CN105611663A - 一种真空自耗炉用电极及其焊接方法和真空自耗熔炼补缩的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及有色金属熔炼领域，具体地，涉及一种真空自耗炉用电极，该电极的焊接方法，以及使用该电极进行真空自耗熔炼补缩的方法。所述真空自耗炉用电极包括自耗电极和辅助电极，其特征在于，在自耗电极和辅助电极的中间还连接有过渡电极。本发明的真空自耗炉用电极可以有效地降低运行成本，提高成锭率，以及提高铸锭补缩端面的质量。

Description

一种真空自耗炉用电极及其焊接方法和真空自耗熔炼补缩的方法

技术领域

本发明涉及有色金属熔炼领域，具体地，涉及一种真空自耗炉用电极，该电极的焊接方法，以及使用该电极进行真空自耗熔炼补缩的方法。

背景技术

随着技术的发展，对钛铸锭质量要求越来越高，这就要求在熔炼方法上要改进创新，才能生产出高质量的钛锭。

钛及钛合金的真空自耗熔炼通常是将自耗电极焊接在辅助电极上，并通过辅助电极悬挂在自耗炉的电极拉杆上进行熔炼。采用这种方式进行熔炼时，会存在以下两方面的问题：

1)辅助电极会随着熔炼次数的增加而逐渐消耗。这是由于一方面在焊接时辅助电极也会发生部分熔化而产生消耗；另一方面在自耗熔炼后期进行补缩时，已插入自耗电极部分的辅助电极也会随自耗电极一起熔化而产生消耗。通常经过一次熔炼，辅助电极长度将减少20～50mm，由此常常导致辅助电极因熔化而消耗较快，而辅助电极的制备费用往往又较高，从而增加了生产成本。

2)由于辅助电极的制作成本较高，故辅助电极直径往往较小，一般为自耗电极直径的1/3。在自耗熔炼时，自耗电极的直径经每一次熔化后要增加80～100mm。在熔炼后期补缩时，一方面与辅助电极相连部分的自耗电极会从边缘向中心逐渐熔化而减小直径，另一方面自耗电极的长度逐渐减小趋于零。这时，由于受电极密度、各部位的尺寸不完全一致等原因，造成自耗电极端面上的电流密度不一致，从而造成端面熔化速度不一致。这一方面会使得自耗电极端面形成各种极度不规则的枝条状，并会逐渐有部分不断往下掉落在下方的熔池中，有的熔化，有的则未融化，造成端面质量较差；另一方面，由于端面熔化速度不一致，导致剩余自耗电极的重量与预期的剩余重量逐渐发生较大偏差，从而严重影响补缩效果的稳定性，导致铸锭的缩孔深度变化范围较大。

发明内容

本发明的目的是克服现有的真空自耗炉用电极所存在的上述问题，提供一种真空自耗炉用电极，该电极的焊接方法，以及使用该电极进行真空自耗熔炼补缩的方法。本发明的真空自耗炉用电极可以有效地降低运行成本，提高成锭率，以及提高铸锭补缩端面的质量。

本发明提供了一种真空自耗炉用电极，该真空自耗炉用电极包括自耗电极和辅助电极，其中，在自耗电极和辅助电极的中间还连接有过渡电极。

本发明还提供了上述真空自耗炉用电极的制备方法，其中，该方法包括：按照自耗电极、过渡电极和辅助电极的连接顺序，将所述自耗电极、过渡电极和辅助电极在中轴线方向上进行焊接。

本发明另外提供了一种真空自耗熔炼补缩的方法，其中，该方法包括通过辅助电极将本发明的真空自耗炉用电极悬挂在真空自耗炉的电极拉杆上，然后接通电源，通过自耗电极的熔化对电极下方的铸锭进行补缩。

本发明通过在本领域常规的真空自耗炉用电极的辅助电极和自耗电极的中间增加过渡电极，可以有效解决现有的真空自耗炉用电极所存在的上述问题。与现有的真空自耗炉用电极相比，本发明的真空自耗炉用电极的优势主要在于：

(1)增加过渡电极使辅助电极消耗大大降低，一方面降低了更换辅助电极造成的成本，另一方面当使用真空自耗炉熔炼所得铸锭在锻造开坯过程中形成的坯头制作过渡电极时也进行了残钛利用，提高了效益；

(2)通过使用过渡电极，尤其当选用合适直径的过渡电极的情况下，熔炼后期时的自耗电极端面上的电流密度仍然能处于一个比较均匀水平，从而大幅减小了实际剩余电极重量与预期剩余电极重量的差值，有效的提高了铸锭补缩的稳定性，大幅减小了缩孔深度，提高了成锭率；

(3)通过使用过渡电极，尤其当选用合适直径的过渡电极的情况下，可以使铸锭补缩端面质量得到了极大的提高，具体地：即便在熔炼结束时，由于过渡电极直径大，其与下方熔池间产生的电弧横截面积就大，一方面减少了后期自耗电极端面上形成的枝条状的块状物掉落的数量，另一方面也由于增大了电弧覆盖面积，熔池面积增大，确保了铸锭冷却后端面的平整。而铸锭由于在后期的扒皮时，需要进行端面车削，这就一方面会减少车刀消耗，另一方面也提高了扒皮效率。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明一种具体实施方式的真空自耗炉用电极的示意图。

附图标记说明

1自耗电极2过渡电极3辅助电极

4电极拉杆5炉体6铸锭

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指参考附图所示的上、下，使用的连接术语通常是指参考附图所示的连接关系。

本发明提供了一种真空自耗炉用电极，如图1所示，该真空自耗炉用电极包括自耗电极1和辅助电极3，其中，在自耗电极1和辅助电极3的中间还连接有过渡电极2。

在本发明中，所述自耗电极1、辅助电极3和过渡电极2的直径没有特别的限定，其中自耗电极1和辅助电极3的直径可以根据本领域常规的方式进行选择。在优选的情况下，在本发明中，所述自耗电极1的直径>所述过渡电极2的直径>所述辅助电极3的直径。以所述自耗电极1的直径为1长度单位计，所述过渡电极2的直径例如可以为0.4-0.9长度单位，优选为0.5-0.8长度单位，更优选为0.7-0.8长度单位。所述辅助电极3的直径没有特别的限定，小于所述过渡电极2的直径即可。在进一步优选的情况下，在满足“自耗电极1的直径>过渡电极2的直径>辅助电极3的直径”的前提下，所述自耗电极1的直径：所述过渡电极2的直径：所述辅助电极3的直径可以为1：0.4-0.9：0.3-0.7，优选为1：0.5-0.8：0.3-0.6，更优选为1：0.6-0.75：0.3-0.5。

在本发明中，所述自耗电极1、辅助电极3和过渡电极2的长度没有特别的限定，其中自耗电极1和辅助电极3的长度可以根据本领域常规的方式进行选择。在优选的情况下，在本发明中，所述自耗电极1的长度：所述过渡电极2的长度：所述辅助电极3的长度为1：0.07-5：0.07-0.5，更优选为1：0.1-0.5：0.1-0.4，最优选为1：0.12-0.3：0.12-0.3。

在本发明中，所述辅助电极的材料的选择没有特别的限定，可以按照本领域常规的方式进行选择，通常选用硬度稍高的材料，例如选用型号为TA1、TA2、TA3、TA4的钛合金。所述自耗电极的材料为与铸锭相同的材料。所述过渡电极的材料优选为与铸锭相同的材料。为了充分利用资源和降低成本，在优选的实施方式中，所述过渡电极采用真空自耗炉熔炼所得铸锭在锻造开坯过程中形成的坯头制作。具体制作方法可以按照本领域常规的方法进行，例如过渡电极的制备方法可以包括：将真空自耗炉熔炼所得铸锭在锻造开坯过程中形成的坯头进行锻造，形成稍大于所需过渡电极尺寸的圆棒，将所得圆棒依次进行切头尾和表面车削扒皮后得到过渡电极。作为所述铸锭可以为本领域使用真空自耗熔炼的各种金属，优选为为钛或钛合金。

本发明还提供了上述真空自耗炉用电极的制备方法，其中，该方法包括：按照自耗电极1、过渡电极2和辅助电极3的连接顺序，将所述自耗电极1、过渡电极2和辅助电极3在中轴线方向上进行焊接，如图1所示。

在本发明中，所述焊接的方式没有特别的限定，可以采用本领域常规的焊接方式。焊接的顺序优选为先将过渡电极2的一端与辅助电极3进行焊接，再将过渡电极2的另一端与自耗电极1进行焊接。

根据本发明一种具体的实施方式，制备方法可以包括：首先对过渡电极和辅助电极接通电源，使过渡电极和辅助电极间产生的电弧热量，使得过渡电极一端面发生熔化形成熔池，然后切断电源，并将辅助电极插入熔池，待冷却后，辅助电极即与过渡电极焊接在一起；然后对自耗电极与过渡电极-辅助电极接通电源，并使得过渡电极与自耗电极间产生的电弧热量，使得自耗电极上端面发生熔化形成熔池，然后切断电源，将过渡电极的另一端面插入熔池，待冷却后，过渡电极即与自耗电极焊接在一起。

根据本发明一种具体的实施方式，所述制备方法可以包括：按照图1所示的连接方式，首先对过渡电极和辅助电极接通电源(电流为2.5-3.5kA，电压为22～25V)，然后逐渐增大电流(电流一般在10kA以内)，使过渡电极和辅助电极间产生的电弧热量，使得过渡电极一端面发生熔化形成熔池(该时间一般为5～15min)以后切断电源，并将辅助电极插入熔池，待冷却后，辅助电极即与过渡电极焊接在一起；然后对自耗电极与过渡电极-辅助电极接通电源(电流为2.5-3.5kA，电压为22～25V)，然后逐渐增大电流(电流一般在12kA以内)，并使得过渡电极与自耗电极间产生的电弧热量，使得自耗电极上端面发生熔化形成熔池(该时间一般为10～25min)以后切断电源，将过渡电极的另一端面插入熔池，待冷却后，过渡电极即与自耗电极焊接在一起，得到真空自耗炉用电极。

本发明另外提供了一种真空自耗熔炼补缩的方法，其中，该方法包括通过辅助电极将本发明的真空自耗炉用电极悬挂在真空自耗炉的电极拉杆上，然后接通电源，通过自耗电极的熔化对电极下方的铸锭进行补缩。

作为所述铸锭可以为本领域使用真空自耗熔炼的各种金属，优选为为钛或钛合金。

本发明由于在辅助电极和自耗电极之间设置了过渡电极，并且该过渡电极可以采用真空自耗炉熔炼所得铸锭在锻造开坯过程中形成的坯头制作，也就说过渡电极的材料可以与铸锭的材料相同或相似，也可以与自耗电极的材料相同或相似，因此，在本发明中，从而当自耗电极熔化消耗完毕时，如果预设的系统操作仍未结束，可以继续熔化消耗少量的过渡电极，从而使本发明的操作更具有灵活性，并最大化地利用了自耗电极，并避免了较为昂贵的辅助电极的消耗。

由于本发明的发明点在于电极，因此对于真空自耗熔炼补缩的具体方法没有特别的限定，本领域任何真空自耗熔炼补缩的方法均可以适用于本申请。例如，所述真空自耗熔炼补缩的方法可以采用“多级补缩、低电流保温”的工艺操作，即逐级降低熔炼电流以逐渐降低熔化速度，从而逐步减小熔池深度；并在低电流保温一段时间，确保头部端面始终有液体，以使熔池从里向外顺序凝固，避免熔池较深时直接断电导致头部端面由外向内里开始凝固，从而在中间形成冷却收缩孔洞(即缩孔)。

在本发明中，所述多级补缩的级数可以为5-20级，优选为6-15级，更优选为7-11级；所述多级补缩的第一级的电流和电压可以为15-30kA和30-40V，优选为15-25kA和30-35V；所述多级补缩的最后一级的电流和电压可以为2-6kA和24-28V，优选为3-5kA和24-27V；所述多级补缩的补缩时间可以为：当级数为总级数的1/2～2/3时，补缩时间可以较长(例如为15-60min)，并向两端(第一级和最后一级)补缩时间逐渐缩短(最后一级的补缩时间可以缩短至20min及以下，第一级的补缩时间优选缩短至1-2min)。

在本发明中，真空自耗炉用电极的尺寸没有特别的限定，可以按照本领域常规的方式进行选择。例如，以所述真空自耗熔炼补缩的方法所制造的铸锭的直径为1长度单位计，所使用的真空自耗炉用电极中自耗电极1的直径为0.6～0.9长度单位，优选为0.8～0.9长度单位。

本发明的真空自耗炉用电极和方法一方面能够有效地降低辅助电极的消耗，延长了辅助电极的更换周期，从而降低了生产成本；一方面能够有效地提高铸锭补缩的稳定性，将缩孔深度控制在50mm以下，优选控制在35mm以下；再一方面能够将补缩最后阶段电弧覆盖面占铸锭端面比例和铸锭端面冷瘤占铸锭端面的比例控制在较为理想的范围内，从而使铸锭补缩端面质量得到很大提高。需要说明的是，补缩最后阶段电弧覆盖面占铸锭端面比例并非越大越好，这是因为电弧覆盖面越大，则可能使得熔池深度也就越大，从而导致缩孔越深，因而铸锭端面冷瘤占铸锭端面的比例也不能过小(补缩最后阶段电弧覆盖面占铸锭端面比例和铸锭端面冷瘤占铸锭端面的比例相加等于1)。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。下面的实施例将有助于说明本发明，但不局限其范围。

实施例1-7和对比例1用于说明真空自耗炉用电极及其焊接方法

在以下实施例和对比例中，辅助电极使用TA2牌号的钛合金，铸锭、自耗电极和过渡电极为TA1型号的钛合金。

实施例1

使用真空自耗炉熔炼所得铸锭在锻造开坯过程中形成的坯头制作直径为620mm且长度为500mm的过渡电极，并另外准备直径为400mm且长度为500mm的辅助电极以及直径为900mm且长度为3000mm的自耗电极。按照图1所示的连接方式，首先对过渡电极和辅助电极接通电源(电流为3kA，电压为24V)，然后逐渐增大电流至9kA，使过渡电极和辅助电极间产生的电弧热量，使得过渡电极一端面发生熔化形成熔池(大约需要10min)以后切断电源，并将辅助电极插入熔池，待冷却后，辅助电极即与过渡电极焊接在一起；然后对自耗电极与过渡电极-辅助电极接通电源(电流为3kA，电压为23V)，然后逐渐增大电流至11kA，并使得过渡电极与自耗电极间产生的电弧热量，使得自耗电极上端面发生熔化形成熔池(大约需要18min)以后切断电源，将过渡电极的另一端面插入熔池，待冷却后，过渡电极即与自耗电极焊接在一起，得到真空自耗炉用电极，记为I1。

表1

	产品	过渡电极直径/mm	辅助电极直径/mm	自耗电极直径/mm
					实施例1	I1	620	400	900
实施例2	I2	580	400	900
					实施例3	I3	660	400	900
实施例4	I4	400	400	900
					实施例5	I5	500	400	900
实施例6	I6	700	500	900
					实施例7	I7	800	600	900

实施例2-7

按照实施例1的方法进行，所不同的是，改变过渡电极、辅助电极和自耗电极的尺寸，具体如表1所示，所得电极分别记为I1～I7。

对比例1

按照实施例1的方法进行，所不同的是，不设置过渡电极，而是将直径为400mm且长度为500mm的辅助电极和直径为900mm且长度为3000mm的自耗电极直接焊接在一起，得到真空自耗炉用电极，记为D1。

观察实施例1-8的焊接过程，将焊接效果记于表2中。

表2

观察对比例1的焊接过程，发现自耗电极与辅助电极容易焊接，焊接效果好。

实施例8-14和对比例2用于说明将前面制备的真空自耗炉用电极用于真空自耗熔炼补缩的方法及其效果。

对直径1000mm的铸锭进行补缩。分别取前面制备的真空自耗炉用电极I1～I7和D1(分别对应实施例8-14和对比例2)，将辅助电极悬挂在真空自耗炉的电极拉杆上，按照从上到下依次为辅助电极、过渡电极和自耗电极的顺序对电极进行放置，然后接通电源，通过自耗电极的熔化对电极下方的铸锭进行补缩。具体补缩工艺包括：每炉包括按照时间顺序进行的如下7级子补缩阶段，该7级自补缩阶段的电力制度(依次为电流、电压、补缩时间)为27kA、31.5V、2min→20kA、30V、10min→13kA、28.5V、15min→9kA、27V、25min→7kA、27V、35min→5.5kA、26.5V、50min→4kA、26.5V、20min。

采用上述补缩工艺进行10炉次的补缩，记录补缩最后阶段电弧覆盖面占铸锭端面比例(A)、缩孔深度(h)以及铸锭端面冷瘤占铸锭端面的比例(B)，并计算平均数记于表3中。

表3

	电极	A/％	h/mm	B/％
					实施例8	I1	61	30	39
实施例9	I2	55	35	45
					实施例10	I3	65	37	35
实施例11	I4	36	62	64
					实施例12	I5	47	48	53
实施例13	I6	68	36	32
					实施例14	I7	77	38	23
对比例2	D1	37	64	63

结合表1、表2和表3可以看出，根据本发明在辅助电极和自耗电极之间设置过渡电极，可以将缩孔深度控制在较小的范围内，将补缩最后阶段电弧覆盖面占铸锭端面比例和铸锭端面冷瘤占铸锭端面的比例(可以反映铸锭表面平整度)控制在较为理想的范围。并且，本发明的这种真空自耗炉用电极可以大大降低了辅助电极的消耗，延长辅助电极的更换周期，这是因为：若直接采用辅助电极和自耗电极相连的方式时，则每熔炼一次，辅助电极长度即会减少30～50mm，而辅助电极通常有一个最小长度要求(如一般3t及以上的真空自耗炉均要求辅助电极长度≥400mm)，低于该要求后即不能再使用；而使用辅助电极加过渡电极后，辅助电极一般可使用60～90炉后才会更换，更换周期可延长数倍至数十倍。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种真空自耗炉用电极，该真空自耗炉用电极包括自耗电极和辅助电极，其特征在于，在自耗电极和辅助电极的中间还连接有过渡电极。

2.根据权利要求1所述的真空自耗炉用电极，其中，所述自耗电极的直径>所述过渡电极的直径>所述辅助电极的直径。

3.根据权利要求1所述的真空自耗炉用电极，其中，以所述自耗电极的直径为1长度单位计，所述过渡电极的直径为0.4-0.9长度单位，优选为0.7-0.8长度单位，并且所述辅助电极的直径小于所述过渡电极的直径。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的真空自耗炉用电极，其中，所述自耗电极的直径：所述过渡电极的直径：所述辅助电极的直径为1：0.4-0.9：0.3-0.7，优选为1：0.6-0.75：0.3-0.5。

5.根据权利要求1所述的真空自耗炉用电极，其中，所述自耗电极的长度：所述过渡电极的长度：所述辅助电极的长度为1：0.07-5：0.07-0.5。

6.根据权利要求1所述的真空自耗炉用电极，其中，所述过渡电极采用真空自耗炉熔炼所得铸锭在锻造开坯过程中形成的坯头制作而成。

7.权利要求1-6中任意一项所述的真空自耗炉用电极的制备方法，其特征在于，该方法包括：按照自耗电极、过渡电极和辅助电极的连接顺序，将所述自耗电极、过渡电极和辅助电极在中轴线方向上进行焊接。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其中，所述焊接的顺序为：先将过渡电极的一端与辅助电极进行焊接，再将过渡电极的另一端与自耗电极进行焊接。

9.一种真空自耗熔炼补缩的方法，其特征在于，该方法包括通过辅助电极将权利要求1-6所述的真空自耗炉用电极悬挂在真空自耗炉的电极拉杆上，然后接通电源，通过自耗电极的熔化对电极下方的铸锭进行补缩。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述方法还包括：当所述自耗电极熔化完毕时，可以继续熔化过渡电极；

优选地，所述铸锭为钛或钛合金。