国内30吨真空自耗炉试车成功！一文读懂真空自耗电弧熔炼工艺

　　【康沃真空网】近日，国内吨位最大、具有世界先进水平的30吨真空自耗炉在沙钢集团抚顺特钢第三炼钢厂进行了首次热负荷试车。经过19小时50分钟的冶炼，第一炉直径810mm、长度1564mm、总重量5.902t的钢锭顺利出炉。经检验，钢锭质量达标，热负荷试车取得了圆满成功。

　　新建30吨真空自耗炉投运解决了大锭型的生产瓶颈问题，使第三炼钢厂能够生产大直径的自耗钢锭，为未来锻造厂生产“高锻比”产品创造了条件；扩大了熔炼锭型的范围，使公司可生产用于特种领域的大直径锻轴用坯料，填补了国内超大锭型真空自耗钢锭发展空白；提高了自耗钢产能，为抚顺特钢拓展真空自耗钢产品市场打下坚实基础。

　　据悉，项目中另一台30吨真空感应炉已经完成设备安装并进入冷调试阶段，预计12月底前可进行热试。

　　真空自耗电弧炉简介  

　　真空自耗电弧熔炼是把待熔炼的原料，制作成标准性柱状的自耗电极，在真空环境下，靠自耗电极和底料之间放电产生的电弧，使电能在弧光中转变为热能，并借助辐射和电弧的直接作用，加热并熔化金属，再在坩埚内冷却结晶。

　　材料在真空下经过电弧的超高温，去除原料中的气体和其他杂质，形成均匀、致密的纯度更高的铸锭，满足进一步加工的要求，故无论在生产规模或生产工艺上，都得到迅速发展。

　　真空自耗电极电弧炉电极是由被熔炼材料（即炉料）制成，在熔炼过程中逐渐消耗，熔化后滴进结晶器中冷凝成锭。主要用来熔炼钛、锆、钼等活泼金属和难熔金属，也可熔炼耐热钢、不锈钢、工具钢和轴承钢等。

　　真空自耗炉自20世纪50年代末在美国开始用于航空材料（包括变形高温合金、钛合金等）的制备。随着航空航天及燃机工业的快速发展，对自耗铸锭的直径尺寸规格要求越来越严，从Φ406 mm→Φ508 mm→Φ660 mm（GH4169）→Φ810 mm（GH4738、GH4698）→Φ920mm（GH2706），技术难度也越来越高。结晶器尺寸增大，对设备控制系统、冷却系统、真空系统等的要求更高。

　　我国自20世纪50年代开始，对真空自耗炉设备进行了研制，但是由于当时我国机电基础工业薄弱，导致我国在真空冶金设备研制上与国外发达国家有一定差距。近年来，真空自耗炉开发的先进技术包括：熔滴凝固控制成形技术、同轴供电技术、动态实时称重控制技术等。

▲ 33T 真空自耗电弧炉

　　真空自耗电极电弧炉优点  

　　丨熔炼中不受耐火材料、大气和铸模等污染；

　　丨可生产大尺寸、大吨位金属锭，目前国外最大锭重量50~70t，锭子直径超过2m；

　　丨在水冷坩埚中边熔炼边凝固，快速定向结晶可消除常见的缩孔、偏析和疏松等缺陷；

　　丨夹杂物上浮，集中于锭子端部。

　　真空自耗电极电弧炉结构  

　　真空自耗电弧炉主体主要由炉体、坩埚、水冷系统、电极杆及其传动系统、称重系统、真空系统、供电系统、观察系统等部分组成。本文我们主要介绍炉体、坩埚和真空系统。

▲ 真空自耗电极电弧炉示意：1-电极进给传动装置 2-炉体 3-电源箱 4-母线/电缆 5-电极杆 6-水冷坩埚 7-真空系统 8- X-Y调整装置 9-称重传感系统

　　● 炉体

　　炉体是容纳自耗电极的真空室，将电极传动装置、坩埚以及真空系统连接在一起。对炉体要求如下：

　　① 炉体具有合适的空间。一般炉体的直径是最大锭子直径的2~3倍。炉体高度由自耗电极最大长度和锭子长度差来决定。

　　② 炉体具有足够的强度。由于炉体联结众多机械设备，同时承受外部大气压力和冷却水压力，因此，一般采用圆柱形和凸圆形设计。

　　③ 炉体受到辐射热和传导热，需要有效冷却。水冷方法分为水套冷却和蛇形管冷却两种。

　　④ 对称于电极安装两个观察孔。由于受到电极遮蔽，炉体上部观察孔只能看到电弧部分情况，因此，上下对称位置都需要设置观察孔。

　　⑤ 炉门足够大，方便人员进行检查和清理。

　　● 坩埚

　　坩埚又称为结晶器，是真空电弧熔炼的核心部位。熔炼金属在此熔化、过热、精炼和结晶成锭。坩埚内进行大量的热交换，坩埚壁热交换强度达到几万至几百万瓦每平方米。因此对坩埚有如下要求：

　　①坩埚金属材质导热、导电性能良好，不易被熔化金属黏结，一般采用紫铜和无氧铜等；

　　②坩埚内表面平整光滑，断面形状一致，便于脱锭；

　　③坩埚具有足够强度和刚度，可以承受最大铸锭质量；

　　④坩埚壁厚在强度允许的条件下尽量薄，一般小炉子壁厚为8~10mm，大炉子壁厚12~24mm，钢制坩埚壁厚8~12mm；

　　⑤坩埚设计结构允许热膨胀变形；

　　⑥直径小于150mm坩埚设计一定锥度，方便脱锭；

　　⑦坩埚进行充分的冷却；

　　⑧便于装卸、清理和维修。

　　● 真空系统

　　真空电弧炉工作真空度与熔炼金属有关。对于难熔金属为10-2Pa；对于高温合金、特种钢等为10-1Pa；对于海绵钛等为5x10-2~1Pa。高于10Pa的压力会导致衍生电弧的形成，可能击穿坩埚引起爆炸。因此，应从冶金控制、电弧稳定和防止击穿坩埚来确定炉瞠压力。

　　真空电弧炉真空系统设计还应考虑以下几点：

　　①如果熔炼不一直处于坩埚口处，弧区压力比坩埚口处压力高出较多，差值应通过计算获得，不能将电弧炉工作压力误认为弧区压力；

　　②弧区有较高的金属蒸气分压力，为维持真空电弧稳定的一个条件；

　　③使用粉未或海绵钛压制的电极时，熔炼过程难免突然放气，真空系统应能适应该情况；

　　④凝壳炉要考虑浇铸时因锭模放气而压力突然上升的特殊性。

　　真空自耗电极电弧炉分类  

　　真空自耗电极电弧炉炉体结构形式分为以下几种：

　　● 炉体固定、坩埚移动式

　　此种炉型炉体固定在金属或钢筋混凝土结构框架上，坩埚设置在一个可移动小车上，装炉时移至炉体下方，提升坩埚以完成封炉操作。此结构属于较早期类型，生产效率较低，但结构稳定，占地面积较小，便于设置防爆设施。适合熔炼钛、锆及其合金。国产ZH-200、ZH-1000以及西德海拉斯咖L1000-St3型电弧炉都是此类结构。

　　● 炉体固定、坩埚转动式

　　该炉型炉体固定，坩埚可绕一立柱旋转和升降完成装电极和卸锭工作，可实现两个坩埚交替使用。该种炉型操作方便，生产率高，但炉子地下部分结构复杂。

　　● 炉体转动、坩埚固定式

　　此种炉型炉体由一立柱支撑并可沿立柱升降和绕立柱旋转，坩埚位置固定。此种炉型优点是在一个坩埚熔炼的同时，另一坩埚可进行下炉熔炼的准备工作，当一个坩埚熔炼结束后，可以立即旋转炉体到另一个坩埚中进行熔炼，这种连续式的生产作业有利于提高生产率。ZH-3000型炉子属于此种结构。该结构地面部分比较简单，但地下结构复杂，占地面积较大。稳定性不如第一种结构。

　　● 炉体移动、坩埚固定式

　　该炉型炉体分成上下两部分，上部炉室固定在构架上，该构架可以沿轨道水平移动。两个固定的下炉室下面各装设一个坩埚，通过构架移动和上炉室的升降，可实现在两个坩埚位置的交替熔炼。此时真空系统是通过下炉室与炉体连接，此种结构的地上部分和地下部分都比较复杂，占地面积较大。

　　真空自耗电极电弧熔炼工艺  

　　真空自耗电弧炉冶炼的工艺流程分为四个阶段：准备阶段、开始阶段、熔炼阶段、热封顶阶段。

　　● 准备阶段

　　准备阶段的工作包括装锭、焊接与抽真空。

　　①装锭：装锭前清理结晶器内壁，防止上次冶炼残渣影响合金质量。装入辅助电极，用天车将结晶器放入炉座下的水冷套内，并将原料锭放入结晶器内。调校自耗原料锭处于结晶器中心位置，完成装锭工作。

　　②焊接：焊接的任务是将组焊好的自耗电极在真空或氩气保护下焊接在辅助电极（位于原料锭和夹料杆之间，也称为假电极）上，确保焊直、焊牢、焊缝能诱过工作电流，并不发生氧化。

　　焊接前，将辅助电极装在夹料杆下，卡好，封闭炉体，启动真空系统，当炉内真空度达到焊接要求即可焊接。焊接过程即为一次短暂熔炼，时间长短取决于电极材质和大小。与熔炼不同，焊接过程中，熔炼辅助电极，原料锭作为底垫。原料锭表面熔化一定深度后，断电并压下辅助电极使之与原料锭粘合，完成焊接。冷却后开炉检查牢固度。否则，重新焊接。

　　③抽真空：准备阶段最后操作，焊接完成后，闭合炉体，拉起电极，启动真空系统，当炉内真空达到0.3Pa以下，开始起弧熔炼。抽真空时间一般需要两个小时左右。

　　● 开始阶段

　　起弧方法为在结晶器底面上放置引弧剂（同材质金属颗粒），使引弧剂和自耗电极端面距离在20~30mm。提高空载电压（即开路电压）到80V左右。在空载电压下，借助自耗电极与引弧剂之间瞬间接触产生弧光放电，进而达到稳定的电弧燃烧，造成一定量的金属熔池，为过渡到正常熔炼创造条件。

　　开始起弧期为电弧最不稳定期，为不损坏坩埚底部，保持较小电弧电流（一般1KA左右），随着起弧过程缓慢增大，但小电流易造成断弧，小弧压易造成短弧。因此，一旦起弧，立即控制电弧为恒定短弧工作状态，通过电弧电压控制电弧长度，一般为25V-40V。引弧期尽量短，搅拌磁场强于正常熔炼时期，尽快建立熔池，减少铸锭切除量。

　　● 熔炼阶段

　　起弧期结束以后，逐渐增加熔炼电流，迅速转入正常熔炼期。熔炼期操作直接影响熔炼金属质量。待熔池覆盖坩埚底部，按照工艺曲线要求进行熔炼。同时控制好熔炼电压、熔炼速率、真空度、冷却水流量等工艺参数。

　　熔炼电流一定时，电弧过长，热量不集中，表现为金属熔池呆滞，表面有飘浮的杂质，金属的污染程度增加，并容易发生边弧，造成事故；弧长过短，易造成电弧频繁短路而使熔池温度急剧变化，熔化速度随之波动较大，同时会发生严重喷溅；弧长正常时，熔池十分清晰活跃，溶液缓慢波动并将杂质膜推向结晶器壁。

　　● 热封顶阶段

　　热封顶又称补缩，为保证铸锭重熔后顶部和底部结晶一致，尽量减少顶部的缩孔现象，提高金属利用率。

　　热封顶的目的是为了减少铸锭头部的缩孔，降低铸锭的切头量，提高锭坯的成材率。在熔炼工艺的后期必须对铸锭顶部进行热封顶工艺操作，使熔池缓慢变浅逐渐冷却凝固。使顶部结晶尽量均匀一致，防止出现金属缩孔。热封顶过程是一个分阶段减小电流并保持的过程。

　　为了确定最佳封顶开始时间，传统白耗电弧炉一般采用电极杆行程或平均熔速法计算确定预留电极量，也可通过确定剩余电极重量测量判断热封顶开始时间。在熔炼过程中，当钛锭重量达到热封项初始之后，自动进入热封顶阶段，按照电流斜率均匀的减少熔化电流。

　　真空度对熔炼过程产品质量以及安全操作具有重要影响，主要影响了电弧稳定性、弧长、金属损耗、金属纯度和蒸发损失。从理论上讲，真空度的确定取决于所熔炼金属的种类、化学组成、蒸汽压的大小，电弧的稳定性和产品质量等许多因素，不一定纯粹追求高真空度。