金的熔炼工艺流程
水、电、气输送正常—开机—装炉—抽真空—熔炼—坩埚冷却—破真空—取出铜坩锅倒出钛锭—停止工作—关水、关电、关气。
3.2 熔炼工艺参数
3.2.1 熔炼工艺参数。
3.2.2熔铸前检查系统并进行预抽空，炉内预真空度不得低于0.133Pa，泄漏率不得大于0.667Pa/min。
3.2.3在熔炼过程中，熔炼电流需逐渐增加。
3.2.4在结晶器周围设有稳弧线圈，以保证熔炼电弧的稳定。
通过“稳弧调节”电位器调节其电流，最大电流为5A。
3.2.5电弧电压的大小代表电弧的长短，熔炼过程中保证弧压的稳定非常重要。
熔炼过程中弧压的大小为0-40V。
3.2.6
补缩工艺参数实际生产中生产。
3.3 引弧料
同批号的钛料、铺满坩埚底为益。
3.4 注意事项
3.4.1 压制完的电极在熔炼前必须放入干燥箱内干燥20~40min，干燥温度在90～105℃之间。
3.4.2 在熔炼开炉前，必须对真空自耗电弧炉的传动系统、冷却系统、电控系统、真空系统及炉体进行检查，检查无误，方可开炉熔炼。
3.4.3抽空
真空泵使用必须遵照使用说明书的要求，进行启动、停泵、维护。
3.4.4每炉熔炼工作完成后，必须清洗结晶器。
防止熔炼时电极与结晶器侧壁放电。
3.4.5熔炼期间冷却水不能间断。
3.4.6熔炼进行时，现场要有操作控制人员，观察炉内熔炼情况和监视冷却水水温水压等。
3.4.7 在熔炼完的铸锭或扒完皮的铸锭上，必须有明显的标记。
3.4.8试锭和试样的制备严格按GB/T2524-2010进行。
4．主要工模具
4.1熔炼坩埚
坩埚的主要结构材质为铜。
必须保证坩埚的清洁、干燥及完整性。
4.2引弧料
同批号的钛料
4.3熔炼用主要工具规格及材质
坩埚内径尺寸（mm）Ф50X125 材质铜
5．执行标准
熔炼出的钛及钛合金铸锭化学成份按照国家标准GB/T3620.1-2007
个人收集整理仅供参考学习
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