釩鋁合金真空精煉設(shè)備的開發(fā)

楊正華，陳志東，焦志遠(yuǎn)

（中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032）

鈦合金被廣泛應(yīng)用于軍工、航空航天和民用航空等領(lǐng)域[1]。釩鋁合金加入后能夠極大地改善鈦合金的耐熱性能和冷加工性能，成為生產(chǎn)高強(qiáng)鈦合金的重要原料[2，3]。

目前，生產(chǎn)釩鋁合金的方法主要是“鋁熱法”（一步法）和“鋁熱法+真空精煉法”（兩步法）。國(guó)內(nèi)多采用一步法生產(chǎn)，該方法的生產(chǎn)成本低，但產(chǎn)品成份的均勻性差，雜質(zhì)元素含量高，只能作為民品添加劑使用[3]。軍用及宇航級(jí)鈦合金所使用的高品質(zhì)釩鋁中間合金，要求成分均勻，雜質(zhì)含量低，必須通過兩步法生產(chǎn)，其中真空精煉是至關(guān)重要的一步[4]。而國(guó)內(nèi)缺少專用于釩鋁合金生產(chǎn)的真空精煉裝置，而采用生產(chǎn)鋼鐵等其它用途的真空精煉裝置生產(chǎn)，出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量低、生產(chǎn)效率低等問題。根據(jù)德國(guó)GFE公司宇航級(jí)釩鋁合金的技術(shù)要求，中國(guó)重型機(jī)械研究院結(jié)合自身強(qiáng)大的真空精煉裝備技術(shù)儲(chǔ)備，設(shè)計(jì)開發(fā)了專門用于釩鋁合金的真空精煉裝置。

1 主要技術(shù)數(shù)據(jù)

目前德國(guó)電冶金公司（GFE）和美國(guó)釩公司采用兩步法生產(chǎn)出的宇航級(jí)釩鋁合金產(chǎn)品，具有世界先進(jìn)水平[5,6]，GFE公司釩鋁合金的成分標(biāo)準(zhǔn)詳見表1。

表1 GFE釩鋁合金成分標(biāo)準(zhǔn)%

從表1可知：宇航級(jí)釩鋁合金中合金元素種類多，控制精度高，雜質(zhì)含量少。根據(jù)國(guó)外宇航級(jí)釩鋁合金的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在真空條件下進(jìn)行精煉將會(huì)得到成分均勻、雜質(zhì)含量低的釩鋁合金產(chǎn)品。

為此開發(fā)了一套釩鋁合金真空精煉設(shè)備，其主要技術(shù)參數(shù)詳見表2。

表2 釩鋁合金真空精煉裝置主要技術(shù)參數(shù)

2 主要設(shè)備組成

本設(shè)備按照功能劃分，主要包括：熔煉系統(tǒng)、錠模冷卻系統(tǒng)、錠模驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、輔助設(shè)備系統(tǒng)等，其設(shè)備布置立面圖詳見圖1。

圖1 設(shè)備布置立面圖

2.1 熔煉系統(tǒng)

熔煉系統(tǒng)由真空熔煉室、感應(yīng)爐本體、爐體傾動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成。

真空熔煉室是一套水冷真空罐體，由罐體和爐蓋及爐蓋驅(qū)動(dòng)裝置組成，爐蓋上設(shè)有觀測(cè)孔以及加料、測(cè)溫和取樣機(jī)構(gòu)，能夠在精煉過程中對(duì)熔體進(jìn)行加料、測(cè)溫和取樣，滿足了冶煉工藝要求。

感應(yīng)爐本體由高效的線圈及磁軛、鋼殼組成，整個(gè)爐體安裝在支架上，支架安裝在熔煉室底部，熔煉坩堝具有漏鋼及漏水報(bào)警功能。

爐體傾動(dòng)機(jī)構(gòu)由液壓系統(tǒng)控制，爐體傾翻范圍為：前傾95°，后傾10°。為了消除熔煉過程中凝固的渣皮和加料時(shí)產(chǎn)生的“搭橋”現(xiàn)象，傳統(tǒng)辦法是利用搗棒，這種方法不僅操作困難，而且可能導(dǎo)致耐火爐襯嚴(yán)重?fù)p壞。為此，設(shè)計(jì)了后傾功能，以消除“搭橋”現(xiàn)象并保障爐體安全運(yùn)行。

2.2 錠模冷卻系統(tǒng)

錠模冷卻系統(tǒng)由錠模冷卻室、水冷錠模、水冷隔離閥、爐門等組成。

錠模冷卻室是一套水冷真空箱體，其一端通過水冷隔離閥與真空熔煉室相連，另一端設(shè)有爐門。主要作用是待合金熔液倒入錠模后，讓其在真空環(huán)境中靜置和冷卻。

水冷錠模能夠加速錠模冷卻，縮短冶煉周期。

錠模室配備紅外測(cè)溫口，通過紅外測(cè)溫裝置測(cè)量鑄錠表面溫度，當(dāng)溫度低于100℃時(shí)可以將錠模移出。

2.3 錠模驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

錠模驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括熔煉室模車驅(qū)動(dòng)裝置、冷卻室模車驅(qū)動(dòng)裝置、錠模小車等。

錠模小車是非自驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)在真空條件下與驅(qū)動(dòng)裝置快速分離和結(jié)合，保證生產(chǎn)過程中在熔煉室和冷卻室之間通過隔離閥快進(jìn)快出。其中，熔煉室模車驅(qū)動(dòng)裝置如圖2所示。

圖2 熔煉室模車驅(qū)動(dòng)裝置

2.4 真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)的合理選型是核心關(guān)鍵技術(shù)。采用油增壓泵為主泵，配合閥門的開啟和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)熔煉室、錠模室、加料室保持真空。在抽氣主管道上安裝過濾器，在真空主泵口安裝過濾網(wǎng)，可以起到過濾粉塵的作用，減少對(duì)真空泵的污染。系統(tǒng)還設(shè)置了齊全的安全聯(lián)鎖裝置，保證真空泵運(yùn)行安全。采用復(fù)合真空計(jì)測(cè)量真空度。所有真空計(jì)接口前都安裝真空閥門，可以在不破壞真空的情況下清洗或更換規(guī)管，提高生產(chǎn)效率，降低維護(hù)成本。整套系統(tǒng)可通過PLC控制自動(dòng)完成抽空過程，操作方便。

2.5 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)主要包括配電控制柜、IGBT中頻電源、數(shù)顯復(fù)合真空計(jì)、PLC工業(yè)控制器、計(jì)算機(jī)等其它電氣元件。

由PLC可編程控制器對(duì)真空系統(tǒng)、加熱電源等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，檢測(cè)和判斷設(shè)備上多個(gè)溫度、壓力、流量等參數(shù)，便于觀察整機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。設(shè)計(jì)了各工作元器件間的安全聯(lián)鎖，如斷電、斷水保護(hù)、真空系統(tǒng)啟動(dòng)壓力控制等。

2.6 輔助系統(tǒng)

輔助設(shè)備主要由液壓系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、氬氣系統(tǒng)、觀察窗口、紅外攝像及溫度監(jiān)測(cè)裝置等。

液壓系統(tǒng)主要由液壓站、液壓管路及液壓油缸等組成，可為感應(yīng)爐的傾翻提供動(dòng)力。

氬氣系統(tǒng)提供爐膛保護(hù)氣體，防止熔煉或澆注過程中鋼液飛濺，也可為鑄錠提供冷卻氣體。

壓縮空氣系統(tǒng)主要提供系統(tǒng)各控制氣缸的動(dòng)力氣體，在用氣點(diǎn)前設(shè)計(jì)氣動(dòng)三聯(lián)體，通過氣路分配器接往各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

冷卻水系統(tǒng)主要提供中頻電源冷卻水、其它設(shè)備冷卻水和事故應(yīng)急用水。其中，中頻電源冷卻水為凈環(huán)水，采用封閉循環(huán)方式。設(shè)備冷卻水和事故應(yīng)急用水為濁環(huán)水。每一路循環(huán)水都有流量、溫度、壓力等傳感器及相應(yīng)的安全聯(lián)鎖設(shè)置，并配備水量調(diào)節(jié)閥。

3 基本工藝流程

設(shè)備的工作流程如圖3所示。

圖3 設(shè)備的工作流程圖

具體描述如下：

將被熔化材料裝入熔煉坩堝內(nèi)，關(guān)閉熔煉室門，此時(shí)熔煉室應(yīng)與鑄模室、加料室處于隔離狀態(tài)。

對(duì)熔煉室抽真空，啟動(dòng)加熱電源開始熔煉。熔煉過程中可進(jìn)行二到三次補(bǔ)充加料。熔煉結(jié)束后測(cè)溫。同時(shí)打開鑄模室門，放入錠模，關(guān)閉鑄模室門。

對(duì)鑄模室抽真空→打開鑄模室與熔煉室之間的隔離閥→啟動(dòng)模車輸送系統(tǒng)→將錠模送至澆注位。

在真空狀態(tài)下開始澆注。

澆注結(jié)束→鑄錠靜止降溫30min。

鑄錠返回鑄模室，關(guān)閉隔離閥。向鑄模室充入氬氣，冷卻錠模。

錠模溫度降到100℃以下→鑄模室破空→打開鑄模室門→出錠。

4 結(jié)語

近年來，隨著我國(guó)航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，宇航級(jí)釩鋁合金的需求不斷增加，本文設(shè)計(jì)的宇航級(jí)釩鋁合金真空精煉裝置安全可靠，自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)單，而且能大幅縮減生產(chǎn)周期，將會(huì)促進(jìn)我國(guó)宇航級(jí)釩鋁合金的產(chǎn)量和質(zhì)量提升，為釩鋁合金生產(chǎn)和精煉提供更專業(yè)、更先進(jìn)的技術(shù)和裝備，具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>