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        核級(jí)鈦材鑄錠熔煉坩堝擊傷問(wèn)題的原因分析及對(duì)策

        2021-10-31 08:52:18劉平平劉曉寧
        世界有色金屬 2021年8期
        關(guān)鍵詞:質(zhì)量

        劉平平,劉曉寧

        (1.天水師范學(xué)院 機(jī)電與汽車工程學(xué)院,甘肅 天水 741000 ;2.國(guó)核寶鈦鈦業(yè)股份公司,陜西 寶雞 721013)

        近幾年,隨著我國(guó)核電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,對(duì)于核級(jí)鈦材燃料組件的需求高速增長(zhǎng),而組成核燃料組件的核級(jí)鈦材——管、棒、帶材等是通過(guò)海綿鈦添加合金元素后熔煉成鈦合金鑄錠,再經(jīng)過(guò)鍛造、擠壓、軋制等塑性加工而成[1]。

        目前,核級(jí)鈦材鑄錠工業(yè)化生產(chǎn)主要采用真空自耗電弧爐(簡(jiǎn)稱VAR)熔煉。VAR熔煉在水冷銅坩堝中凝固成鑄錠。坩堝作為真空電弧爐的重要部件,其安全運(yùn)行至關(guān)重要。然而,在核級(jí)鈦材鑄錠工業(yè)化生產(chǎn)中,由于采用不合理的坩堝比、電極塊掉塊、原料中雜質(zhì)含量較高等等因素,常常會(huì)有自耗電極與坩堝起邊弧、爬弧等現(xiàn)象,造成擊傷坩堝內(nèi)壁,嚴(yán)重時(shí)也可能擊穿坩堝造成嚴(yán)重的安全事故[2]。因此,針對(duì)此類問(wèn)題,制定相應(yīng)的措施,從而提供高質(zhì)量的核級(jí)鈦材是核級(jí)鈦材鑄錠制造技術(shù)必須攻關(guān)的課題之一。

        1 坩堝在VAR熔煉中的用途

        真空電弧熔煉是利用電極和坩堝兩極間電弧放電產(chǎn)生的高溫做熱源,將金屬材料熔化,在坩堝內(nèi)冷凝成錠的過(guò)程。作為真空自耗電弧爐核心部件的坩堝,是熔煉鑄錠的結(jié)晶器。自耗電極在坩堝中熔煉時(shí),進(jìn)行著大量的熱交換。當(dāng)電弧發(fā)生異常而產(chǎn)生邊?。醋院碾姌O和銅坩堝之間產(chǎn)生的邊?。r(shí),易損壞坩堝內(nèi)壁或擊穿坩堝。因此對(duì)坩堝的材質(zhì)、形狀、結(jié)構(gòu)及冷卻系統(tǒng)有嚴(yán)格的要求。核級(jí)鈦材鑄錠熔煉的坩堝采用純銅材質(zhì),其導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性好,且不污染被熔化材料。電弧爐常用坩堝的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 坩堝結(jié)構(gòu)示意圖

        主要由筒體、底墊、法蘭和外面的不銹鋼水套以及必要的緊固裝置構(gòu)成。

        2 坩堝擊傷對(duì)鑄錠質(zhì)量及真空自耗電弧爐安全性的影響

        在核級(jí)鈦合金鑄錠熔煉過(guò)程中,如果發(fā)生坩堝擊傷可產(chǎn)生不同程度的影響。首先可使鑄錠被銅污染,造成鑄錠中Cu含量超標(biāo),最終導(dǎo)致用于核反應(yīng)堆的核級(jí)鈦材性能不滿足原設(shè)計(jì)和使用要求,對(duì)整個(gè)核電站的正常運(yùn)行和安全造成嚴(yán)重威脅。

        另外,真空自耗電弧爐熔煉核級(jí)鈦材時(shí),一旦因擊穿坩堝漏水,水進(jìn)入熔池后會(huì)導(dǎo)致熔煉中斷、蒸汽爆炸和金屬爆炸、氫氣爆炸等危險(xiǎn),使得鑄錠報(bào)廢、爐體報(bào)廢,嚴(yán)重時(shí)爐內(nèi)壓力可以超聲速傳播、破壞力較大,甚至可摧毀廠房。

        3 造成坩堝擊傷問(wèn)題的主要原因分析

        3.1 電弧不穩(wěn)定

        氣相壓力(真空度)對(duì)電弧的穩(wěn)定性影

        響較大。當(dāng)氣相壓力和其他工藝參數(shù)控制不好時(shí),電弧便不穩(wěn)定,易產(chǎn)生邊弧和擴(kuò)散弧,嚴(yán)重時(shí)會(huì)擊穿坩堝,造成水冷銅坩堝漏水和爆炸事故。因此,在熔煉過(guò)程中必須確保電弧的穩(wěn)定性。電弧的穩(wěn)定受弧長(zhǎng)、爐內(nèi)壓力和電磁場(chǎng)的影響。

        真空自耗電弧熔煉時(shí),弧長(zhǎng)(自耗電極下端與熔池表面之間的距離)要保持在一定的范圍內(nèi)。電弧長(zhǎng)度過(guò)短,易產(chǎn)生周期性的短路,使熔池溫度不穩(wěn)定,影響鑄錠結(jié)晶組織的均勻性,并且由于金屬噴濺嚴(yán)重而惡化鑄錠表面質(zhì)量;電弧長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng),電弧熱能不集中,熔池?zé)釗p失大且易出現(xiàn)邊弧、爬弧和散弧,擊傷銅坩堝內(nèi)壁,嚴(yán)重時(shí)可造成安全事故。

        熔煉時(shí)爐室的壓力要比弧區(qū)壓力低。實(shí)踐表明,氣相壓力在6.7×103~105Pa范圍內(nèi)電弧是穩(wěn)定的;壓力在67~6.7×103Pa時(shí),電弧在坩堝內(nèi)嚴(yán)重漂移,易產(chǎn)生邊弧和散弧,并且電弧向坩堝壁上爬升導(dǎo)致坩堝發(fā)熱,甚至有燒穿的危險(xiǎn),這個(gè)氣相壓力范圍稱為危險(xiǎn)區(qū);氣相壓力降低至67Pa以下,電弧又恢復(fù)穩(wěn)定,稱67Pa這個(gè)恢復(fù)穩(wěn)定的氣相壓力為臨界壓力。在真空熔煉作業(yè)中,氣相壓力必須避開(kāi)危險(xiǎn)區(qū),常保持在臨界壓力以下[3]。

        電弧爐的磁場(chǎng)有電弧及電弧爐導(dǎo)體電流所建立的自身磁場(chǎng)和外加磁場(chǎng)。在用直流電源供電的自耗電弧爐的磁場(chǎng)主要是磁吹偏現(xiàn)象,常用外加磁場(chǎng)(即電弧爐的穩(wěn)弧線圈)來(lái)穩(wěn)弧。使用穩(wěn)弧線圈時(shí),應(yīng)選用合適的穩(wěn)弧電流。電流過(guò)小穩(wěn)弧作用不明顯,出現(xiàn)電弧不穩(wěn)或起邊弧,造成坩堝燒穿的危險(xiǎn)。電流過(guò)大則電弧被嚴(yán)重壓縮而導(dǎo)致熄弧,并因熔池旋轉(zhuǎn)激烈而影響鑄錠質(zhì)量。

        3.2 坩堝比不合理

        坩堝比(電極直徑d與坩堝內(nèi)徑D之比)是影響鑄錠質(zhì)量和安全生產(chǎn)的重要工藝參數(shù)之一。對(duì)于鈦材鑄錠自耗熔煉的坩堝比一般為0.63~0.88[1],最佳間隙在30mm~50mm。坩堝比過(guò)大,間隙就過(guò)小,對(duì)自耗電極平直度要求較高,操作起來(lái)難度較大,且間隙小會(huì)影響鑄錠中雜質(zhì)或氣體的去除,易產(chǎn)生邊弧現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)會(huì)損傷坩堝內(nèi)壁或擊穿坩堝,造成安全事故。坩堝比過(guò)小,間隙過(guò)大,就會(huì)使熔速較快不易操作,電弧不穩(wěn)定,熔池不到邊,鑄錠質(zhì)量較差。

        3.3 自耗電極質(zhì)量差

        核級(jí)鈦材鑄錠熔煉所用自耗電極為海綿鈦加合金元素組成。自耗電極的優(yōu)劣對(duì)熔煉鑄錠質(zhì)量和電弧爐安全操作有著決定性的作用。自耗電極質(zhì)量的衡量指標(biāo)包括:電極塊密度、自耗電極的強(qiáng)度和平直度等。

        實(shí)踐表明,電極塊密度大于3.2g/cm3就可滿足熔煉要求。若電極塊的密度較小,就容易發(fā)生掉塊現(xiàn)象,而且組焊后的電極強(qiáng)度較差;在吊運(yùn)過(guò)程中可能因承受不住自身的重量或外力而斷裂或掉渣;在熔煉的過(guò)程中會(huì)造成導(dǎo)電性差,無(wú)法承受電極升降震動(dòng)和爐內(nèi)熱應(yīng)力,出現(xiàn)電極掉塊(圖2(a))或掉蛋現(xiàn)象,這些現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致熔煉終止,砸傷或擊傷坩堝內(nèi)壁,如圖2(b)所示。

        圖2 (a)電極掉塊和

        圖2 (b)擊傷的坩堝內(nèi)壁

        自耗電極的平直度較差時(shí),局部與坩堝內(nèi)壁間隙較?。ㄐ∮谌蹮掚娀¢L(zhǎng)度),此處就可能發(fā)生自耗電極與坩堝壁起弧,擊傷或擊穿坩堝,嚴(yán)重時(shí)造成安全事故。

        3.4 原材料中雜質(zhì)含量較高

        海綿鈦是鈦材鑄錠生產(chǎn)所需主要原材料。對(duì)于海綿鈦的化學(xué)成分控制至關(guān)重要。核級(jí)鈦材鑄錠所用核級(jí)海綿鈦是采用的Mg還原法制得的,其中殘留的少量MgCl2、Mg、H2O等在電極進(jìn)入熔化狀態(tài)前有相當(dāng)部分被真空機(jī)組排出爐外,也有冷凝于上部坩堝壁或爐室內(nèi)壁。當(dāng)Cl含量較高時(shí),揮發(fā)物沾滿坩堝壁(圖3(a)),造成電極與坩堝起弧而擊傷坩堝內(nèi)壁(圖3(b)),嚴(yán)重時(shí)擊穿坩堝,造成坩堝漏水,電弧爐爆炸。

        圖3 揮發(fā)物較多時(shí)(a)揮發(fā)物沾滿坩堝內(nèi)壁和

        圖3 揮發(fā)物較多時(shí)(b)擊傷的坩堝內(nèi)壁

        上述這些原因盡管只是在嚴(yán)重時(shí)才擊穿坩堝,造成坩堝漏水,發(fā)生電弧爐爆炸的事故,但在核級(jí)鈦合金鑄錠生產(chǎn)的過(guò)程中,只要發(fā)生與坩堝起弧,就可能造成鑄錠受銅污染導(dǎo)致銅含量超標(biāo)的質(zhì)量事故,因此為避免鈦材在VAR熔煉過(guò)程中擊傷坩堝,針對(duì)以上分析出的原因,可以采取如下的措施來(lái)預(yù)防和減少該類問(wèn)題的發(fā)生。

        4 防止坩堝擊傷問(wèn)題的應(yīng)對(duì)對(duì)策

        4.1 控制好電弧的穩(wěn)定性

        (1)將弧長(zhǎng)控制在一定的范圍內(nèi)。實(shí)踐表明,一般VAR熔煉電弧電壓為22V~65V,對(duì)應(yīng)弧長(zhǎng)為20mm~50mm[4]。另外,電弧長(zhǎng)度要小于電極與坩堝之間的間隙;

        (2)熔煉時(shí)氣相壓力控制在臨界壓力67Pa以下;

        (3)選擇合適的穩(wěn)弧參數(shù),采用穩(wěn)弧線圈電壓為20V~40V、穩(wěn)弧電流控制在范圍2A~15A[4]范圍內(nèi)。

        4.2 選擇合理的坩堝比

        鈦材鑄錠自耗熔煉的坩堝比一般控制為0.63~0.88[1]范圍內(nèi),最佳間隙在控制30mm~50mm范圍內(nèi)。從安全點(diǎn)出發(fā),電極與坩堝之間的間隙應(yīng)確保大于正常熔煉時(shí)的弧長(zhǎng)。

        4.3 控制好自耗電極質(zhì)量

        (1)確保電極塊密度大于3.2g/cm3。經(jīng)驗(yàn)表明,核級(jí)鈦材電極塊密度一般大于4g/cm3可滿足使用要求;

        (2)自耗電極要有足夠的強(qiáng)度、導(dǎo)電性、平直度,不得污染和受潮。自耗電極除能承受自重外,應(yīng)能在吊運(yùn)及熔煉操作過(guò)程中的振動(dòng)和沖擊下不受損壞。另外,焊縫要有足夠的焊接面積,確保電極強(qiáng)度和良好的導(dǎo)電性能。

        (3)通過(guò)改進(jìn)優(yōu)化電極的裝卡、組配方式,使得單個(gè)電極塊之間的位置差異最小,從而確保整個(gè)電極長(zhǎng)度方向的直線度滿足要求。

        4.4 嚴(yán)格控制核級(jí)海綿鈦中Cl元素的含量

        (1)嚴(yán)格控制海綿鈦質(zhì)量,對(duì)其進(jìn)行挑料,確保挑出其中含有氯化物的海綿鈦;

        (2)盡量使用Cl含量較低或搭配使用Cl含量高低不同批次的海綿鈦,采用布料均勻混料;

        (3)加強(qiáng)原料的存儲(chǔ)管理,開(kāi)封后盡量在24h內(nèi)使用。海綿鈦中的氯化物易吸潮,需存儲(chǔ)在干燥區(qū)域,必要時(shí)可充氬保存或烘干后使用。

        (4)在允許范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)脑龃笕蹮掚娏鳎ń?jīng)驗(yàn)表明,對(duì)鈦及其合金熔煉電流I=(18-33)Dk范圍內(nèi)選擇(Dk為坩堝直徑)[5]),提高熔煉功率,有利于雜質(zhì)元素的揮發(fā)去除。

        5 結(jié)語(yǔ)

        本文根據(jù)核級(jí)鈦材自身的材料特性及鑄錠真空自耗電弧熔煉的特點(diǎn),綜合考慮坩堝擊傷的主要原因?yàn)殡娀〔环€(wěn)定、坩堝比不合理、自耗電極質(zhì)量差、雜質(zhì)含量高等,為避免鑄錠熔煉過(guò)程中擊傷坩堝,造成鑄錠質(zhì)量不合格或者電弧爐嚴(yán)重的安全事故,提出針對(duì)電弧的穩(wěn)定性、坩堝比、自耗電極質(zhì)量、海綿鈦質(zhì)量等原因的控制措施,確保鑄錠熔煉過(guò)程中的電弧爐安全性和鑄錠質(zhì)量。

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