純鎳具有優良的耐腐蝕性，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[1-2]。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量和經濟效益問題。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。寶鈦集團純鎳生產采用VIM、VIM+VAR、VIM+ESR、多次VAR、EB和EB+VAR。國內其他省市及地區的企業生產純鎳以VIM為主(0.5~2.0 t)，有一些企業為擴大純鎳生產錠型也采用VIM+VAR雙真空熔煉。

1.   純鎳熔煉工藝

1.1   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上非常重要，很多情況下具有不可替代性。關于純鎳有效去除雜質、夾雜、脫硫、脫氣、晶粒細化的研究是一個重點，對純鎳冶金質量至關重要。真空感應熔煉時以不同工藝添加各種添加劑進行雜質、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熔煉大規格圓錠(質量大于1.5 t)在切除縮孔、冒口后，用于鍛造板坯，目前國內主流設備為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、西北院等企業主要將之作為自耗電極，供ESR和VAR重熔使用。

VIM大規格方錠(質量大于1 t)可以不經過鍛造直接軋制，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計規避一些問題，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漏眼問題，導致產品報廢。

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需要對原料質量、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，并在后續加工中得到體現，表現為掉渣、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，用作小規格的板坯、棒坯、管坯等的生產(圖1)。

1.2   真空感應加真空自耗雙真空熔煉(VIM+VAR)

雙真空熔煉(VIM+VAR)通過充分發揮兩種熔煉方式的優勢，可以用來生產致密的高質量的純鎳鑄錠，能夠有效減少疏松和縮孔，同時進一步降低雜質元素含量，在生產高純鎳如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，可用于生產更大規格、單重的成品，如大規格的中厚板、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)方法生產的板材相對于VIM鑄錠質量有很大提高，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。

1.3   真空感應加電渣熔煉雙聯法(VIM+ESR)

先經過真空感應熔煉，制備自耗電極，之后組焊進行電渣重熔，用于生產大規格、高品質的純鎳鑄錠。真空感應加電渣熔煉雙聯(VIM+ESR)方法可以發揮真空感應熔煉對原料適應性強、能夠精確控制成分、脫氣等優勢，借助電渣重熔進一步消除S等雜質，同時強力去除非金屬夾雜，從而得到冶金質量良好、致密、表面質量好的純鎳鑄錠。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現大的夾雜現象，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)方法生產鑄錠軋制的板材質量良好，中間火次修磨量很少，實際生產可以軋至厚度0.1~0.7 mm，很少出現起皮、漏眼等現象。生產的板材經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，會存在氧反彈的現象，因而對自耗電極的氧含量要求嚴格。同時該工藝技術要求較高，尤其是電渣重熔的渣系、參數、添加劑等，有一定的技術難度。技術不過關容易出現鑄錠內部孔洞等現象。

1.4   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。某企業電子束爐熔煉純鎳實驗料軋制后發生全部脆斷失效的情況，加工工藝參數及執行情況、設備等無異常，同批生產的其他熔煉方式所產純鎳軋制正常。后續用其余料進行大變形量軋制、退火實驗，依然表現為強度、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生開裂報廢現象。經過調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。

1.5   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量大于10 t的大規格純鎳鑄錠，用于生產寬幅純鎳帶，是大規格純鎳產品的有效生產方式。

1.6   其他研究方向

將真空感應、真空自耗、電渣重熔進行有機結合，充分發揮三種熔煉工藝的優勢，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等有害雜質含量，提高質量，同時擴大錠型、提高成品率。

2.   純鎳熔煉工藝分析

2.1   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品性能是工藝關注的重點。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的純鎳的耐腐蝕性，研究采用ASTM G28方法A進行實驗，結果見表1。實驗結果表明真空感應加電渣熔煉雙聯工藝生產的純鎳鑄錠因為強力去除了雜質，耐腐蝕性更高。

2.2   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、修磨來保障成品質量。

采用VIM+ESR熔煉的鑄錠晶粒較小，表面質量好，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。

3.   結束語

純鎳熔煉有多種方法，各具優勢和局限性。在生產各種產品時應根據實際情況予以選擇，或單獨使用、或進行幾種熔煉方式的優化組合，對提高純鎳成品質量、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: 冶金工業出版社, 2010

[3]王振東. 感應爐冶煉工藝技術. 北京: 機械工業出版社, 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

文章來源——金屬世界