工业冷床炉

1. 镍基合金熔炼工艺国内外镍基高温合金、镍基耐蚀合金、精密合金的熔炼设备主要有真空感应炉、真空自耗炉、电渣炉、电子束炉和等离子电弧炉等。

1）真空感应炉（VIM）真空感应熔炼是一种成熟的真空熔炼方法，是镍基高温合金、耐蚀合金等的重要生产工艺，特别是对于含有铝、钛等活泼元素较多的合金，必须采用真空感应熔炼。

VIM可提供对化学成分最大程度的控制，防止了溶液与大气中氢、氧、氮的接触。

真空下反应的进行和完成比在大气下要快。

除了使溶液均匀外，感应搅拌能持续将反应物带到熔体和真空界面，从而使精炼反应顺利进行。

气体夹杂和痕量元素的蒸发能改善大多数高温合金的力学性能。

VIM缺点在于大多数最终产品都必须进行重熔，主要是为了减少偏析和控制凝固组织以及耐火材料的侵蚀，采用CaO耐火材料坩埚、电磁搅拌、陶瓷过滤等技术均可以有效提高合金的纯净度。

新建3座12 tVIM，熔炼周期14 h/炉，平均每炉产量12 t，年产能18000 t，可满足规划生产真空感应炉锭17685.8 t/a的要求。

2）电渣重熔炉（ESR）电渣冶金是目前生产高品质材料的重要方法，具有纯度高、含硫量低、非金属夹杂物少、钢锭表面光滑、结晶均匀致密、金相组织和化学成分均匀的优点，广泛应用于航天航空、军工、能源、船舶、电子、石化、重型机械和交通等国民经济的重要领域。

电渣重熔的目的是通过将化学精炼和控制凝固结合起来生产高质量铸锭。

电渣重熔过程中，金属材料能够被熔渣有效地精炼，合金中的非金属夹杂物、气体和硫含量显著减少，合金的纯净度提高，因而合金的力学性能得到改善。

电渣熔炼过程中，始终有液态渣的保护，使金属不与空气接触，合金元素烧损低，成分容易控制；避免了熔炼过程中耐火材料的污染；铸锭组织致密，缩孔较小，没有疏松及皮下气泡等缺陷，提高了材料的塑性；设备简单，易于操作。

然而ESR也存在许多不足之处，如熔炼和凝固速率偏低、熔渣吸收气体、活泼元素不易控制以及电极重熔过程经受高温氧化等。

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。

钛合金熔炼设备-冷床熔炼炉如图所示是电子束冷床熔炼炉的结构示意图，主要由炉体、电子枪系统、进料系统、铸造系统、真空系统和电子束电源及其控制部分组成。

炉体的结构形式与电子枪的类型、支数和原料状态及其进料方式有关，目前进料方式有水平和垂直两种。

根据原料形态而不同，可以同时有棒状料进料系统和粒状散料振动加料器系统。

加入散料时，原料由旋转式原料缸送出，再由振动进给加料器投入到冷床内。

为提高生产效率，一般原料是有两个，可交替使用，一台熔炼期间投料，而另一台则备料，因此可以不间歇供料。

原料室和熔炼室之间用真空阀隔开，其维修与保养可在保持熔炼室真空的情况下完成。

熔炼室一般为双壁水冷结构，电子枪和枪室的真空系统装在炉体上部或斜上方。

冷床装在炉室内，一边连接进料系统，另一边连接坩埚和拉锭系统。

原料熔炉在水冷铜床中进行。

原料经熔化后首先在水冷铜床内壁形成一层凝壳，后续原料在凝壳内熔化。

熔化的钛液达到一定高度后，经水冷铜床另一侧的浇口流入水冷凝结器，凝固成铸锭。

（1）熔炼室熔炼室是由Cr18NigTi不锈钢材料构成的方形结构，为了防止在电子束熔炼过程中产生的X射线，对熔炼室的材料有防辐射的要求，同时应定期检查其放射性。

一般熔炼室分别与电子枪、真空系统、进料机构、水冷铜坩埚、拉锭机构和观察测温机构相连接。

（2）电子枪电子枪由钨丝阴极、聚束极、加速阳极、栏孔板、磁聚焦透镜、磁偏转扫描透镜等部件组成，可产生250kW的电子束。

电子束轰击到金属表面上，其动能转化成热能，为熔炼提供热源。

典型的轴向电子枪如图所示。

（3）真空系统电子枪需要在高真空下工作，电子枪室的真空度，一般是在1×10-3～2×10-2Pa的压力范围内。

当真空度低于（2～3）×10-2Pa时，就会出现放电现象。

单位时间内放电的次数随着压力的增高而增加。

熔炼室内允许的工作真空度与电子枪的结构有关，也就是与电子枪的压力分级室的数量有关。

EB炉和V AR炉的冶炼区别钛是一种稀有金属，有良好的抗腐蚀能力及金属中最高的强度-重量比。

钛还能与铁、铝、钒、钼等其他元素熔成合金，制造出高强度的钛合金，广泛应用在航天、军事、工业、汽车、农产食品、医学、运动用品、珠宝及手机等领域。

钛及钛合金的冶炼方法有：真空自耗炉(V AR)、电子束冷床炉(EB)、真空等离子弧和真空等离子束熔炼(PA)、冷床炉熔炼(CHM)。

其中前两者是熔炼钛及钛合金的首选设备，在国内V AR炉较多，而EB炉相对偏少。

这两者区别是：1、原理1)EB炉是利用电子束枪产生的电场加速电子束作为热源轰击被熔金属，将电子的动能转变为热能，从而加热熔化金属。

2)V AR炉是在真空或在惰性气氛中，自耗电极棒作为阴极，在直流电弧的高温作用下迅速熔化，并在水冷铜坩埚内形成熔池。

2、EB炉优势1)EB炉可以充分去除高、低密度夹杂物，可生产航空用钛合金等高端产品。

美国明确规定航空钛合金必须采用EB炉冶炼。

2)EB炉不仅可以生产圆锭，还可以生产矩形锭供直接轧制，可省去锻造开坯，从而大幅度降低金属损耗、降低成本，以超低成本生产纯钛卷等产品。

3)EB炉可以接受大量的残钛原料。

如美国Timet冶炼钛合金时残钛加入量(质量分数)为62.4%，理论上可达到100%。

4)EB炉以其冷床精炼区的净化作用，使得对于除航空钛合金等高端产品外，大多数纯钛和钛合金均可实现一次熔炼，大大节约熔炼成本。

3、EB炉劣势1)生产钛合金时成分控制较难，对于Al、Cr等蒸汽压低于纯钛的金属，其挥发较大，而且随操作条件不断变化，如Al的挥发量(质量分数)达到1.5%。

因此需要一定的操作熟练度和磨合过程。

2)生产钛合金时炉温高、真空度高，钛金属挥发也有一定损失，通常为2%～5%。

3)EB炉造价高，与同产能的进口V AR炉相比，其造价是后者的3.5～4倍，吨材投资较高，导致设备折旧成本高。

基于以上特点，近年来EB炉在国内也逐渐推广开来，国内的宝鸡钛业和宝钢特钢都拥有EB炉设备，极大提升了冶炼水平。

冷床炉熔炼钛合金工艺流程一、概述钛合金是一种具有良好力学性能、耐腐蚀性能和生物相容性的金属材料，广泛应用于航空航天、船舶、化工等领域。

冷床炉熔炼是一种常用的制备高纯度、高品质钛合金的方法，本文将详细介绍冷床炉熔炼钛合金的工艺流程。

二、冷床炉熔炼钛合金的工艺流程1. 原料准备冷床炉熔炼钛合金的原料主要包括纯钛、合金元素等。

纯钛用于提供基体金属，而合金元素用于调整合金成分，提高合金的机械性能和耐腐蚀性能。

在配料过程中，需要根据所需合金成分和性能要求，精确控制各元素的配比。

2. 熔炼过程a. 加料：将经过混合和均匀的原料装入冷床炉中，同时添加适量的保护气体，通常选择氩气或氮气。

保护气体的作用是防止原料受氧化，保证熔炼过程的干净和稳定。

b. 加热：启动冷床炉，加热到设计温度，通常在2000摄氏度左右。

高温能够使原料迅速熔化，有利于混合和扩散。

c. 脱氧：当原料熔化后，需要进行脱氧处理，以去除氧化物和杂质。

通常采用还原剂或熔剂进行脱氧，如氢气、碳等。

d. 固溶过程：在适当的温度和时间下，对熔炼好的合金进行固溶处理，使合金元素充分溶解在基体金属中，确保合金成分的均匀性。

e. 淬火：将固溶好的合金迅速冷却到室温，以形成固溶态。

淬火的目的是快速固固溶过程，避免元素分相。

3. 铸造和热处理经过熔炼和淬火后的合金可以进行铸造或热处理，以进一步改善合金的组织结构和性能。

铸造可以制备不同形状和尺寸的合金件，而热处理可以调节合金的晶粒大小和力学性能。

4. 总结冷床炉熔炼钛合金是一种高效、环保的制备方法，能够获得高纯度、高品质的钛合金材料。

在工艺流程中，需要注意原料的准备和熔炼过程的控制，保证合金的成分和性能达到要求。

通过铸造和热处理等后续工艺，可以进一步完善钛合金的组织结构和性能，满足不同应用领域的需求。

电子束冷床炉熔炼技术电子束冷床炉熔炼（ＥｌｅｃｔｒｏｎＢｅａｍＣｏｌｄＨｅａｒｔｈＭｅｌｔｉｎｇ—ＥＢＣＨＭ）技术，是２０世纪七八十年代发展起来的新型熔炼方法。

ＥＢＣＨＭ技术是一种把电子束和冷炉床结合，在高真空下进行熔炼的冶金技术。

与真空自耗重熔不同，其主要特征是用一个可以进行精炼的冷炉床把原料或电极的熔化和铸锭浇铸分开。

以电子枪的强流电子束作为熔炼热源，使金属熔化，熔融的金属液在特殊设计的冷炉床（即一种比较浅的狭长水冷铜质坩埚）里流动，进行精炼、净化后流入铸模（即配置拉锭机构的水冷结晶器）顺序凝固结晶形成铸锭。

电子束冷床炉熔炼技术经过近四十年的发展，已经超出了传统的冶金操作技术的范畴，成为当代战略金属钛冶金科学技术的一个重要发展前沿，是活性金属以及高熔点金属的提纯和净化能以经济的方式进行工业化大规模生产的主要技术手段，是国民经济和国防建设中一种新兴的，具有重要战略意义的高科技材料产业。

该项技术在钛冶金领域所蕴含的独特的技术经济优势主要有：（１）能够单独调控钛合金处于熔融状态的时间，而不影响铸锭中凝固的那一部分金属液，从而创造更好的精炼条件，使富Ｎ、富Ｏ的夹杂物通过分解的方式得以去除使得合金净化，又不致造成像真空自耗重熔铸锭那样深的熔池，有效避免熔质元素偏析。

（２）能够很方便地利用重力分离的机制，使采用返回料可能夹带的ＷＣ刀具碎块和电极焊接Ｗ夹杂等高比重夹杂物下沉，落入冷炉床凝壳的糊状区而得以去除，不致流入铸锭。

（３）可以直接浇铸成如扁锭、棒条等非轴对称铸锭，比大型圆锭更适合轧制成平面产品（如厚板、薄板和条带），使产品更具竞争力。

（４）能够很有效地利用各种形式的返回料，有利于资源的保护和可持续利用。

（５）便于使用各种在线传感器，对熔化精炼过程进行实时的监测和控制，使这种复杂的高技术装置运行的稳定性与重复性有了可靠保证，并有利于工艺的优化。

电子束冷床炉熔炼设备的关键器件是电子枪，电子束具有很高的能量密度（103~106Ｗ／ｃｍ２），可以达到很高的温度，能够熔化一切金属，并且在真空条件下（＜１０－３Ｐａ）运行，能够充分地去除各种有害杂质和气体，特别适合于熔炼活性金属（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｈｆ）和难熔的高熔点金属（Ｗ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｎｂ）及合金。

第2期梁新宇等:核级Z r-1N b铸锭中Nb元素均匀性控制43参考文献[1]杨艳艳.超高强度B21S合金铸锭成分均匀性的控制[J].钛工业进展,2001,18(2):36-38.[2]稀有金属材料加工手册编写组.稀有金属材料加工手册[M].北京:冶金工业出版社,1984.[3]冯益,孟祥炜,付宝全,等.搅拌磁场对T i1023铸锭宏观组织和成分的影响[J].钛工业进展,2009,26(5): 22-25.The Uniform it y C ontrol for t he N i o biu m E lem ent i n t he Nuclear G rade Zr-1Nb IngotL iang X i n yu,W ang L i p i n g,H e M i n(S tate Nuc l ear Bao ti Z ircon i u m Industry Co.,L td.,Bao ji721014,Ch i na)Abstract:D ue to t he l ow concentra ti on rang e(?012%)o f niob i u m e l e m ent in the Zr-1N b i ngot,the require m en t o f high unifor m ity, and o ther techn ical proble m s,such as easy to form h i gh m elti ng po i nt and h i gh dens it y i nc l usi ons,t he m e t hod o f tr i ple m e lts i n the vacu-u m consu m ab l e a rc f urnace is adopted.T he eff ec ts o f the m anner t o add t he niob i u m a lloy e l ement and the m e lti ng process para m eters on the un ifor m ity of the a lloy i ngo tw ere stud i ed.It i nd i cated tha t the i ngo t of segregati on free,none HD I de fects and fi ne un ifor m ity could be obta i ned through taking t he ZrN b m aste r a ll oy as additi ons tog ether w ith reasonable me lti ng process.K ey word s:Z r-1N b zirconiu m a ll oy;Z r N b m aster all oy;pro cess param eters行业资讯宝钢电子束冷床炉产出首批纯钛扁锭3月11日,宝钢股份特钢事业部对电子束冷床炉产出的首批纯钛扁锭进行验证,结果表明:各项性能指标良好。