鎳棒鎳絲等純鎳材的熔煉工藝

純鎳具有優(yōu)良的耐腐蝕性，其對苛性堿腐蝕抗力是無法替代的，同時其兼具優(yōu)良的可加工性、電磁學性能，因而被廣泛用于化工、海洋裝備、核能、蓄電池等行業(yè)[1-2] 。鎳棒鎳絲等純鎳的熔煉研究始終圍繞著脫氣、脫硫、去除非金屬夾雜、晶粒細化等提高冶金質(zhì)量和經(jīng)濟效益問題。純鎳的冶煉方法有真空感應熔煉 (VIM)、真空自耗熔煉 (VAR)、真空感應加真空自耗雙真空熔煉 (VIM+VAR)、真空感應加電渣熔煉雙聯(lián)法 (VIM+ESR)、電子束爐熔煉 (EB)、電子束爐加多次真空自耗熔煉 (EB+VAR)等。寶鈦集團純鎳生產(chǎn)采用 VIM、VIM+VAR、VIM+ESR、多次VAR、EB 和 EB+VAR。國內(nèi)其他省市及地區(qū)的企業(yè)生產(chǎn)純鎳以 VIM 為主 (0.5~2.0 t)，有一些企業(yè)為擴大純鎳生產(chǎn)錠型也采用 VIM+VAR 雙真空熔煉。

1、純鎳熔煉工藝

1）真空感應熔煉 (VIM)

真空感應熔煉方式 (VIM) 在純鎳及合金的生產(chǎn)上非常重要，很多情況下具有不可替代性。關(guān)于純鎳有效去除雜質(zhì)、夾雜、脫硫、脫氣、晶粒細化的研究是一個重點，對純鎳冶金質(zhì)量至關(guān)重要。真空感應熔煉時以不同工藝添加各種添加劑進行雜質(zhì)、脫氧、脫硫處理是很重要的方式，常用的元素有C、Mg、Ca、Ti、Al 及 La、Ce 等稀土元素[3-5] ；結(jié) 合計算機仿真分析、爐前成分檢測等手段可以精確控制化學成分，而且真空感應大功率攪拌，成分均勻；真空感應熔煉借助脫氧劑和高真空，可以將H、O 等有害氣體元素降至極低的水平，同時可以高效去除 Pd、As、Bi 等有害低熔點金屬夾雜元素。真空感應熔煉對原料適應性很強，可以熔煉塊狀、屑狀等各種形狀原料，無需壓制電極，有利于大幅降低成本。

VIM 可以澆注圓錠和方坯。VIM 熔煉大規(guī)格圓錠 (質(zhì)量大于 1.5 t) 在切除縮孔、冒口后，用于鍛造板坯，目前國內(nèi)主流設(shè)備為 0.5~2.5 t 爐，板坯最終為 0.4~1.5 t，成品率低。在寶鈦、重材院、西北院等企業(yè)主要將之作為自耗電極，供 ESR 和 VAR 重熔使用。

VIM 大規(guī)格方錠 (質(zhì)量大于 1 t) 可以不經(jīng)過鍛造直接軋制，存在的問題是：縮孔大，成品率很低，約為 70%~75%；無法有效消除添加殘料帶來的非金屬夾雜，且容易出現(xiàn)裹渣。在開坯及成品軋制時，探傷容易不合格。在機加工時存在疏松、夾渣、掉渣現(xiàn)象，而且坯型固定與成品不完全匹配，成品率很低。雖然小錠型真空感應爐澆注方坯可以通過模 具設(shè)計規(guī)避一些問題，但是不能完全去除非金屬夾雜，故而在軋制板材表面有起皮，部分薄板料軋制會出現(xiàn)漏眼問題，導致產(chǎn)品報廢。

VIM 熔煉純鎳作為一種常用的成熟工藝將長期使用，采用該方法直接生產(chǎn)需要對原料質(zhì)量、純凈度提出很高的要求。直接 VIM 熔煉不能有效去除殘料帶來的非金屬夾雜，并在后續(xù)加工中得到體現(xiàn)，表現(xiàn)為掉渣、夾雜、起皮、分層較多等，加工過程中修磨量大。而類似 25、200 kg 的熔煉鑄錠，規(guī)格小，配合模具可以有效減少縮孔，一些情況下可以 直接使用，用作小規(guī)格的板坯、棒坯、管坯等的生產(chǎn) (圖 1)。

1）真空感應加真空自耗雙真空熔煉 (VIM+VAR)

雙真空熔煉 (VIM+VAR) 通過充分發(fā)揮兩種熔煉方式的優(yōu)勢，可以用來生產(chǎn)致密的高質(zhì)量的純鎳鑄錠，能夠有效減少疏松和縮孔，同時進一步降低雜質(zhì)元素含量，在生產(chǎn)高純鎳如 N4 具有重要的作用，解決了單純真空感應熔煉帶來的很多問題。同時該方法有利于擴大錠型，可用于生產(chǎn)更大規(guī)格、單重的成品，如大規(guī)格的中厚板、鎳帶等。

雙真空鑄錠扒皮加工量大，成品率不高，大量的扒皮加工去除了鑄錠表面的細晶組織，使得柱狀晶暴露。鑄錠鍛造時工藝控制不當容易出現(xiàn)頭部開裂、表面裂紋的情況。為此鍛造溫度需要提高，鍛造工藝操作方法要求高，需要謹慎操作。

雙真空熔煉 (VIM+VAR) 方法生產(chǎn)的板材相對于 VIM 鑄錠質(zhì)量有很大提高，但是依然不能十分有效地消除添加殘料帶來的非金屬夾雜物，不能有效消除皮下氣孔 (圖 2)。此類成品板有時存在探傷局部不合格、機加工過程中掉渣等情況。因而為了保證冶金質(zhì)量，對原料要求高，需要使用電解鎳、純凈塊料等高級別清潔的原料，不能有效利用刨銑屑等，導致成本高。

3）真空感應加電渣熔煉雙聯(lián)法 (VIM+ESR)

先經(jīng)過真空感應熔煉，制備自耗電極，之后組焊進行電渣重熔，用于生產(chǎn)大規(guī)格、高品質(zhì)的純鎳鑄錠。真空感應加電渣熔煉雙聯(lián) (VIM+ESR) 方法可以發(fā)揮真空感應熔煉對原料適應性強、能夠精確控制成分、脫氣等優(yōu)勢，借助電渣重熔進一步消除S 等雜質(zhì)，同時強力去除非金屬夾雜，從而得到冶金質(zhì)量良好、致密、表面質(zhì)量好的純鎳鑄錠。成品率

相對大幅提高。鑄錠純凈，加工性能大幅改善，鍛造極少出現(xiàn)開裂情況，板坯刨銑、修磨量降低，成品率提高至 95%~97%。即使添加 30%~50% 返回爐料，采用嚴格標準進行多次探傷未發(fā)現(xiàn)大的夾雜現(xiàn)象，非金屬夾雜物按標準評級在 1 級 a。

真空感應加電渣熔煉 (VIM+ESR) 方法生產(chǎn)鑄錠軋制的板材質(zhì)量良好，中間火次修磨量很少，實際生產(chǎn)可以軋至厚度 0.1~0.7 mm，很少出現(xiàn)起皮、漏眼等現(xiàn)象。生產(chǎn)的板材經(jīng)過多批次探傷等檢測，幾乎無皮下氣孔、夾雜、疏松等缺陷 (圖 3)。然而真空感應加電渣熔煉 (VIM+ESR) 法能耗較大，存在一定的污染問題。雖然有渣池、渣殼隔離保護，畢竟是 非真空熔煉，會存在氧反彈的現(xiàn)象，因而對自耗電極的氧含量要求嚴格。同時該工藝技術(shù)要求較高，尤其是電渣重熔的渣系、參數(shù)、添加劑等，有一定的技術(shù)難度。技術(shù)不過關(guān)容易出現(xiàn)鑄錠內(nèi)部孔洞等現(xiàn)象。

4）電子束爐熔煉 (EB)

電子束爐熔煉純鎳鑄錠，熔煉后直接為方錠，無需鍛造。某企業(yè)電子束爐熔煉純鎳實驗料軋制后發(fā)生全部脆斷失效的情況，加工工藝參數(shù)及執(zhí)行情況、設(shè)備等無異常，同批生產(chǎn)的其他熔煉方式所產(chǎn)純鎳軋制正常。后續(xù)用其余料進行大變形量軋制、退火實驗，依然表現(xiàn)為強度、塑性不合格，全部報廢。另外一家單位同樣使用 EB 爐熔煉的純鎳鑄錠軋制時也發(fā)生開裂報廢現(xiàn)象。經(jīng)過調(diào)查和一系列的檢測后，認為采用 EB 爐熔煉的純鎳鑄坯柱狀晶極其粗大，鑄坯直接使用會有很大問題，綜合認為在其工藝沒有獲得可靠性認定及有效進展之前不宜使用，必須采用有效手段破碎其晶粒方可保證其加工性。

5）電子束爐加真空自耗熔煉及多次真空自耗熔煉(EB+VAR 及多次 VAR)

采用電子束爐加真空自耗熔煉 (EB+VAR) 時先進行電子束爐熔煉，有利于回收利用一些殘料，之后再進行真空自耗熔煉，擴大錠型的同時消除單純EB 熔煉晶粒粗大、加工性能差的問題。

多次 VAR 真空自耗熔煉目的是為了擴大錠型，需要制備自耗電極，返回爐料使用有限，要求高。這兩種方法均可以獲得質(zhì)量大于 10 t 的大規(guī)格純鎳鑄錠，用于生產(chǎn)寬幅純鎳帶，是大規(guī)格純鎳產(chǎn)品的有效生產(chǎn)方式。

6）其他研究方向

將真空感應、真空自耗、電渣重熔進行有機結(jié)合，充分發(fā)揮三種熔煉工藝的優(yōu)勢，充分利用返回爐料，大幅度降低原料成本，有效去除非金屬夾雜，降低 S 等有害雜質(zhì)含量，提高質(zhì)量，同時擴大錠型、提高成品率。

2、純鎳熔煉工藝分析

1）耐腐蝕性對比實驗

添加各種殘料回收是降低成本的有效措施，而能否有效消除殘料帶來的夾雜物，以及是否會影響到產(chǎn)品性能是工藝關(guān)注的重點。實驗研究了添加同比例返回爐料并使用各種熔煉工藝所生產(chǎn)的純鎳的耐腐蝕性，研究采用 ASTM G28 方法 A 進行實驗，結(jié)果見表 1。實驗結(jié)果表明真空感應加電渣熔煉雙聯(lián)工藝生產(chǎn)的純鎳鑄錠因為強力去除了雜質(zhì)，耐腐蝕性更高。

2）不同冶煉工藝探討

不同純鎳熔煉工藝對比見表 2。純鎳塑性極好，可以在很寬的溫度范圍內(nèi)進行加工。通常板坯鍛造溫度為 950~1100 ℃，軋制溫度為 650~950 ℃，部分可以采用≤350 ℃ 溫軋，同時完全可以冷軋，需要指出的是加工溫度避免高于 1100 ℃ 和低應變速率(容易導致晶粒異常長大)[6] 。

VIM+VAR 雙真空熔煉、EB+VAR 熔煉、多次VAR 熔煉的純鎳鑄錠需要采用較高的開坯溫度，其晶粒較大，需要高溫大變形量開坯破碎晶粒。而且工序中需要多次刨銑、扒皮加工、修磨來保障成品質(zhì)量。

采用 VIM+ESR 熔煉的鑄錠晶粒較小，表面質(zhì)量好，無需扒皮加工。表面為細小等軸晶，不易開裂，可以采取大變形量加工。而且鑄錠的熱塑性、加工性能、表面質(zhì)量較好，扒皮加工量少，有利于減少火次、縮短工期，加工時采用純鎳加工溫度下限。

結(jié)束語

純鎳熔煉有多種方法，各具優(yōu)勢和局限性。在生產(chǎn)各種產(chǎn)品時應根據(jù)實際情況予以選擇，或單獨使用、或進行幾種熔煉方式的優(yōu)化組合，對提高純鎳成品質(zhì)量、合理利用原料、控制成本有著重要的作用。

參考文獻

[1]Davis J R. ASM Specialty Handbook: Nickel, Cobalt, and Their Alloys.ASM International Materials Park: The Materials Information Society,1997

[2]崔雅茹, 王超. 特種冶煉與金屬功能材料. 北京: 冶金工業(yè)出版社,2010

[3] 王振東. 感應爐冶煉工藝技術(shù). 北京: 機械工業(yè)出版社, 2011

[4]陳曦. 純鎳的晶粒細化及其機理研究[學位論文]. 蘭州: 蘭州理工大學, 2013

[5]鄭磊, 孟曄. 鎳-硫合金中溫脆性的機理研究[EB/OL]. 北京: 中國科技論文在線 [2010-10-18]. http://www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201010-274

[6]滕杰, 賴仕禎, 高文理, 等. 粗大柱狀晶純鎳熱變形流變應力行為及加工圖. 湖南大學學報(自然科學版), 2015，42(6)：66