金属钒具有储氢、高温超导、快中子吸收截面小 及对液态钠有耐蚀性等特性，应用于储氢合金与氢气 分离膜、高温超导材料、溅射靶材、高速增殖反应堆燃 料棒的包覆材料和释热元件等方面"。随着金属钒应 用领域的不断扩大，金属钒制品的需求不断增加，现 阶段市场已对钒溅射靶材、镀膜用钒管、3D 打印用高 纯钒粉、钒丝等钒制品的需求不断增加2,而这些钒 制品必须使用满足要求的高纯钒锭来加工制作，本文 详细叙述高纯钒锭的研制工艺。

1  工艺过程

        钒锭的研制工艺包括EB 炉熔炼用钒铝中间合 金的研制及钒锭制备工艺的研究。

1.1 中间钒铝合金的研制

1.1.1 原料

        中间钒铝合金的研制原料有五氧化二钒、Al 粉 、 氧化铝，这三种原料对应的成分如表1—表3所示。

表 1 五氧化二钒

表2铝粉

表 3 氧化铝

1.1.2 铝热还原反应

        将五氧化二钒、铝粉和降热剂氧化铝按质量配 比为1:0.5~0.7:0. 1的比例配料，混合均匀后，在 120℃下烘干6h, 倒入石墨坩埚或铜坩埚压实，撒入点火剂，采用酒精引燃反应，结束后冷却12h 后 出 炉 ， 得到钒铝合金中间产品，并破碎成一定粒度，满足EB    炉的熔炼要求，钒铝合金杂质含量情况如表4所示。

 表 4 钒铝合金杂质含量情况

1.2 金属钒板的研制

        使用EB 熔炼炉进行熔炼，将钒铝合金中间产品 均匀装入EB 熔炼炉内已清理好的铜结晶器内，关好 炉门，抽真空至炉室真空为2.0×10-²Pa 以上，开始熔 炼。熔炼功率90kW, 熔炼速度20~30 mm/min,  熔 炼 2 遍，然后冷却2h 出炉。清理炉室、铜结晶器，翻板，关 好炉门，抽真空至炉室真空为2.0×10-²Pa 以上，开始 熔炼。熔炼功率100kW,  熔炼速度20~30 mm/min, 熔  炼2遍，熔炼结束后冷却2h 出炉，得到熔炼钒锭用 金属钒板。再将金属钒板剪切成钒条，焊接成钒电极， 最终熔炼金属钒锭，钒板杂质含量情况如表5所示。

表 5 钒板杂质含量情况

1.3高纯金属钒锭的研制

        使用铸锭电子束炉熔炼，将金属钒电极装入铸锭 电子束炉清理好的料仓内，关料仓门，抽真空至2.0× 10-³Pa  以上、功率为160kW  开始熔炼，将2个枪的电子束运行轨迹的直径控制在坩埚直径的4/5左右， 2个枪的电子束运行轨迹离坩埚边缘约1 cm,  使 电 子束在运行轨迹内自动扫描。使熔化滴入熔池的钒 料充分熔化，从而进一步除去杂质，然后采用旋转拉 锭的方法，铸成直径为140 mm 的 一 次钒锭。再将 一次锭按同样的方法进行二次熔铸，形成二次熔炼钒 锭。钒锭表面光洁，无其他缺陷。钒锭杂质含量情况如 表 6 所 示 。

表 6 钒锭杂质含量情况

2 结果与讨论

2.1    铝  热  还  原  反  应  对  气  体  的  控  制

        在电子束熔炼中，元素0、N也不易去除，必须从 钒铝合金产品生产中严格控制。w(V) 为85%左右的 钒铝合金的凝固组织由大量的V 相和少量的AlV3   相构成，热裂倾向小。反应结束后静置冷却，不容易产  生裂纹，减少和降低了氧化/氮化膜的形成。如果在 反应结束还未完全凝固的情况下，移动或抖动坩埚， 合金内部会产生氧化/氮化膜，在合金锭表面会产生 黄色、蓝色或黑色的氧化/氮化膜。为了保证合金中 具有较低的氧含量和氮含量，反应结束后一直冷却到 室温再取出合金。合金表面有零星的氧化/氮化斑 点，再经表面抛丸处理，这样生产的钒铝合金就完全 满足电子束熔炼的要求。同时在压实、烘干及单位反 应热量降低的情况下，喷溅比较少，所以钒的收得率 比较高，钒的收得率可达93%以上。

2.2    EB熔  炼  炉  熔  炼  时  熔  炼  速  度  及  功  率  参  数  的  确  定

        各元素的饱和蒸汽压与温度的关系，在大功率熔炼时，钠、镁、铝、铬、铁等元  素的饱和蒸汽压高于钒，容易去除。

        但是大功率熔炼下，氧元素不容易被去除。原因 是氧与铝形成比 VO 更稳定的Al₂O,   由 于Al₂O的 挥 发性更强，因此EB 熔炼炉熔炼时的脱氧作用主要依 赖于铝与氧形成Al₂0  量的多少，由于在高温下，铝促 进VO 热分解，并与氧形成Al₂O需要一定的时间。为 了保证生成Al₂O反应的顺利进行，需要适当减缓铝 的蒸发速度。当采用大功率熔炼时，由于升温过快，铝 没有来得及与氧反应就被直接挥发去除，无法有效地 促进脱氧反应的进行，因此会出现铝含量很低而氧含 量不减的现象。采用小功率熔炼时，在铝被加热蒸发 的同时，保证部分铝与氧反应生产Al₂O, 以促进脱氧 反应的进行，所以EB 熔炼炉熔炼金属钒时先采用低 功率、低速度的熔炼方法，后进行大功率熔炼。

2.3     铸  锭  熔  炼  炉  熔  炼  对  钒  锭  质  量  的  影  响  分  析

2.3.1 电子束炉熔炼时电子束运行轨迹的影响

        在料棒和熔池的表面使用电子束加热。熔池表面温度高，坩埚又采用水冷，使轴向温度梯度很大，径向 冷却速度亦存在差异，因此容易造成铸锭成分的不均 匀。将电子束在熔池的运行轨迹调到合理位置，可以 将熔池径向温度梯度控制得较小，以降低铸锭成分的 不均匀。取钒锭的不同部位进行分析，从分析结果得 出钒锭外部温度相对较低，杂质含量相对较高，电子 束加热的中部温度较高，杂质含量相对较低，且能将 杂质含量控制在要求范围之内。故采用将2个枪的电 子束运行轨迹的直径控制在坩埚直径的4/5左右，2 个枪的电子束运行轨迹离坩埚边缘约1cm 左右，采 用自动周期扫描方法。

2.3.2 熔炼功率和熔炼速度的影响

        在熔炼速度一定时，增大熔炼功率，有利于杂质 的扩散和挥发，但又易导致熔池轴向温度梯度增大， 增大铸锭成分的不均匀度；降低熔炼功率不利于杂质 的扩散和挥发，但又可使熔池轴向温度梯度降低，降 低铸锭成分的不均匀程度。为消除此类问题，在一次 铸锭时，采用相对较低的熔炼功率、较低的熔炼速度。 这样既可防止或减少偏析，又可以有效除去杂质，得 到成分均匀的铸锭。在二次铸锭时，采用较高的熔炼 功率、较快的熔炼速度，采用旋转拉锭的方式，这样既 减少偏析，又能保证铸锭的表面质量。

2.3.3 熔炼钒板中杂质的影响

        钒板中的杂质含量太高，包括Al 、Fe 、0、N元 素 ， 在铸锭时若去除不完全，铸锭会出现裂纹或气孔现  象，因此铸锭采用二次熔炼铸锭的方法，这样既可以  去除杂质，也可以使表面光洁，内部无缺陷，使钒锭满  足后续加工需求。

3  结论

        1)加工用高纯金属钒锭的研制，原料必须采用高 纯原料，如果五氧化二钒、铝粉、氧化铝中的硅、碳含 量太高，富集于钒铝合金，在电子束熔炼过程中会不 易去除，影响钒锭的质量。

        2)EB 熔炼炉熔炼钒板时必须先采用低功率、低 速度的熔炼方法，后采用大功率熔炼，否则无法降低 氧含量。

        3)一次熔炼铸锭会出现钒锭成分不均匀、表面裂 纹及内部缺陷的情况，二次熔铸后钒锭杂质含量更 低，气孔、裂纹缺陷得以消除，表面光洁，经超声波探 测发现内部无气孔、缺陷后，再确定予以加工。