一种用屑状和板状纯钛残料熔炼回收获得TA2扁锭的方法

摘要

本发明涉及一种用屑状和板状纯钛残料熔炼回收获得TA2扁锭的方法，可显著提高屑状钛残料添加比例至95%，且不需添加海绵钛，使用屑状及板状纯钛残料即可实现100%纯钛残料添加熔炼回收，生产出成分合格的TA2扁锭；本发明提供了成分配料方法，对熔炼回收TA2扁锭成分进行设计，使扁锭成分不仅满足GB/T 3620.1《钛及钛合金牌号和化学成分》标准要求，同时其生产钛板机械性能满足并优于GB/T 3621《钛及钛合金板材》标准要求，成分性能优异。

说明书

技术领域

本发明涉及钛材加工技术领域，具体的说是一种用屑状和板状纯钛残料熔炼回收获得TA2扁锭的方法。

背景技术

工业纯钛以TA1、TA2牌号为主，具有优异的耐蚀及焊接性能，并且易加工成型，大量应用于石油、化工、冶金、电力、船舶、环保等领域。在纯钛铸锭、棒材、板材、锻件及零部件切削加工过程中，产生多达5~80%不等钛残料，多以屑状及板状存在，如何通过合理的工艺方案，实现这些钛残料低成本回收，对降低钛材成本具有重要意义。

TA1牌号纯钛要求N、O等杂质元素含量低，熔炼原材料纯度高，以获得低强度、高塑性机械性能；TA2牌号纯钛具有中等强度及塑性匹配综合性能，需要含有一定比例范围N、O等强化杂质元素，对熔炼原材料纯度要求相对较低，而钛残料杂质元素含量普遍高于母材，因此更适合于熔炼回收获得TA2板坯。

屑状钛残料由于杂质元素含量高、形态松散、密度低，不易熔炼回收。现有工艺，主要通过钛屑与海绵钛配料、混料，压制电极后获得熔炼回收钛锭，但为了保证电极连接强度，屑状钛残料添加比例一般≤30%，添加比例低；同时，钛屑熔炼回收，由于都需要添加海绵钛降低杂质元素含量，因此未实现100%回收料添加熔炼，回收成本高，且钛残料高低密度夹杂不易去除，质量难以保证。

发明内容

针对上述现有技术中钛屑熔炼回收成本高，且钛残料高低密度夹杂不易去除，质量难以保证等问题，本发明提供一种用屑状和板状纯钛残料熔炼回收获得TA2扁锭的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种用屑状和板状纯钛残料熔炼回收获得TA2扁锭的方法，包括以下步骤：

步骤一：对屑状纯钛残料进行清洗、烘干及磁选，去除表面油污及铁屑杂质，得到表面清洁、干燥的钛屑，其中钛屑烘干温度控制在80~120℃，用于后续制备压块；通过抛丸酸洗、碱酸洗将板状纯钛残料表面杂质去除干净并烘干，获得表面洁净、干燥的板状纯钛残料，用于后续制备料箱及布料回收；

步骤二：对步骤一处理后的屑状及板状纯钛残料中Fe、C、N、O杂质元素含量成分进行检测、标定；定义屑状残料Fe、C、N、O杂质元素含量质量百分比标定值分别为A(Fe)%、A(C)%、A(N)%、A(O)%；定义板状残料Fe、C、N、O杂质元素含量质量百分比标定值分别为B(Fe)%、B(C)%、B(N)%、B(O)%；定义熔炼回收获得TA2扁锭Fe、C、N、O杂质元素含量质量百分比分别为C(Fe)%、C(C)%、C(N)%、C(O)%；定义[O]%用于表征熔炼回收扁锭杂质元素整体含量；

定义屑状纯钛残料熔炼回收添加比例为x%，板状纯钛残料熔炼回收添加比例为y%，且x%+y%=1，其中x%范围为10~95%，扁锭中[O]%及配料需满足以下条件：

[O]%=C(O)%+0.5*C(Fe)%+0.7*C(C)%+2.5*C(N)%=0.15~0.30%；即[x%*A(O)%+y%*B(O)%]+0.5*[x%*A(Fe)%+y%*B(Fe)%]+0.7*[x%*A(C)%+ y%* B(C)%]+2.5* [ x%* A(N)%+ y%* B(N)%] =0.15~0.30%

根据钛板强度需求，确定熔炼回收扁锭[O]%目标值，并根据屑状及板状纯钛残料杂质元素标定值确定添加比例x%、y%；

步骤三：定义每个钛屑压块重量为m，将步骤一处理好的称量过的钛屑放入挤压机模具内进行挤压，制备立方形钛屑压块；

步骤四：步骤一处理过的板状钛残料定尺用于制备料箱及布料回收使用；

料箱用钛板定尺：选择2~6mm厚度规格板状纯钛残料进行定尺；

布料用钛板定尺：对板状纯钛残料进行定尺，定尺规格应小于料箱底板尺寸，并便于装料；

步骤五：制备料箱，料箱由1块底板、4块侧板拼焊而成，顶端开口；

步骤六：将钛屑压块及板状纯钛残料放入料箱中，设定布料后料箱总重量为M，其中钛屑压块总重量为m₁，n表示钛屑压块个数，布料板状钛残料重量为m₂，料箱重量为m₃，则M=>1+>2+>3，m₁=nm，m₁：(m₂+m₃)=x%：y%；

根据M、m、x%、y%、m₃值，计算并称取每个料箱所需板状纯钛残料m₂，并按照顺序进行布料：首先在料箱底层叠加铺设n块钛屑压块，然后在其上层均匀布料平铺板状纯钛残料；

按照上述方法，布料装箱熔炼所需数量料箱，用于后续熔炼；

步骤七：将布料好的料箱装入EB冷床炉进料系统，并对进料室、熔炼室进行抽真空，当进料室真空度≤0.6Pa、熔炼室真空度≤0.1Pa时，开始进行熔炼；熔炼过程中熔炼室真空度满足≤0.1Pa，电子枪功率为300~460kW，轰击电压为45±5kV；钛残料受电子束轰击熔化为钛液后，经熔化冷床、精炼冷床，流入结晶器坩埚凝固，经拉锭系统将铸锭拉至拉锭室随炉冷却后出炉，获得TA2扁锭。

所述步骤三中压块的长宽名义规格为400×360mm，高度≤450mm。

所述步骤四中，料箱用钛板定尺规格分别为450*450mm/2块、450*1600mm/3块，用于制备料箱；布料用钛板的宽度规格≤400mm，长度规格≤1550mm。

所述步骤五中使用氩弧焊方法将8条拼接焊缝进行焊接。

本发明的有益效果：

本发明提供的用屑状和板状纯钛残料熔炼回收获得TA2扁锭的方法，可显著提高屑状纯钛残料添加比例至95%，且不需添加海绵钛，使用屑状及板状纯钛残料即可实现100%钛残料添加熔炼回收，生产出成分合格的TA2扁锭；

本发明提供的用屑状和板状纯钛残料熔炼回收获得TA2扁锭的方法，钛残料添加比例高：一方面屑状钛残料添加比例可达30%以上，最高可达95%，另一方面由于不需添加海绵钛，实现了100%屑状及板状纯钛残料添加熔炼回收；高、低密度夹杂容易去除：EB冷床熔炼过程中，钛液过热度高，且钛液熔化、精炼、凝固分开进行，精炼过程中有足够的时间使高密度夹杂溶解或沉积被冷床凝壳捕获，同时也有足够的时间使低密度夹杂上浮挥发及溶解消除，高、低密度夹杂更易去除干净；生产流程短、成本低：相比于传统VAR熔炼工艺，本发明的方法无需多火次锻造及扒皮，经一次EB冷床炉熔炼即可获得可直接用于开坯轧制的TA2扁锭，成材率高，同时使用100%钛残料熔炼回收，无需使用海绵钛，因此具有生产流程短、成本低的优势；成分性能优异：本发明同时提供了成分配料方法，对熔炼回收TA2扁锭成分进行设计，使扁锭成分不仅满足GB/T 3620.1《钛及钛合金牌号和化学成分》标准要求，同时其生产钛板机械性能满足并优于GB/T 3621《钛及钛合金板材》标准要求，成分性能优异。

附图说明

图1 为本发明制备的料箱结构示意图；

图2为本发明料箱布料横截面结构示意图；

附图标记：1、料箱，2、板状纯钛残料，3、钛屑压块。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步的阐述。

采用本发明对屑状及板状纯钛残料进行熔炼回收，目标是获得190*1055*5700mm扁锭。

步骤一，表面处理：对纯钛屑状钛残料进行清洗、100℃烘干及磁选，去除表面油污及铁屑杂质，得到表面清洁、干燥的钛屑；采用抛丸酸洗方法将板状纯钛残料表面氧化皮、油污等杂质去除干净并烘干，使其表面洁净、干燥；

步骤二，配料计算：用化学分析法对屑状、板状纯钛残料成分进行检测、标定，结果如表1所示。根据板材强度要求，选定熔炼回收TA2扁锭目标[O]%为0.26%，则可计算出添加屑状钛残料比例为71.1%，计算过程如下：

[O]%=C(O)%+0.5*C(Fe)%+0.7*C(C)%+2.5*C(N)%=0.26%，即[x%*A(O)%+ y%*B(O)%]+0.5*[x%*A(Fe)%+y%*B(Fe)%]+0.7*[x%*A(C)%+y%*B(C)%]+2.5* [x%*A(N)%+y%*B(N)%]=(x%*0.19%+y%*0.07%)+0.5*(x%*0.08%+y%*0.04%)+0.7*(x%*0.05%+y%*0.03%)+2.5*(x%*0.022%+y%*0.008%)=0.26%。

其中x%+y%=1，经计算x%=71.1%、y%=28.9%

表1 纯钛残料成分标定值(wt.%)

步骤三，钛屑压块：定义每个钛屑压块重量m为86kg，将称量好的钛屑放入挤压机模具内进行挤压，制备立方形钛屑压块，压块规格为400*360*300mm。

步骤四，定尺：选择3mm厚度规格板状纯钛残料进行定尺，定尺规格分别为450*450mm、450*1600mm，用于制备料箱；布料用板状纯钛残料定尺宽度规格≤400mm、长度规格≤1550mm。

步骤五，制备料箱：按照图1所示采用氩弧焊的方法制备料箱，用于钛屑压块及板状纯钛残料装箱布料熔炼回收。

步骤六，布料装箱：每个料箱布料4块钛屑压块，则屑状钛残料重量合计为344kg。根据屑状钛残料添加比例71.1%计算，布料后每个料箱板状钛残料添加重量合计为139.8kg(料箱重量+布料用板状纯钛残料重量)。称量每个料箱重量，计算并称量每个料箱所需布料用板状纯钛残料备用。例如称量料箱重量为35kg，则该料箱所需布料用板状纯钛残料重量为104.8kg；

料箱及每个料箱所需布料用板状纯钛残料备好后，开始进行布料装箱。首先在料箱底层依次平铺4块钛屑压块，压块400、360、300mm方向分别与料箱宽度、长度、高度平行；然后在其上方均匀布料平铺板状纯钛残料，整体布料厚度均匀紧密。

按照上述方法，对熔炼所需全部料箱进行布料装箱，熔炼备用。

步骤七，EB冷床炉熔炼：将布料好的料箱装入EB冷床炉进料系统，并对进料室、熔炼室进行抽真空，当进料室真空度≤0.5Pa、熔炼室真空度≤0.08Pa时，开始进行熔炼。熔炼过程中熔炼室真空度满足≤0.08Pa，电子枪功率为350~450kW，轰击电压为45±5kV。钛残料受电子束轰击熔化为钛液后，经熔化冷床、精炼冷床，流入结晶器坩埚凝固，经拉锭系统将铸锭拉至拉锭室随炉冷却后出炉，获得TA2扁锭，尺寸为202*1075*5820mm。

步骤八，机加工：使用铣床及锯床对扁锭进行铣面、锯切。上、下面铣面加工去除厚度6mm，侧面铣面加工去除厚度10mm，两端锯切去除尺寸20~120mm，获得190*1055*5700mm扁锭，并在头中尾取样，化验成分。对方坯坯进行锯切，得到可直接用于轧制开坯的190*1055*950mm/6块方坯。

熔炼回收获得的TA2扁锭成分如表2所示，各元素成分含量满足并优于GB/T 3620.1国标。对扁锭进行板材制备，一火轧制温度850℃，二火换向轧制，二火轧制温度790℃，轧至6mm目标厚度，成品进行680℃热处理，获得的成品板力学性能如表3所示，性能满足并优于GB/T 3621《钛及钛合金板材》标准。

表2 TA2扁锭化学成分(wt.%)

表3 TA2纯钛板力学性能

本发明屑状纯钛残料添加比例可提高至30~95%，且不需添加海绵钛，使用屑状及板状纯钛残料即可实现100%纯钛残料添加熔炼回收；此外，本发明采用EB炉进行熔炼回收，相比于VAR熔炼回收工艺，除可实现100%钛残料添加回收外，还可减少一次熔炼，同时无需多火次锻造、中间工序扒皮修磨及机加工，就可获得可直接用于轧制的方坯，从钛残料至方坯得料率可达到88.5%，显著高于上述方法82%得料率，成本更低，经济优势明显。因此，本发明是一种成本低、质量好、流程短的纯钛残料熔炼回收方法。