钛材料熔炼(MeltingoftitaniLlmmaterial)

熔化钛原料和添加料，制取钛和钛合金致密锭坯的过程。是钛材料制备的首道工序。

简史 1940年，卢森堡科学家克罗尔(J．w．Kroll)在美国首次用真空非自耗电弧熔炼法熔炼海绵钛，获得了致密钛锭。20世纪40年代末，首先在美国完成了工业规模自耗炉定型，标志着钛熔炼工业进入了稳定发展阶段。随后，前苏联、英国、日本相继于50年代中期，建立了各自的钛熔炼工业。

70年代，世界上已能用自耗电弧熔炼法，生产φ1．5m、单重30t的钛锭。自耗炉由于采用同轴供电方式、设置x—y电极调整装置和控制熔炼速度的微机自动控制而日臻完善。在此期间，陆续出现了中空阴极等离子束、电子束和真空等离子弧等熔炼钛新方法，主要用于返回残钛，制取异形锭坯。到80年代，针对自耗熔炼难于根治夹杂、偏析缺陷的缺点，在电子束、等离子熔炼基础上，开发出冷炉床熔炼钛合金的新工艺方法。其主要优点是可随意控制熔炼速度、液态保持时间、液态温度，除直接制取异形锭坯外，也可做自耗熔炼的前次初熔。

生产概况钛锭的主要生产国有美国、俄罗斯和日本，都可生产单重20t以上钛锭，世界的主要产量和产能均在这三国。其他如英国、德国、中国等也有一定规模。一般纯钛锭在10t左右。合金锭的规格为φ700～1000mm，单重3～10t。(见彩图插页第11页)。

自耗电极块的制备，大多采用3000～。7000kN油压机模压，俄罗斯采用10MN立式油压机，可控制最大规格为(φ650×5500mm整根电极，可免去组焊工序。电极组焊一般采用惰性气体保护等离子弧焊法，航空等重要用途钛合金的电极组焊，必须在真空或惰性气体保护焊箱内进行。

自耗熔炼一般只生产圆锭，采用电子束或等离子弧熔炼法，可制取大规格1350mm×250mm或φ800mm、单件质量3～8t扁锭等异型锭坯。大型设备有功率达3．3Mw的电子束冷炉床炉和2Mw的等离子冷炉床炉。

特点 由于钛具有活性高、熔点高和对间隙杂质含量极为敏感的特性，熔炼只能在真空或惰性气氛保护下进行，通称真空熔炼。占主导地位的方法是真空自耗电弧熔炼(VAR、以下简称自耗熔炼)，其原理是将海绵钛和添加料制备成电极，在真空室内，利用电极和水冷铜坩埚之间的电弧放电产生的高温，将电极熔化后滴落入坩埚中冷凝成锭坯。自耗炉主要由炉体、电极驱动机构、水冷铜坩埚、真空系统、主直流电源和控制台等组成。炼钛用专用自耗炉均设防爆设施，采用远距离遥控操作，炉子的典型构成见示意图1。此外，还有电子束、真空等离子弧、等离子束、旋转电极非自耗、真空电渣和冷炉床熔炼等，都可用于熔炼钛，凝壳熔炼法是钛铸件生产的基础。

生产流程 一般钛材料经二次自耗熔炼制取，航空等重要用途的某些钛合金需经3次熔炼，典型生产流程见图2。