核级钛材铸锭熔炼坩埚击伤问题的原因分析及对策

刘平平，刘晓宁

（1.天水师范学院 机电与汽车工程学院，甘肃 天水 741000 ；2.国核宝钛钛业股份公司，陕西 宝鸡 721013）

近几年，随着我国核电产业的迅速发展，对于核级钛材燃料组件的需求高速增长，而组成核燃料组件的核级钛材——管、棒、带材等是通过海绵钛添加合金元素后熔炼成钛合金铸锭，再经过锻造、挤压、轧制等塑性加工而成[1]。

目前，核级钛材铸锭工业化生产主要采用真空自耗电弧炉（简称VAR）熔炼。VAR熔炼在水冷铜坩埚中凝固成铸锭。坩埚作为真空电弧炉的重要部件，其安全运行至关重要。然而，在核级钛材铸锭工业化生产中，由于采用不合理的坩埚比、电极块掉块、原料中杂质含量较高等等因素，常常会有自耗电极与坩埚起边弧、爬弧等现象，造成击伤坩埚内壁，严重时也可能击穿坩埚造成严重的安全事故[2]。因此，针对此类问题，制定相应的措施，从而提供高质量的核级钛材是核级钛材铸锭制造技术必须攻关的课题之一。

1 坩埚在VAR熔炼中的用途

真空电弧熔炼是利用电极和坩埚两极间电弧放电产生的高温做热源，将金属材料熔化，在坩埚内冷凝成锭的过程。作为真空自耗电弧炉核心部件的坩埚，是熔炼铸锭的结晶器。自耗电极在坩埚中熔炼时，进行着大量的热交换。当电弧发生异常而产生边弧（即自耗电极和铜坩埚之间产生的边弧）时，易损坏坩埚内壁或击穿坩埚。因此对坩埚的材质、形状、结构及冷却系统有严格的要求。核级钛材铸锭熔炼的坩埚采用纯铜材质，其导热性和导电性好，且不污染被熔化材料。电弧炉常用坩埚的结构如图1所示。

图1 坩埚结构示意图

主要由筒体、底垫、法兰和外面的不锈钢水套以及必要的紧固装置构成。

2 坩埚击伤对铸锭质量及真空自耗电弧炉安全性的影响

在核级钛合金铸锭熔炼过程中，如果发生坩埚击伤可产生不同程度的影响。首先可使铸锭被铜污染，造成铸锭中Cu含量超标，最终导致用于核反应堆的核级钛材性能不满足原设计和使用要求，对整个核电站的正常运行和安全造成严重威胁。

另外，真空自耗电弧炉熔炼核级钛材时，一旦因击穿坩埚漏水，水进入熔池后会导致熔炼中断、蒸汽爆炸和金属爆炸、氢气爆炸等危险，使得铸锭报废、炉体报废，严重时炉内压力可以超声速传播、破坏力较大，甚至可摧毁厂房。

3 造成坩埚击伤问题的主要原因分析

3.1 电弧不稳定

气相压力（真空度）对电弧的稳定性影

响较大。当气相压力和其他工艺参数控制不好时，电弧便不稳定，易产生边弧和扩散弧，严重时会击穿坩埚，造成水冷铜坩埚漏水和爆炸事故。因此，在熔炼过程中必须确保电弧的稳定性。电弧的稳定受弧长、炉内压力和电磁场的影响。

真空自耗电弧熔炼时，弧长（自耗电极下端与熔池表面之间的距离）要保持在一定的范围内。电弧长度过短，易产生周期性的短路，使熔池温度不稳定，影响铸锭结晶组织的均匀性，并且由于金属喷溅严重而恶化铸锭表面质量；电弧长度过长，电弧热能不集中，熔池热损失大且易出现边弧、爬弧和散弧，击伤铜坩埚内壁，严重时可造成安全事故。

熔炼时炉室的压力要比弧区压力低。实践表明，气相压力在6.7×103～105Pa范围内电弧是稳定的；压力在67～6.7×103Pa时，电弧在坩埚内严重漂移，易产生边弧和散弧，并且电弧向坩埚壁上爬升导致坩埚发热，甚至有烧穿的危险，这个气相压力范围称为危险区；气相压力降低至67Pa以下，电弧又恢复稳定，称67Pa这个恢复稳定的气相压力为临界压力。在真空熔炼作业中，气相压力必须避开危险区，常保持在临界压力以下[3]。

电弧炉的磁场有电弧及电弧炉导体电流所建立的自身磁场和外加磁场。在用直流电源供电的自耗电弧炉的磁场主要是磁吹偏现象，常用外加磁场（即电弧炉的稳弧线圈）来稳弧。使用稳弧线圈时，应选用合适的稳弧电流。电流过小稳弧作用不明显，出现电弧不稳或起边弧，造成坩埚烧穿的危险。电流过大则电弧被严重压缩而导致熄弧，并因熔池旋转激烈而影响铸锭质量。

3.2 坩埚比不合理

坩埚比（电极直径d与坩埚内径D之比）是影响铸锭质量和安全生产的重要工艺参数之一。对于钛材铸锭自耗熔炼的坩埚比一般为0.63～0.88[1]，最佳间隙在30mm～50mm。坩埚比过大，间隙就过小，对自耗电极平直度要求较高，操作起来难度较大，且间隙小会影响铸锭中杂质或气体的去除，易产生边弧现象，严重时会损伤坩埚内壁或击穿坩埚，造成安全事故。坩埚比过小，间隙过大，就会使熔速较快不易操作，电弧不稳定，熔池不到边，铸锭质量较差。

3.3 自耗电极质量差

核级钛材铸锭熔炼所用自耗电极为海绵钛加合金元素组成。自耗电极的优劣对熔炼铸锭质量和电弧炉安全操作有着决定性的作用。自耗电极质量的衡量指标包括：电极块密度、自耗电极的强度和平直度等。

实践表明，电极块密度大于3.2g/cm3就可满足熔炼要求。若电极块的密度较小，就容易发生掉块现象，而且组焊后的电极强度较差；在吊运过程中可能因承受不住自身的重量或外力而断裂或掉渣；在熔炼的过程中会造成导电性差，无法承受电极升降震动和炉内热应力，出现电极掉块（图2（a））或掉蛋现象，这些现象会导致熔炼终止，砸伤或击伤坩埚内壁，如图2（b）所示。

图2 （a）电极掉块和

图2 （b）击伤的坩埚内壁

自耗电极的平直度较差时，局部与坩埚内壁间隙较小（小于熔炼电弧长度），此处就可能发生自耗电极与坩埚壁起弧，击伤或击穿坩埚，严重时造成安全事故。

3.4 原材料中杂质含量较高

海绵钛是钛材铸锭生产所需主要原材料。对于海绵钛的化学成分控制至关重要。核级钛材铸锭所用核级海绵钛是采用的Mg还原法制得的，其中残留的少量MgCl2、Mg、H2O等在电极进入熔化状态前有相当部分被真空机组排出炉外，也有冷凝于上部坩埚壁或炉室内壁。当Cl含量较高时，挥发物沾满坩埚壁（图3（a）），造成电极与坩埚起弧而击伤坩埚内壁（图3（b）），严重时击穿坩埚，造成坩埚漏水，电弧炉爆炸。

图3 挥发物较多时（a）挥发物沾满坩埚内壁和

图3 挥发物较多时（b）击伤的坩埚内壁

上述这些原因尽管只是在严重时才击穿坩埚，造成坩埚漏水，发生电弧炉爆炸的事故，但在核级钛合金铸锭生产的过程中，只要发生与坩埚起弧，就可能造成铸锭受铜污染导致铜含量超标的质量事故，因此为避免钛材在VAR熔炼过程中击伤坩埚，针对以上分析出的原因，可以采取如下的措施来预防和减少该类问题的发生。

4 防止坩埚击伤问题的应对对策

4.1 控制好电弧的稳定性

（1）将弧长控制在一定的范围内。实践表明，一般VAR熔炼电弧电压为22V～65V，对应弧长为20mm～50mm[4]。另外，电弧长度要小于电极与坩埚之间的间隙；

（2）熔炼时气相压力控制在临界压力67Pa以下；

（3）选择合适的稳弧参数，采用稳弧线圈电压为20V～40V、稳弧电流控制在范围2A～15A[4]范围内。

4.2 选择合理的坩埚比

钛材铸锭自耗熔炼的坩埚比一般控制为0.63～0.88[1]范围内，最佳间隙在控制30mm～50mm范围内。从安全点出发，电极与坩埚之间的间隙应确保大于正常熔炼时的弧长。

4.3 控制好自耗电极质量

（1）确保电极块密度大于3.2g/cm3。经验表明，核级钛材电极块密度一般大于4g/cm3可满足使用要求；

（2）自耗电极要有足够的强度、导电性、平直度，不得污染和受潮。自耗电极除能承受自重外，应能在吊运及熔炼操作过程中的振动和冲击下不受损坏。另外，焊缝要有足够的焊接面积，确保电极强度和良好的导电性能。

（3）通过改进优化电极的装卡、组配方式，使得单个电极块之间的位置差异最小，从而确保整个电极长度方向的直线度满足要求。

4.4 严格控制核级海绵钛中Cl元素的含量

（1）严格控制海绵钛质量，对其进行挑料，确保挑出其中含有氯化物的海绵钛；

（2）尽量使用Cl含量较低或搭配使用Cl含量高低不同批次的海绵钛，采用布料均匀混料；

（3）加强原料的存储管理，开封后尽量在24h内使用。海绵钛中的氯化物易吸潮，需存储在干燥区域，必要时可充氩保存或烘干后使用。

（4）在允许范围内适当的增大熔炼电流（经验表明，对钛及其合金熔炼电流I=（18-33)Dk范围内选择(Dk为坩埚直径)[5]），提高熔炼功率，有利于杂质元素的挥发去除。

5 结语

本文根据核级钛材自身的材料特性及铸锭真空自耗电弧熔炼的特点，综合考虑坩埚击伤的主要原因为电弧不稳定、坩埚比不合理、自耗电极质量差、杂质含量高等，为避免铸锭熔炼过程中击伤坩埚，造成铸锭质量不合格或者电弧炉严重的安全事故，提出针对电弧的稳定性、坩埚比、自耗电极质量、海绵钛质量等原因的控制措施，确保铸锭熔炼过程中的电弧炉安全性和铸锭质量。