王易山

（洛陽雙瑞精鑄鈦業(yè)有限公司，河南 洛陽 471000）

隨著新時代的到來，金屬熔煉的技術也在不斷的進步完善，盡管新熔煉技術不斷出現(xiàn)，生產(chǎn)材料的品質(zhì)以及產(chǎn)量也大幅提升，但是仍然有著耗能損耗大、技術低等一系列的問題，因此，原有的熔煉技術的分析將對今后熔煉技術的發(fā)展具有重要意義。跟其他金屬不同的是，鈦及鈦合金屬于高化學的活性金屬，因此，在熔融條件下，基本都會與全部耐火原料產(chǎn)生化學反應，并且在大氣中也不能熔煉，只有在真空或者惰性氣氛條件下才能進行化學反應，由于熔煉技術的難度大，所以，目前只有極少數(shù)國家才能掌控鈦及鈦合金的熔煉技術。目前，鈦及鈦合金熔煉技術主要有真空自耗熔煉以及真空非自耗熔煉[1]。文章重點介紹真空自耗電弧熔煉技術、冷床爐熔煉技術、PACHM技術以及真空自耗熔煉技術。

1 真空自耗電弧熔煉技術

（1）真空自耗電弧熔煉技術的原理。當今，鈦及鈦合金大多利用真空自耗電弧熔煉技術，首先將自耗電極壓制好并將其設置為負極，而銅坩堝設置為正極，將鈦及鈦合金放在真空或者惰性環(huán)境中，將電極放在電弧的高溫下加熱，將其迅速熔化并進行一定攪拌，同時將易揮發(fā)的雜質(zhì)快速擴散去除，通過充分地攪拌使其均勻。

（2）真空自耗電弧熔煉技術的特點。真空自耗電弧熔煉技術的特點是熔煉的速度極快，熔煉工藝的自動化高、熔煉操作較簡單，可以達到一般的工業(yè)目標，并且對于那些極易揮發(fā)的雜質(zhì)和一些氮氣等氣體的去除效果極好

（3）真空自耗電弧熔煉技術發(fā)展現(xiàn)狀。真空自耗電弧熔煉技術自產(chǎn)生以來已經(jīng)有50多年時間，技術發(fā)展已達到成熟期，其主要表現(xiàn)在以下5個方面：①成品尺寸實現(xiàn)大型化。電弧熔煉屬于批次生產(chǎn)的工藝，所以如果進行大規(guī)模生產(chǎn)其效率將大幅提高，并且，隨著新時代的不斷發(fā)展，工業(yè)對于大型從產(chǎn)品的需求也與日俱增，需要更多更大規(guī)格的產(chǎn)品，因此，真空自耗電弧熔煉技術便很好地解決了這個問題。②工藝實現(xiàn)全自動化。目前真空自耗電弧熔煉爐已實現(xiàn)全自動化。目前我國的真空自耗電弧熔煉爐大多選用線上自動化電控盒的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，可以利用重熔的配方通過電腦來控制生產(chǎn)工藝，并監(jiān)控熔煉過程中的問題，大大地提高了產(chǎn)品的成品率。在實際的真空電弧熔煉中，電極的間隙是重要參數(shù)，直接關系著電弧的長短和深度，也將影響軸向溫度和濃度，對于產(chǎn)品的宏觀分析也具有重要的影響。很多研究人員通過檢測每秒為單位電極兩端的短路次數(shù)，精確控制電極間隙，利用過濾的算法加速電極間隙的自動控制。同時，熔煉的速度也將直接關系到鈦產(chǎn)品的成分與質(zhì)量，Williamson為代表的團隊通過整體全面的考慮影響因素，例如電極間隙、和電極重量等相關數(shù)據(jù)，研究出了動態(tài)熔速控制模型，進而實現(xiàn)熔煉自動化。③生產(chǎn)實現(xiàn)高效化。由于自耗電極的質(zhì)量大幅提高，使得真空自耗電弧熔煉技術工藝的穩(wěn)定性與重復性也大大提高，并且，在國外，真空自耗電弧熔煉技術大多選擇雙工位布置模式，熔煉時可交替進行，進而實現(xiàn)生產(chǎn)的高效化，大大地降低人工成本，極大地提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省生產(chǎn)時間，縮小與大國之間的差距。④供電趨于穩(wěn)定。最開始，真空自耗熔煉技術大多采用非同軸的形式來供電，但是，若是強大電流經(jīng)過，會產(chǎn)生極強的復雜磁場，熔煉過程極不穩(wěn)定。目前的新型真空自耗電弧熔煉爐都使用同軸型的供電方式，能夠抵制磁場影響，阻止偏析的產(chǎn)生。⑤引入數(shù)值模擬方法。以前，對鈦及鈦合金的真空熔煉，僅僅是感性的認識，對溫度場的數(shù)值也不清楚。雖然真空自耗電弧熔煉技術的工藝較為簡單并且操作較為方便，但是因為熱源特點將導致熔體的溫度不均，使得產(chǎn)品存在成分和組織的不均勻，并且也容易出現(xiàn)缺陷。近來，計算機的模擬技術深入發(fā)展，很多人對與凝固理論意識加深，我國研究人員趙小花采用有限元模擬的方法，了解熔煉過程的溫度場分布情況，進而分析不同階段熔煉規(guī)律。

在真空熔煉的過程中，其溫度場和凝固的組織模擬，將對技術工人精準了解工藝具有重要的作用，并且避免了實際開發(fā)失敗的損失，提高生產(chǎn)效率。

2 冷床爐熔煉技術

冷床爐熔煉技術大多是用在航空鈦合金的生產(chǎn)上，可以提高鈦合金的質(zhì)量和可靠性，彌補真空自耗電弧熔煉技術的不足，同時也適合工業(yè)的生產(chǎn)。

（1）冷床爐熔煉的原理。冷床爐熔煉分為3個部分，即熔化部分、精煉部分和結(jié)晶部分。在熔化部分中，將原材料由固態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)，將液態(tài)鈦液引入精煉部分；在精煉部分中，鈦液在冷床爐上停留一段時間，能夠有效地剔除易揮發(fā)的雜質(zhì)，例如鈣和鎂等；最后，在結(jié)晶部分中，將處理后的鈦液引入結(jié)晶器中塑形。

（2）冷床爐熔煉的優(yōu)勢。①生產(chǎn)的成品種類繁多，并且不需要壓制電極，大大地縮短時間，同時降低成本，提高從產(chǎn)品品質(zhì)；②可以大量運用經(jīng)濟的生產(chǎn)原料；③可以有效地剔除易揮發(fā)、低密度和高密度的雜質(zhì)；④可以通過功率來控制產(chǎn)品的密度，同時也可以控制鈦液在冷床處理的時間，大大地提高其均勻性、穩(wěn)定性和靈活性；⑤可以生產(chǎn)出不同型號的產(chǎn)品，并且減少生產(chǎn)中損耗，提高產(chǎn)品的成品率；⑥可以實現(xiàn)一次成型，一爐多型，提高生產(chǎn)的效率。

3 PACHM技術的發(fā)展現(xiàn)狀

PAM爐主要在美國運用的較多，開發(fā)時間也最早，經(jīng)過多年的發(fā)展，多國已經(jīng)具備批量生產(chǎn)高質(zhì)量鈦合金的能力美國、俄羅斯等發(fā)達國家已經(jīng)將其大規(guī)模地引入航空航天領域，例如，美國海軍的F-16飛機利用等離子冷床爐熔煉技術生產(chǎn)出F110發(fā)動機。美國航空的發(fā)動機關鍵部大多采用“HEARTH+VAR”的鈦合金工藝，這說明單一冷床爐熔煉技術在航空鈦合金的生產(chǎn)也是可行的并且可以節(jié)約產(chǎn)品的加工成本，提高成品率。

我國采用PACHM技術的時間較短，最先引進的是北京航空材料研究院，在2003年購買了1臺美國生產(chǎn)的PACHM爐，其總功率是600kW，可以實現(xiàn)拉錠和澆鑄一體化。其生產(chǎn)的TC4和TiAl鑄錠，在合金的雜質(zhì)元素含量、夾雜物和合金化元素含量控制等方面均取得了較大的成功。上海寶鋼集團為提升市場競爭力，擴大熔鑄能力，于2008年引進一臺單結(jié)晶室雙坩堝PACHM爐。隨著生產(chǎn)技術的不斷發(fā)展，PACHM爐也加入了氦氣回收再生體系，既可以回收氣體降低成本，又可以實現(xiàn)環(huán)境的保護。為了進一步地優(yōu)化PAM生產(chǎn)工藝，美國也開發(fā)了冷床爐熔煉的模擬軟件，這種軟件可以實時觀察鈦溶液的流動方向、溫度高低等，并且該模擬軟件已經(jīng)逐漸地應用到鈦合金生產(chǎn)領域。

4 結(jié)語

隨著新時代的不斷發(fā)展以及我國鈦工業(yè)的深入發(fā)展，鈦及鈦合金的真空熔煉技術也不斷進步并且趨于成熟，雖然我國的發(fā)展速度較快，但是距離其他發(fā)達國家之間還具有一定的差距。但是，新熔煉技術也不斷地出現(xiàn)，這將解決耗能大和指標低問題，因此，我國要緊跟時代的步伐，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高生產(chǎn)效率和利潤，推動新時代我國經(jīng)濟和社會的全面發(fā)展。