真空磁控电弧重熔精炼金属的方法及装置的制造方法
【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、祕、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:
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。
[0006]根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案:
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:
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栗将真空室抽成真空，调节磁场发生器提供磁场，完成真空电弧重熔的准备工作；
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；
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，将金属电极棒持续恪化，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，即得到真空电弧重恪锭。
[0007]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O?180度的夹角。
[0008]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。
[0009]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。