钛材料熔炼(meltingoftitaniLlmmaterial)

熔化钛原料和添加料，制取钛和钛合金致密锭坯的过程。是钛材料制备的首道工序。

简史 1940年，卢森堡科学家克罗尔(J．w．Kroll)在美国首次用真空非自耗电弧熔炼法熔炼海绵钛，获得了致密钛锭。20世纪40年代末，首先在美国完成了工业规模自耗炉定型，标志着钛熔炼工业进入了稳定发展阶段。随后，前苏联、英国、日本相继于50年代中期，建立了各自的钛熔炼工业。

70年代，世界上已能用自耗电弧熔炼法，生产φ1．5m、单重30t的钛锭。自耗炉由于采用同轴供电方式、设置x—y电极调整装置和控制熔炼速度的微机自动控制而日臻完善。在此期间，陆续出现了中空阴极等离子束、电子束和真空等离子弧等熔炼钛新方法，主要用于返回残钛，制取异形锭坯。到80年代，针对自耗熔炼难于根治夹杂、偏析缺陷的缺点，在电子束、等离子熔炼基础上，开发出冷炉床熔炼钛合金的新工艺方法。其主要优点是可随意控制熔炼速度、液态保持时间、液态温度，除直接制取异形锭坯外，也可做自耗熔炼的前次初熔。

生产概况钛锭的主要生产国有美国、俄罗斯和日本，都可生产单重20t以上钛锭，世界的主要产量和产能均在这三国。其他如英国、德国、中国等也有一定规模。一般纯钛锭在10t左右。合金锭的规格为φ700～1000mm，单重3～10t。(见彩图插页第11页)。

自耗电极块的制备，大多采用3000～。7000kN油压机模压，俄罗斯采用10MN立式油压机，可控制最大规格为(φ650×5500mm整根电极，可免去组焊工序。电极组焊一般采用惰性气体保护等离子弧焊法，航空等重要用途钛合金的电极组焊，必须在真空或惰性气体保护焊箱内进行。

自耗熔炼一般只生产圆锭，采用电子束或等离子弧熔炼法，可制取大规格1350mm×250mm或φ800mm、单件质量3～8t扁锭等异型锭坯。大型设备有功率达3．3Mw的电子束冷炉床炉和2Mw的等离子冷炉床炉。

特点 由于钛具有活性高、熔点高和对间隙杂质含量极为敏感的特性，熔炼只能在真空或惰性气氛保护下进行，通称真空熔炼。占主导地位的方法是真空自耗电弧熔炼(VAR、以下简称自耗熔炼)，其原理是将海绵钛和添加料制备成电极，在真空室内，利用电极和水冷铜坩埚之间的电弧放电产生的高温，将电极熔化后滴落入坩埚中冷凝成锭坯。自耗炉主要由炉体、电极驱动机构、水冷铜坩埚、真空系统、主直流电源和控制台等组成。炼钛用专用自耗炉均设防爆设施，采用远距离遥控操作，炉子的典型构成见示意图1。此外，还有电子束、真空等离子弧、等离子束、旋转电极非自耗、真空电渣和冷炉床熔炼等，都可用于熔炼钛，凝壳熔炼法是钛铸件生产的基础。

生产流程 一般钛材料经二次自耗熔炼制取，航空等重要用途的某些钛合金需经3次熔炼，典型生产流程见图2。

控制因素 钛材料的自耗熔炼在1～70Pa压力范围的真空度下进行。熔化精炼和冷凝均在同一水冷坩埚中完成。除氢杂质外，间隙杂质的脱除有限，其中氧则不能在熔炼中脱除，所以锭坯的质量主要取决于炉料和工艺条件的控制，主要因素有：配料通过对不同批次海绵钛、回炉料、添加料合理配比、组合，以保证锭坯化学成分和杂质含量在合格范围内，并具有良好的均一性。对于纯钛应特别注意氧、铁含量的控制，对大型铸锭，还应考虑合金组元在钛合金中的偏析倾向，进行合理的调整。

熔速控制 电弧电压和脉冲控制法，都不能保证金属熔池维持稳定的热平衡条件，而导致合金成分的不均一性。自耗炉应设有自耗电极连续称重传感装置，按不同合金组元组成、规格的最佳凝固条件，由微机处理调整输入功率，以控制熔炼速度，对于新的合金成分的不同规格品种，需进行软件和实施效果的印证工作。

热封顶 对于出成品的熔炼炉次，熔炼终了前，应进行逐渐降低输入电流的热封顶程序，达到补缩效果，减少铸锭顶部冒口切除量。

惰性气氛保护熔炼 对于含有高挥发性元素(如元素锰等)的钛合金，重熔炉次宜在惰性气氛保护下进行，以保证化学成分均匀性和提高收得率。

中间合金的利用 在钛合金配料时，采用中间合金添加方式，可以改善熔化条件，减少偏析，并可提高收得率。常用的中间合金有Al—V、Al—Mo、AlCr、Al—Sn—si等。

展望 围绕提高产品可靠性、节能、低成本的目标，钛的熔炼方法将进一步向多样化发展。可不经制备电极、回炉残料利用比例不受限制的电子束、等离子体熔炼等方法，在制取纯钛扁锭、异形锭坯方面，将逐渐取代自耗熔炼。为有效地消除钛杂质，偏析等缺陷，冷炉床熔炼或冷炉床和自耗熔炼串联工艺的应用将进一步扩大。随着科技的进步和某些特殊性能的需要，还将有更多的新方法、新工艺应用于钛材料熔炼，如双电极电弧熔炼、真空感应凝壳熔炼等。