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。