真空磁控電弧重熔精煉金屬的方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種爐外精煉方法和裝置，特別是涉及一種電磁冶金二次精煉的方法和裝置，應(yīng)用于金屬材料電磁冶金制備和金屬材料質(zhì)量控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)真空電弧重熔工藝是把普通冶煉方法制備的金屬電極棒，在無渣真空條件下通過直流電弧的高溫作用迅速熔化并在水冷銅模結(jié)晶器中進(jìn)行再凝固。當(dāng)液態(tài)金屬以薄層形式形成熔滴通過近5000K的電弧區(qū)域向結(jié)晶器中過渡和凝固過程中，發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，真空、無渣的條件下熔煉杜絕了外界空氣和熔渣等對鋼及合金的污染，還可以降低鋼中及合金中的氣體和低熔點(diǎn)有害金屬雜質(zhì)，提高重熔金屬的潔凈度，真空電弧重熔過程能夠有效地降低金屬中氫、鉛、祕、銀等的含量，并具有一定的脫氮能力。熔煉室內(nèi)氧分壓極低的條件下使得重熔過程中鋁、鈦等活潑元素的燒損少，由于弧區(qū)溫度高，故而可以熔煉難熔合金。作為一種理想的特種材料二次精煉技術(shù)，真空電弧重熔過程中金屬液自下而上的順序凝固及快速使凝固過程中再生夾雜物尺寸細(xì)小、分布均勻。通過對合金凝固結(jié)晶過程的合理控制，可以對合金凝固組織進(jìn)行改善，得到偏析程度低、致密度高的優(yōu)質(zhì)錠子。
[0003]真空電弧重熔是冶煉易偏析、難熔的高溫合金等特種材料的關(guān)鍵技術(shù)之一，在工業(yè)生產(chǎn)中取得了較為廣泛的應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)真空電弧重熔尚存在一些不足，由于真空條件下產(chǎn)生的電弧重按形狀劃分可分為兩種類型:擴(kuò)散形真空電弧和集聚形真空電弧，前者主要在低電流過程中出現(xiàn)，后者在較高的電流條件下出現(xiàn)。根據(jù)相關(guān)理論，真空電弧的產(chǎn)生主要由陰極上形成的斑點(diǎn)發(fā)射電子和產(chǎn)生金屬蒸汽，電子與金屬蒸汽碰撞產(chǎn)生新的電子和正離子，從而形成電弧等離子體，真空電弧柱中帶電粒子向陽極運(yùn)動過程中會發(fā)生擴(kuò)散，從而形成錐頂角為60度的圓錐狀弧柱。隨著電流增大，陰極斑點(diǎn)增多，相鄰的椎體發(fā)生重疊，不斷增多的粒子轟擊陽極使其表面溫度迅速升高而產(chǎn)生陽極斑點(diǎn)，從而噴射出帶正電的金屬蒸汽和正離子，使得真空電弧柱中的帶電粒子急劇增多，電導(dǎo)率增加，陽極斑點(diǎn)所在的弧柱的弧柱電壓下降，導(dǎo)致其他陰極斑點(diǎn)所對應(yīng)的弧柱電壓不能維持而熄滅，陰極表面只剩下與陽極斑點(diǎn)正對面的陰極斑點(diǎn)，因而形成集聚形真空電弧。集聚形真空電弧使得陽極陰極表面局部升溫劇烈，導(dǎo)致嚴(yán)重熔融汽化，合金成分損失嚴(yán)重和冶金質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。以鎳基高溫合金為代表的高溫合金，其化學(xué)成分復(fù)雜，對成分含量的控制非?？量獭Ｒ虼?，如何強(qiáng)化防止重熔過程中出現(xiàn)集聚形真空電弧，進(jìn)一步提高冶金質(zhì)量仍然是真空電弧重熔工藝亟待解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種真空磁控電弧重熔精煉金屬的方法及裝置，尤其適合高效二次精煉高溫合金，能夠有效提高高溫合金的精煉效果和減少鑄錠偏析。由于傳統(tǒng)真空電弧重熔熔煉過程中電弧容易過度發(fā)散，導(dǎo)致極間離子匱乏，電弧電壓和電弧能量急劇升高，誘發(fā)陽極斑點(diǎn)的形成而出現(xiàn)集聚形真空電弧，使得電極表面溫度不均勻，局部升溫劇烈，導(dǎo)致嚴(yán)重熔融汽化，合金成分損失嚴(yán)重和冶金質(zhì)量受到極大影響。本發(fā)明外加穩(wěn)恒磁場后，真空電弧電流受到洛倫茲力作用抑制了徑向運(yùn)動的帶電粒子，起到了穩(wěn)弧作用，延緩了電極間離子貧乏的現(xiàn)象和陽極斑點(diǎn)的產(chǎn)生，避免形成集聚形真空電弧而導(dǎo)致電極局部溫度過高的“過燒”現(xiàn)象。此外，本發(fā)明還通過外加交變磁場對金屬熔池產(chǎn)生電磁擠壓作用，有效破碎枝晶，起到晶粒細(xì)化作用，有利于合金化學(xué)成分的均勻化，減少鑄錠偏析。
[0005]為達(dá)到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，本發(fā)明構(gòu)思如下:
在真空電弧重熔水冷銅模結(jié)晶器外圍施加一磁場發(fā)生器提供磁場，利用磁場與電流相互作用產(chǎn)生洛倫茲力，穩(wěn)恒磁場能夠有效避免形成集聚形真空電弧產(chǎn)生電極“過燒”現(xiàn)象。本發(fā)明還通過交變磁場在金屬熔體中誘導(dǎo)出感生電流，通過電磁力作用對金屬熔體形成電磁擠壓作用，有利于破碎枝晶，細(xì)化金屬凝固組織，減少鑄錠偏析。
[0006]根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種真空磁控電弧重熔精煉金屬的方法，采用真空電弧重熔裝置，以待重熔精煉的金屬電極棒作為自耗電極，在真空電弧重熔裝置外圍設(shè)置磁場發(fā)生器，控制磁場發(fā)生器向真空電弧重熔裝置提供磁場，使自耗電極底部末端區(qū)域、結(jié)晶器內(nèi)的金屬熔池位置區(qū)域以及自耗電極底部和結(jié)晶器內(nèi)的金屬熔池之間區(qū)域皆處于磁場作用之下，具體包括如下步驟:
a.將待精煉的金屬電極棒安裝到真空電弧重熔裝置的真空室內(nèi)，在真空電弧重熔裝置內(nèi)設(shè)置的結(jié)晶器內(nèi)腔底部放置一層與將待精煉的金屬電極棒成分相同的金屬墊料，通過真空電弧重熔裝置的抽氣孔外接真空栗將真空室抽成真空，調(diào)節(jié)磁場發(fā)生器提供磁場，完成真空電弧重熔的準(zhǔn)備工作；
b.在完成步驟a的真空電弧重熔的準(zhǔn)備工作后，通過真空電弧重熔裝置的電極送進(jìn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動金屬電極棒下降，并使金屬電極棒的底部與結(jié)晶器內(nèi)腔中底部預(yù)先鋪設(shè)的金屬墊料觸發(fā)，產(chǎn)生電弧，開始真空電弧重熔；
c.經(jīng)過步驟b真空電弧重熔開始后，在金屬電極棒的真空電弧重熔的后續(xù)過程中，通過調(diào)整磁場作用區(qū)域、金屬電極棒和重熔錠之間的相對位置，保持金屬電極棒的熔化區(qū)、弧區(qū)以及重熔錠的固液界面均位于磁場作用區(qū)域中，同時控制電弧熔煉電流和金屬電極棒送進(jìn)速度，在金屬電極棒底部端頭產(chǎn)生穩(wěn)定的電弧，將金屬電極棒持續(xù)恪化，隨著金屬電極棒不斷熔化以及重熔錠不斷向上生長，使磁場作用區(qū)域逐漸上移，保持金屬電極棒熔化過程和重熔錠凝固過程均始終處于磁場作用之下，直至完成真空電弧重熔過程，即得到真空電弧重恪錠。
[0007]作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，磁場發(fā)生器提供磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.01?30T的磁場，磁場發(fā)生器能產(chǎn)生恒定磁場、頻率為0.01?10000Hz的交變磁場和頻率為0.01?10000Hz的脈沖磁場中的任意一種磁場或任意幾種磁場成分的混合磁場，磁場方向與金屬電極棒軸向方向呈O?180度的夾角。
[0008]作為上述技術(shù)方案中優(yōu)選的技術(shù)方案，磁場發(fā)生器產(chǎn)生生成磁場的方式采用以下任意一種方法或任意幾種方法的組合方法:一種是采用永磁體聚磁方式產(chǎn)生，還有一種是采用電磁線圈、電磁鐵或鐵軛產(chǎn)生磁場，另有一種是采用超導(dǎo)線圈以及Bitter線圈單獨(dú)或混合產(chǎn)生。
[0009]作為上述技術(shù)方案中優(yōu)選的技術(shù)方案，磁場發(fā)生器由兩組同芯線圈組成，分別向線圈中通直流電流和交流電流，兩組同芯線圈同時提供次磁力線方向?yàn)檠刂饘匐姌O棒軸向的穩(wěn)恒磁場和軸向交變磁場，通過控制磁場強(qiáng)度，利用電磁相互作用產(chǎn)生的震蕩洛倫茲力對重熔錠頂部的金屬熔池進(jìn)行電磁攪拌，細(xì)化重熔錠的凝固組織。