技术领域
[0001] 本
发明涉及一种炉外精炼方法和装置，特别是涉及一种电磁
冶金二次精炼的方法和装置，应用于金属材料电磁冶金制备和金属材料
质量控制技术领域。
背景技术
[0002] 传统真空电弧重熔工艺是把普通
冶炼方法制备的金属
电极棒，在无渣真空条件下通过直流电弧的高温作用迅速
熔化并在
水冷
铜模结晶器中进行再
凝固。当液态金属以薄层形式形成熔滴通过近5000K的电弧区域向结晶器中过渡和凝固过程中，发生一系列的物理化学反应，真空、无渣的条件下熔炼杜绝了外界空气和
熔渣等对
钢及
合金的污染，还可以降低钢中及合金中的气体和低熔点有害金属杂质，提高重熔金属的洁净度，真空电弧重熔过程能够有效地降低金属中氢、铅、铋、
银等的含量，并具有一定的脱氮能
力。熔炼室内
氧分压极低的条件下使得重熔过程中
铝、
钛等活泼元素的烧损少，由于弧区
温度高，故而可以熔炼难熔合金。作为一种理想的特种材料二次精炼技术，真空电弧重熔过程中金属液
自下而上的顺序凝固及快速使凝固过程中再生夹杂物尺寸细小、分布均匀。通过对合金凝固结晶过程的合理控制，可以对合金凝固组织进行改善，得到偏析程度低、致
密度高的优质锭子。
[0003] 真空电弧重熔是冶炼易偏析、难熔的
高温合金等特种材料的关键技术之一，在工业生产中取得了较为广泛的应用。然而，传统真空电弧重熔尚存在一些不足，由于真空条件下产生的电弧重按形状划分可分为两种类型：扩散形真空电弧和集聚形真空电弧，前者主要在低
电流过程中出现，后者在较高的电流条件下出现。根据相关理论，真空电弧的产生主要由
阴极上形成的斑点发射
电子和产生金属
蒸汽，电子与金属蒸汽碰撞产生新的电子和正离子，从而形成电弧
等离子体，真空电弧柱中带电粒子向
阳极运动过程中会发生扩散，从而形成锥顶
角为60度的圆锥状弧柱。随着电流增大，阴极斑点增多，相邻的椎体发生重叠，不断增多的粒子轰击阳极使其表面温度迅速升高而产生阳极斑点，从而喷射出带正电的金属蒸汽和正离子，使得真空电弧柱中的带电粒子急剧增多，电导率增加，阳极斑点所在的弧柱的弧柱
电压下降，导致其他阴极斑点所对应的弧柱电压不能维持而熄灭，阴极表面只剩下与阳极斑点正对面的阴极斑点，因而形成集聚形真空电弧。集聚形真空电弧使得阳极阴极表面局部升温剧烈，导致严重熔融
汽化，合金成分损失严重和冶金质量受到严重影响。以镍基高温合金为代表的高温合金，其化学成分复杂，对成分含量的控制非常苛刻。因此，如何强化防止重熔过程中出现集聚形真空电弧，进一步提高冶金质量仍然是真空电弧重熔工艺亟待解决的技术问题。
发明内容
[0004] 为了解决
现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种真空磁控电弧重熔精炼金属的方法及装置，尤其适合高效二次精炼高温合金，能够有效提高高温合金的精炼效果和减少
铸锭偏析。由于传统真空电弧重熔熔炼过程中电弧容易过度发散，导致极间离子匮乏，电弧电压和电弧
能量急剧升高，诱发阳极斑点的形成而出现集聚形真空电弧，使得电极表面温度不均匀，局部升温剧烈，导致严重熔融汽化，合金成分损失严重和冶金质量受到极大影响。本发明外加稳恒
磁场后，真空电弧电流受到洛伦兹力作用抑制了径向运动的带电粒子，起到了稳弧作用，延缓了电极间离子贫乏的现象和阳极斑点的产生，避免形成集聚形真空电弧而导致电极局部温度过高的“过烧”现象。此外，本发明还通过外加交变磁场对金属熔池产生电磁
挤压作用，有效
破碎枝晶，起到晶粒细化作用，有利于合金化学成分的均匀化，减少铸锭偏析。
[0005] 为达到上述发明创造目的，本发明构思如下：
[0006] 在真空电弧重熔水冷铜模结晶器外围施加一磁场发生器提供磁场，利用磁场与电流相互作用产生洛伦兹力，稳恒磁场能够有效避免形成集聚形真空电弧产生电极“过烧”现象。本发明还通过交变磁场在金属熔体中诱导出感生电流，通过电磁力作用对金属熔体形成电磁挤压作用，有利于破碎枝晶，细化金属凝固组织，减少铸锭偏析。
[0007] 根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
[0008] 一种真空磁控电弧重熔精炼金属的方法，采用真空电弧重熔装置，以待重熔精炼的金属电极棒作为
自耗电极，在真空电弧重熔装置外围设置磁场发生器, 控制磁场发生器向真空电弧重熔装置提供磁场，使自耗电极底部末端区域、结晶器内的金属熔池
位置区域以及自耗电极底部和结晶器内的金属熔池之间区域皆处于磁场作用之下，具体包括如下步骤：
[0009] a. 将待精炼的金属电极棒安装到真空电弧重熔装置的真空室内，在真空电弧重熔装置内设置的结晶器内腔底部放置一层与将待精炼的金属电极棒成分相同的金属
垫料，通过真空电弧重熔装置的抽气孔外接真空
泵将真空室抽成真空，调节磁场发生器提供磁场，完成真空电弧重熔的准备工作；
[0010] b. 在完成步骤a的真空电弧重熔的准备工作后，通过真空电弧重熔装置的电极送进机构驱动金属电极棒下降，并使金属电极棒的底部与结晶器内腔
中底部预先铺设的金属垫料触发，产生电弧，开始真空电弧重熔；
[0011] c. 经过步骤b真空电弧重熔开始后，在金属电极棒的真空电弧重熔的后续过程中，通过调整磁场作用区域、金属电极棒和重熔锭之间的相对位置，保持金属电极棒的熔化区、弧区以及重熔锭的固液界面均位于磁场作用区域中，同时控制电弧熔炼电流和金属电极棒送进速度，在金属电极棒底部端头产生稳定的电弧，将金属电极棒持续熔化，随着金属电极棒不断熔化以及重熔锭不断向上生长，使磁场作用区域逐渐上移，保持金属电极棒熔化过程和重熔锭凝固过程均始终处于磁场作用之下，直至完成真空电弧重熔过程，即得到真空电弧重熔锭。
[0012] 作为本发明优选的技术方案，磁场发生器提供磁感应强度为0.01～30T的磁场，磁场发生器能产生恒定磁场、
频率为0.01～10000Hz的交变磁场和频率为0.01～10000Hz的脉冲磁场中的任意一种磁场或任意几种磁场成分的混合磁场，磁场方向与金属电极棒轴向方向呈0～180度的夹角。
[0013] 作为上述技术方案中优选的技术方案，磁场发生器产生生成磁场的方式采用以下任意一种方法或任意几种方法的组合方法：一种是采用
永磁体聚磁方式产生，还有一种是采用电磁线圈、电磁
铁或铁轭产生磁场，另有一种是采用超
导线圈以及Bitter线圈单独或混合产生。
[0014] 作为上述技术方案中优选的技术方案，磁场发生器由两组同芯线圈组成，分别向线圈中通直流电流和交流电流，两组同芯线圈同时提供次
磁力线方向为沿着金属电极棒轴向的稳恒磁场和轴向交变磁场，通过控制磁场强度，利用电磁相互作用产生的震荡洛伦兹力对重熔锭顶部的金属熔池进行
电磁搅拌，细化重熔锭的凝固组织。
[0015] 作为上述技术方案中优选的技术方案，待重熔精炼的金属电极棒的材料为钛、锆、钼和钨中的任意一种活性金属或任意几种金属的合金。
[0016] 作为上述技术方案中优选的技术方案，待重熔精炼的金属电极棒的材料为耐热钢、
不锈钢、工具钢或
轴承钢。
[0017] 本发明还提供一种真空电弧重熔装置，包括电极送进机构、真空罩、抽气孔、水冷铜模结晶器、结晶器
冷却水套装置和电源，真空罩作为真空电弧重熔装置的
外壳密闭形成真空室，抽气孔设置于真空罩上，真空室通过抽气孔连接
真空泵，在金属重熔过程中将真空室持续抽真空，以待重熔精炼的金属电极棒作为自耗电极安装于真空室内的电极送进机构的底部固定端，金属电极棒通过电极送进机构进行位置控制和升降速度控制，结晶器冷却水套装置设置于水冷铜模结晶器外壁四周，结晶器冷却水套装置设有
循环水的进水口和出水口，进水口接循环水的水源，出水口接外部水槽，通过循环水对水冷铜模结晶器壁进行冷却，在水冷铜模结晶器内，金属电极棒熔化后滴落形成的金属液凝固形成重熔锭，电源的正极和负极分别用
电缆与金属电极棒和水冷铜模结晶器壁导电连接，使电弧熔炼过程处于真空室中进行，通过控制电极送进机构和电源保持真空室内电弧稳定，并在真空罩外围设置磁场发生器形成真空磁控电弧重熔系统，控制磁场发生器向真空电弧重熔装置内施加磁场，使金属电极棒底部末端区域、水冷铜模结晶器内的金属熔体位置区域以及金属电极棒底部和水冷铜模结晶器内的金属熔池之间的电弧生成区域皆处于磁场作用之下，进行真空电弧熔炼时，预先在水冷铜模结晶器内腔中底部放置一层与将待精炼的金属电极棒成分相同的金属垫料，通过电极送进机构驱动金属电极棒下降，并使金属电极棒底部末端与水冷铜模结晶器内腔底部预先铺设的金属垫料触发，产生电弧，开始真空电弧重熔，在后续真空电弧重熔过程中，通过调整磁场作用区域、金属电极棒和重熔锭之间的相对位置，保持金属电极棒的熔化区、弧区以及重熔锭顶端固液界面均位于磁场作用区域中，同时控制电源输出的电弧熔炼电流和金属电极棒送进速度，在金属电极棒底部端头产生稳定的电弧，将金属电极棒持续熔化，随着金属电极棒不断熔化以及重熔锭不断向上生长，使磁场作用区域逐渐上移，保持金属电极棒熔化过程和重熔锭凝固过程均始终处于磁场作用之下进行真空电弧重熔过程。
[0018] 作为上述技术方案中优选的技术方案，磁场发生器采用永磁体聚磁方式产生磁场，或者采用电磁线圈、电
磁铁或铁轭产生磁场，或者采用超导线圈以及Bitter线圈单独或混合产生磁场。
[0019] 作为上述技术方案中优选的技术方案，磁场发生器由两组同芯线圈组成，分别向线圈中通直流电流和交流电流，两组同芯线圈同时提供次磁力线方向为沿着金属电极棒轴向的稳恒磁场和轴向交变磁场，通过调节磁场发生器控制磁场强度，利用电磁相互作用产生的震荡洛伦兹力对重熔锭顶部的金属熔池进行电磁搅拌，细化重熔锭的初生凝固组织。
[0020] 作为上述技术方案中优选的技术方案，电源采用调压直流电源，为真空电弧重熔过程提供直流电流。
[0021] 本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
[0022] 1. 相比传统的真空电弧重熔工艺，本发明通过外加磁场控制真空电弧重熔，其中采用混合磁场控制真空电弧重熔的稳恒磁场成分能够稳定电弧，防止电弧过度发散或过度聚集，进而延缓了电极间离子匮乏和阳极斑点的产生，避免形成集聚形真空电弧而导致电极局部温度过高产生的“过烧”现象，从而有效抑制了金属电极局部熔融汽化，防止合金成分损失严重和冶金质量受到影响；
[0023] 2. 本发明在真空电弧重熔过程中，电弧长度是影响重熔精炼效果的重要参数，不仅决定供电回路的电参数，还决定金属电极的熔化速率，在保持电弧稳定的前提下，适当进行短电弧重熔有利于提高重熔效率，降低能耗，减少电弧
波动，从而提升重熔锭质量，但短电弧重熔时由于金属电极与金属熔池表面间隙较小，容易因熔滴的聚集而造成
短路；
[0024] 3. 本发明通过外加混合磁场作用于电弧重熔过程，其中交变磁场成分在熔滴中诱发出感生电流，对熔滴形成挤压作用，利用
电磁感应原理对熔滴形成电磁激振效应，促使熔滴滴落，防止大颗熔滴的聚集而实现短弧熔炼，提高精炼效果，降低能耗；
[0025] 4. 本发明外加混合磁场中的交变磁场成分能够在金属熔内诱导出感生电流，由于电磁复合作用产生电磁力对金属熔体形成电磁挤压作用，有效破碎枝晶，细化金属凝固组织，
加速熔池
传热，减少铸锭偏析。
附图说明
[0026] 图1是本发明优选
实施例真空电弧重熔装置的结构示意图。
[0027] 图2是本发明优选实施例改善电弧向外分散时施加磁场前后真空电弧的形态示意图。
[0028] 图3是本发明优选实施例改善电弧过度集中时施加磁场前后真空电弧的形态示意图。
[0029] 图4是本发明优选实施例外加混合磁场对金属熔体细晶作用的铸锭纵截面凝固原理图。
[0030] 图5是沿着图4中A-A向视图。
具体实施方式
[0031] 本发明的优选实施例详述如下：
[0032] 在本实施例中，参见图1～图5，一种真空电弧重熔装置，包括电极送进机构1、真空罩2、抽气孔4、水冷铜模结晶器6、结晶器冷却水套装置和电源11，电源11采用调压直流电源，真空罩2作为真空电弧重熔装置的外壳密闭形成真空室3，抽气孔4设置于真空罩2上，真空室3通过抽气孔4连接真空泵，在金属重熔过程中将真空室3持续抽真空，以待重熔精炼的金属电极棒5作为自耗电极安装于真空室3内的电极送进机构1的底部固定端，金属电极棒5通过电极送进机构1进行位置控制和升降速度控制，水冷铜模结晶器6内径为Φ500mm，结晶器冷却水套装置设置于水冷铜模结晶器6外壁四周，结晶器冷却水套装置设有循环水的进水口9和出水口10，进水口9接循环水的水源，出水口10接外部水槽，通过循环水对水冷铜模结晶器6壁进行冷却，在水冷铜模结晶器6内，金属电极棒5熔化后滴落形成的金属液凝固形成重熔锭8，电源11的正极和负极分别用电缆与金属电极棒5和水冷铜模结晶器6壁导电连接，使电弧熔炼过程处于真空室3中进行，通过控制电极送进机构1和电源11保持真空室3内生成的电弧12稳定，并在真空罩2外围设置磁场发生器7形成真空磁控电弧重熔系统，控制磁场发生器7向真空电弧重熔装置内施加磁场，使金属电极棒5底部末端区域、水冷铜模结晶器6内的金属熔体位置区域以及金属电极棒5底部和水冷铜模结晶器6内的金属熔池之间的电弧生成区域皆处于磁场作用之下，进行真空电弧熔炼时，预先在水冷铜模结晶器6内腔底部放置一层与将待精炼的金属电极棒5成分相同的金属垫料，通过电极送进机构1驱动金属电极棒5下降，并使金属电极棒5底部末端与水冷铜模结晶器6内腔中底部预先铺设的金属垫料触发，产生电弧12，开始真空电弧重熔，在后续真空电弧重熔过程中，通过调整磁场作用区域、金属电极棒5和重熔锭8之间的相对位置，保持金属电极棒5的熔化区、弧区以及重熔锭8顶端固液界面均位于磁场作用区域中，同时控制电源11输出的电弧熔炼电流和金属电极棒5送进速度，在金属电极棒5底部端头产生稳定的电弧12，将金属电极棒5持续熔化，随着金属电极棒5不断熔化以及重熔锭8不断向上生长，使磁场作用区域逐渐上移，保持金属电极棒5熔化过程和重熔锭8凝固过程均始终处于磁场作用之下进行真空电弧重熔过程。
[0033] 在本实施例中，参见图1～图5，磁场发生器7由两组同芯线圈组成，分别向线圈中通直流电流和交流电流，两组同芯线圈同时提供次磁力线方向为沿着金属电极棒5轴向的稳恒磁场和轴向交变磁场，通过调节磁场发生器7控制磁场强度，利用电磁相互作用产生的震荡洛伦兹力15对重熔锭8顶部的金属熔池进行电磁搅拌，细化重熔锭8的初生凝固组织。在电弧重熔过程中在结晶器外围同时施加轴向稳恒磁场和交变磁场，利用磁场与电流的复合作用，对电弧12起到稳定作用，避免集聚形真空电弧的形成而产生“过烧”现象，对金属熔池形成电磁挤压作用，有效破碎枝晶，细化凝固组织，减少铸锭偏析，提高二次精炼效果。本实施例通过控制磁场强度，抑制集聚形电弧产生，利用电磁挤压效应将枝晶破碎，细化重熔锭凝固组织。
[0034] 在本实施例中，参见图1～图5，一种真空磁控电弧重熔精炼金属的方法，采用本实施例真空电弧重熔装置，以待重熔精炼的GCr15轴承钢作为自耗电极材料，将GCr15轴承钢铸成将Φ300mm，长度1000mm的金属电极棒5，保持真空电弧重熔装置内生成的电弧稳定，并在真空电弧重熔装置外围设置磁场发生器7, 控制磁场发生器7向真空电弧重熔装置内施加磁场，使金属电极棒5底部末端区域、水冷铜模结晶器6内的金属熔池位置区域以及水冷铜模结晶器6底部和水冷铜模结晶器6内的金属熔池之间区域皆处于磁场作用之下，具体包括如下步骤：
[0035] a. 将待精炼的金属电极棒5安装到真空电弧重熔装置的真空室3内，在真空电弧重熔装置内设置的水冷铜模结晶器6内腔底部放置一层与将待精炼的金属电极棒5成分相同的GCr15轴承钢垫料，通过真空电弧重熔装置的抽气孔外接真空泵将真空室3抽成真空，从进水口9通入冷却水，将金属电极棒5上端和水冷铜模结晶器6用电缆分别连接电源11的正极和负极，分别往磁场发生器7中的两组同芯线圈中通直流电和交流电，使得两组线圈分别同时产生轴向稳恒磁场和交变磁场，调节电流大小，产生的稳恒磁感应强度为0.5T，交变磁场强度为0.8T，方向平行于待精炼金属电极棒5的轴向，完成真空电弧重熔的准备工作；
[0036] b. 在完成步骤a的真空电弧重熔的准备工作后，通过真空电弧重熔装置的电极送进机构1驱动金属电极棒5下降，并使金属电极棒5的底部与水冷铜模结晶器6内腔中底部预先铺设的GCr15轴承钢垫料触发，产生电弧，开始真空电弧重熔；
[0037] c. 经过步骤b真空电弧重熔开始后，在金属电极棒5的真空电弧重熔的后续过程中，通过调整磁场作用区域、金属电极棒和重熔锭之间的相对位置，使待精炼的GCr15轴承钢的金属电极棒5的熔化区、弧区、重熔锭8顶端的固液界面均位于磁场作用区域中，同时控制电弧熔炼电流和金属电极棒5送进速度，在金属电极棒5底部端头产生稳定的电弧，将金属电极棒5持续熔化，控制磁场强度，随着金属电极棒5不断熔化以及重熔锭不断向上生长，使磁场作用区域逐渐上移，保持金属电极棒5熔化过程和重熔锭凝固过程均始终处于磁场作用之下，当电弧重熔结束时，关闭电源11；待凝固结束时，关闭磁场发生器7，当重熔锭8完全冷却后，关闭进水口9和出水口10，从水冷铜模结晶器6中取出重熔锭8，即可得到高纯净度，低偏析度、晶粒细化的GCr15轴承钢真空电弧重熔锭。
[0038] 采用本发明精炼高温合金的方法，在结晶器外围施加一磁场发生器7，在水冷铜模结晶器6外围同时施加轴向稳恒磁场和轴向交变磁场，稳恒磁场产生的磁力线13能够约束真空电弧12，避免电弧发散。如图2～图5所示，未施加磁场时，真空电弧中容易出现带电粒子沿径向向外发散或向内过度集中的现象，这均会导致集聚形电弧的出现而对金属元素产生严重“烧损”，由于在稳恒磁场中受到洛伦兹力作用，迫使带电粒子运动轨迹发生改变，从而以螺旋形轨迹飞向金属熔体，从而使得电弧12较为稳定，比较均匀的分散在金属电极棒5和金属熔体之间。同时，交变磁场产生的磁力线18能够在金属熔体中诱导出感应电流14，感应电流14和稳恒磁场产生的磁力线13相互作用，产生总体向心的交变洛伦兹力15，在交变洛伦兹力15的震荡下金属熔体8中产生压力波16，在交变洛伦兹力15和压力波16的复合作用下，破碎金属熔体凝固界面前沿正在生长的枝晶17。本实施例的线圈中通直流电流产生的稳恒磁场成分对沿径向运动的带电粒子抑制作用，延缓了电极间离子贫乏现象和阳极斑点的产生，降低电弧电压和电弧能量，防止形成集聚形电弧进行重熔导致电极局部温度过高而产生严重熔融汽化影响冶金质量。同时，线圈中通交流电流产生的交变磁场能够在金属熔池中形成一定压力梯度，产生压力波破碎枝晶。另外，交变磁场和直流电弧电流总会存在一定的夹角，因此会形成一定的震荡洛伦兹力15，有助于打碎枝晶，细化凝固组织，减少铸锭偏析。
[0039] 上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明真空磁控电弧重熔精炼金属的方法及装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
