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一种采用TA1屑状纯钛残料熔炼回收制备TA2纯钛的方法

摘要

本发明属于钛材加工技术领域,具体涉及一种采用TA1屑状纯钛残料熔炼回收制备TA2纯钛的方法。本发明采用干式铣削TA1纯钛毛板坯,得到TA1钛状屑残料,TA1屑状钛残料经过磁选除铁,压块,干燥,得到钛屑压块;钛屑压块通过成分配料方法合理配料并熔炼回收,得到TA2纯钛。本发明可大幅缩短屑状钛残料熔炼回收流程,提高熔炼回收质量,且不需添加海绵钛,可实现100%TA1屑状钛残料熔炼回收,大幅提升屑状钛残料添加比例。该方法去除高低密度夹杂效果好,获得的TA2纯钛满足GB/T 3620.1《钛及钛合金牌号和化学成分》标准要求,且其生产的钛板机械性能优于GB/T 3621《钛及钛合金板材》标准要求。

著录项

  • 公开/公告号CN107893164A

    专利类型发明专利

  • 公开/公告日2018-04-10

    原文格式PDF

  • 申请/专利权人 洛阳双瑞精铸钛业有限公司;

    申请/专利号CN201711034111.4

  • 申请日2017-10-30

  • 分类号

  • 代理机构洛阳公信知识产权事务所(普通合伙);

  • 代理人陈利超

  • 地址 471000 河南省洛阳市洛阳市高新技术开发区滨河北路38号

  • 入库时间 2023-06-19 05:03:43

法律信息

  • 法律状态公告日

    法律状态信息

    法律状态

  • 2020-02-25

    授权

    授权

  • 2018-05-04

    实质审查的生效 IPC(主分类):C22B34/12 申请日:20171030

    实质审查的生效

  • 2018-04-10

    公开

    公开

说明书

技术领域

本发明属于钛材加工技术领域,具体涉及一种采用TA1屑状纯钛残料熔炼回收制备TA2纯钛的方法。

背景技术

工业纯钛主要以TA1、TA2牌号为主,均被广泛应用于化工、石油、电力、冶金、环保等领域。其中,TA1牌号纯钛O、N、C、Fe等杂质元素含量低,具有低强度、高塑性特点,熔炼所需原材料纯度高;TA2牌号纯钛需要含有一定比例范围O、N、C、Fe等强化杂质元素,具有中等强度及塑性匹配综合优良性能,对熔炼原材料纯度要求相对较低。

TA1纯钛板坯制备过程中,需要对毛坯表面进行铣削加工,会产生5~15%不等屑状纯钛残料,如何通过合理的工艺方案,实现这些纯钛残料高品质、低成本、短流程熔炼回收循环使用,具有重要的环保及经济价值。但屑状纯钛残料由于形态松散、杂质元素高、成分波动大,熔炼回收难度最大。现有技术,首先需要对钛屑进行酸洗、漂洗、烘干、粉碎、磁选处理,然后通过与海绵钛配料、混料,压制电极后,采用真空自耗熔炼(VAR)两次或以上获得回收钛锭,回收流程长、成本高。为了保证压制的电极连接强度,屑状钛残料添加比例较低,一般≤30%;同时,此种方法熔炼回收纯钛残料,高低密度夹杂不易去除,O、N气体杂质元素增量大,质量难以保证。因此,现有技术存在熔炼回收流程长、生产效率低、回收成本高、质量控制难度大问题,需要进行改进。

发明内容

为了克服现有技术TA1屑状纯钛残料熔炼回收流程长、生产效率低、回收成本高、质量控制难度大等不足和缺点,本发明的目的在于提供一种采用TA1屑状纯钛残料熔炼回收制备TA2纯钛的方法,该方法可大幅缩短TA1屑状纯钛残料熔炼回收流程,提高熔炼回收质量,且不需添加海绵钛,可实现100%TA1屑状纯钛残料熔炼回收,大幅提升TA1屑状纯钛残料添加比例,具有高效率、短流程、低成本、高质量等优点。

本发明的另一目的在于提供上述方法制备得到的TA2纯钛,该TA2纯钛满足GB/T3620.1《钛及钛合金牌号和化学成分》标准要求。

本发明的再一目的在于提供上述TA2纯钛的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现:

一种采用TA1屑状纯钛残料熔炼回收制备TA2纯钛的方法,包含如下步骤:

(1)钛屑制备:TA1纯钛毛板坯采用铣床干式铣削,对表面机加工,得到TA1纯钛成品板坯和屑状钛残料,屑状钛残料经过磁选除铁,得到TA1屑状纯钛残料;其中,铣削刀盘通过压缩空气吹扫进行冷却,铣削刀盘一次进刀量≤4mm,铣床工作台给进速度≤120mm/min;

(2)钛屑压块:将步骤(1)制得的TA1屑状纯钛残料压块,干燥,得到钛屑压块;

(3)配料:当步骤(2)中制得的钛屑压块杂质元素整体含量小于TA2纯钛杂质元素整体含量,且偏差≥0.015%时,添加二氧化钛(TiO2)进行增氧,将所需二氧化钛均匀分散撒于钛屑压块上表面,并震动钛屑压块,使浮于表面的二氧化钛落于钛屑之间固定;

(4)TA2纯钛制备:将配料好的钛屑压块进行熔炼回收,得到TA2纯钛;

步骤(1)中所述的TA1纯钛毛板坯的成分优选满足以下条件:

[O]=[O]%+0.5×[Fe]%+0.7×[C]%+2.5×[N]%,[O]≤0.15%;其中,[O]为毛板坯杂质元素整体含量,[Fe]%、[C]%、[N]%、[O]%分别为Fe、C、N、O杂质元素含量,以上百分比均为质量百分比;

步骤(1)中所述的TA1纯钛毛板坯优选表面干燥、清洁,无油污、水迹、杂物等异物附着;

步骤(1)中所述的TA1屑状纯钛残料外观呈银白或浅黄色,避免出现蓝色及紫色过氧化不合格钛屑;

步骤(2)中所述的压块的规格优选为450×450×400mm;

步骤(2)中所述的干燥的温度优选为80~120℃;

步骤(3)中所述的杂质元素整体含量的计算方法优选为:

[O]=[O]%+0.5×[Fe]%+0.7×[C]%+2.5×[N]%,[O]为杂质元素整体含量;

步骤(3)中所述的二氧化钛的用量的计算方法优选为:

n=(B-A)×m/0.4;其中,n每个压块所需二氧化钛添加重量,m为钛屑压块重量;B为TA2纯钛杂质元素整体含量,B=[O]=[O]%+0.5×[Fe]%+0.7×[C]%+2.5×[N]%,B=0.15~0.30%;A为钛屑压块杂质元素整体含量,A=[O]=[O]%+0.5×[Fe]%+0.7×[C]%+2.5×[N]%;[O]为杂质元素整体含量,[Fe]%、[C]%、[N]%、[O]%分别为Fe、C、N、O杂质元素含量,以上百分比均为质量百分比;

步骤(4)中所述的熔炼回收优选采用EB冷床炉进行熔炼回收;

所述的EB冷床炉进行熔炼回收的条件优选为熔炼室真空度≤0.1Pa,电子枪功率为300~460kW,轰击电压为45±5kV;

一种TA2纯钛,通过上述制备方法制备得到;

所述的TA2纯钛优选加工为TA2纯钛扁锭;

所述的TA2纯钛扁锭可进一步进行铣面、锯切,得到可直接用于轧制开坯的TA2纯钛方坯;

所述的TA2纯钛在交通运输、通讯设备、机械设备、模具制造、塑胶、电子、精密仪器制造等领域中的应用;

本发明的原理:

本发明在制备TA1纯钛成品板坯过程中,首先,采用干式铣削代替传统冷却液铣削,铣削刀盘通过压缩空气吹扫进行冷却,不采用冷却液,避免了钛屑的污染,从而省去传统钛屑酸洗、漂洗等清理工序;第二,利用铣削热使TA1屑状纯钛残料在机加工热作用下实现自氧化增O、N目的,可显著减少熔炼TA2配料所需TiO2添加量,进而降低熔炼O含量偏析不均匀风险,同时通过合理、科学控制铣削加工参数避免严重过氧化。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果:

(1)本发明采用干式铣削代替传统冷却液铣削,避免冷却液污染TA1屑状纯钛残料,从而省去传统TA1屑状纯钛残料酸洗、漂洗等清理工序。

(2)本发明利用铣削热使TA1屑状纯钛残料在加工过程中实现自氧化增O、N目的,减少了增氧所需TiO2添加量,熔炼O含量成分更均匀;可实现TA1屑状钛残料熔炼回收添加比例100%,大幅提升添加比例。

(3)本发明无需多次熔炼、多火次锻造及扒皮,通过一次EB熔炼,即获得可直接进行轧制的方坯,成材率高,且钛残料添加比例大幅提高,因此,本发明具有生产流程短、效率高、成本低等优点。

(4)本发明采用EB冷床炉进行熔炼回收,其中,EB冷床炉熔炼过程中,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,成分性能优异。

(5)本发明同时提供了成分配料方法,对熔炼回收TA2纯钛成分进行设计,使纯钛成分不仅满足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。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种采用TA1屑状纯钛残料熔炼回收制备TA2纯钛的方法,包含如下步骤:

(1)钛屑制备:将表面干燥、清洁、无油污、水迹、杂物等异物附着的TA1纯钛毛板坯采用铣床干式铣削,对表面机加工,得到TA1纯钛成品板坯和屑状钛残料,其中,铣削刀盘通过压缩空气吹扫进行冷却,铣削刀盘一次进刀量≤4mm,铣床工作台给进速度≤120mm/min;获得的钛屑外观呈银白或浅黄色,避免出现蓝色及紫色过氧化不合格钛屑;毛板坯加工前,应对铣床工作台及钛屑收集传送带进行检查清理,避免油污、异物附着,清理干净后再进行铣削加工;TA1纯钛毛板坯的成分优选满足以下条件:[O]=[O]%+0.5×[Fe]%+0.7×[C]%+2.5×[N]%,[O]≤0.15%;其中,[O]为毛板坯杂质元素整体含量,[Fe]%、[C]%、[N]%、[O]%分别为Fe、C、N、O杂质元素含量,以上百分比均为质量百分比;

(2)将步骤(1)制得的屑状钛残料经传送带搜集,传送带机构安装有磁选机,主要由电磁除铁器构成,其内置磁场强度≥5000高斯高强永磁块,经过磁选除铁,得到表面干燥、清洁及微氧化的TA1屑状纯钛残料;

(3)钛屑压块:将步骤(2)制得的TA1屑状纯钛残料压块,80~120℃干燥,得到钛屑压块,压块名义规格长宽名义规格为450×450×400mm;

(4)配料:当步骤(3)中制得的钛屑压块杂质元素整体含量小于TA2纯钛杂质元素整体含量,且偏差≥0.015%时,应添加二氧化钛(TiO2)进行增氧,将所需二氧化钛均匀分散撒于钛屑压块上表面,并震动钛屑压块,使浮于表面的二氧化钛落于钛屑之间固定;二氧化钛的用量的计算方法为:n=(B-A)×m/0.4;其中,n每个压块所需二氧化钛添加重量,m为钛屑压块重量;B为TA2纯钛杂质元素整体含量,B=[O]=[O]%+0.5×[Fe]%+0.7×[C]%+2.5×[N]%,B=0.15~0.30%;A为钛屑压块杂质元素整体含量,A=[O]=[O]%+0.5×[Fe]%+0.7×[C]%+2.5×[N]%;[O]为杂质元素整体含量,[Fe]%、[C]%、[N]%、[O]%分别为Fe、C、N、O杂质元素含量,以上百分比均为质量百分比;

(5)TA2纯钛制备:将配料好的钛屑压块装入EB冷床炉进行一次熔炼回收,使用矩形截面结晶器制备TA2扁锭;熔炼过程中,熔炼室真空度≤0.1Pa,电子枪功率为300~460kW,轰击电压为45±5kV,钛屑压块在电子束轰击下熔化为钛液,经熔化冷床、精炼冷床,流入结晶器坩埚凝固成型,成型后的铸锭在拉锭室中真空冷却后出炉,获得TA2纯钛扁锭;

(6)使用铣床及锯床对步骤(5)制得的TA2纯钛扁锭进行铣面、锯切,单侧铣面厚度应≥5mm,获得可直接进行轧制的方坯,并对头、中、尾取样,化验成分。

实施例2

(1)将表面干燥、清洁、无油污、水迹、杂物等异物附着的TA1纯钛毛板坯采用铣床干式铣削,铣削刀盘通过压缩空气吹扫进行冷却,而不使用冷却液,以避免污染钛屑,铣削刀盘一次进刀量4mm,铣床工作台进给速度100mm/min,对表面机加工,得到TA1纯钛成品板坯和表面清洁的、银白及浅黄色屑状钛残料;其中,TA1纯钛毛板坯Fe、C、N、O杂质元素含量(质量百分比)分别为0.025%、0.02%、0.005%、0.045%,杂质元素整体含量[O]=[O]%+0.5×[Fe]%+0.7×[C]%+2.5×[N]%=0.045%+0.5×0.025%+0.7×0.02%+2.5×0.005%=0.084%;毛板坯加工前,应对铣床工作台及钛屑收集传送带进行检查清理,避免油污、异物附着,清理干净后再进行铣削加工;

(2)将步骤(1)制得的屑状钛残料经传送带搜集,传送带机构安装有磁选机,主要由电磁除铁器构成,其内置磁场强度≥5000高斯高强永磁块,经过磁选除铁,得到表面干燥、清洁及微氧化的TA1屑状纯钛残料;

(3)将步骤(2)中磁选除铁后的TA1屑状纯钛残料传送至压机进行压块,同一批次压块制备压机压力、压块名义规格及重量应一致,以便于配料、熔炼进料。具体方法为:TA1屑状钛残料装入挤压模具,使用压机制备立方形压块,其中,压块名义规格长宽名义规格为450×450×400mm,其单块重量为154kg,将立方形压块放入烘干室,90℃烘干储存,得到钛屑压块;其中,钛屑压块Fe、C、N、O杂质元素含量(质量百分比)分别为0.040%、0.045%、0.010%、0.075%,钛屑压块杂质元素整体含量A=[O]=[O]%+0.5×[Fe]%+0.7×[C]%+2.5×[N]%=0.075%+0.5×0.040%+0.7×0.045%+2.5×0.010%=0.1515%;

(4)设定TA2纯钛杂质元素整体含量目标值B=0.18%,则每个压块所需二氧化钛添加重量n=(B-A)×m/0.4=(0.18%-0.1515%)×154/0.4kg=0.109725kg≈109.8g,称量所需份数二氧化钛,均匀撒于压块表面,并震动使压块钛屑将二氧化钛固定;

(5)将步骤(4)相互配料好的钛屑压块装入EB冷床炉进行一次熔炼回收,使用矩形截面结晶器制备TA2纯钛扁锭;熔炼过程中,熔炼真空度≤0.08Pa,电子枪功率为360~460kW,轰击电压为45±5kV,钛屑压块在电子束轰击下熔化为钛液,经熔化冷床、精炼冷床,流入矩形截面结晶器坩埚凝固成型,成型后的铸锭在拉锭室中真空冷却后出炉,得到TA2纯钛扁锭,尺寸为202×1075×5500mm;

(6)使用铣床及锯床对步骤(5)制得的TA2纯钛扁锭进行铣面、锯切,得到可直接用于轧制开坯的190×1055×900mm/6块TA2纯钛方坯,上下表面及侧面分别各铣削去除厚度6、10mm;

对步骤(6)制得的TA2纯钛方坯的头、中、尾取样,化验成分,其成分如表1所示,各元素成分含量满足并优于GB/T 3620.1国标。对步骤(5)制得的TA2纯钛扁锭进行板材制备,一火轧制温度850℃,二火换向轧制,二火轧制温度790℃,轧至8mm目标厚度,成品进行680℃热处理,获得的成品板力学性能如表2所示,性能满足并优于GB/T 3621《钛及钛合金板材》标准。

表1实施例2制得的TA2纯钛方坯化学成分分析结果

表2实施例2制得的TA2纯钛板力学性能分析结果

实施例3

(1)将表面干燥、清洁、无油污、水迹、杂物等异物附着的TA1纯钛毛板坯采用铣床干式铣削,铣削刀盘通过压缩空气吹扫进行冷却,而不使用冷却液,以避免污染钛屑,铣削刀盘一次进刀量2mm,铣床工作台进给速度80mm/min,对表面机加工,得到TA1纯钛成品板坯和表面清洁的、银白及浅黄色屑状钛残料;其中,TA1纯钛毛板坯Fe、C、N、O杂质元素含量(质量百分比)分别为0.045%、0.035%、0.007%、0.075%,杂质元素整体含量[O]=[O]%+0.5×[Fe]%+0.7×[C]%+2.5×[N]%=0.075%+0.5×0.045%+0.7×0.035%+2.5×0.007%=0.1395;毛板坯加工前,应对铣床工作台及钛屑收集传送带进行检查清理,避免油污、异物附着,清理干净后再进行铣削加工;

(2)将步骤(1)制得的屑状钛残料经传送带搜集,传送带机构安装有磁选机,主要由电磁除铁器构成,其内置磁场强度≥5000高斯高强永磁块,经过磁选除铁,得到表面干燥、清洁及微氧化的TA1屑状纯钛残料;

(3)将步骤(2)中磁选除铁后的TA1屑状纯钛残料传送至压机进行压块,同一批次压块制备压机压力、压块名义规格及重量应一致,以便于配料、熔炼进料。具体方法为:TA1屑状纯钛残料装入挤压模具,使用压机制备立方形压块,其中,压块名义规格长宽名义规格为450×450×400mm,其单块重量为145kg,将立方形压块放入烘干室,100℃烘干储存,得到钛屑压块;其中,钛屑压块Fe、C、N、O杂质元素含量(质量百分比)分别为0.062%、0.055%、0.013%、0.011%,钛屑压块杂质元素整体含量A=[O]=[O]%+0.5×[Fe]%+0.7×[C]%+2.5×[N]%=0.11%+0.5×0.062%+0.7×0.055%+2.5×0.013%=0.212%;

(4)设定TA2纯钛杂质元素整体含量目标值B=0.22%,由于B-A=0.008%<0.015%,即钛屑杂质元素整体含量标定值与TA2扁锭目标值相当,无需再添加二氧化钛增氧;

(5)将步骤(4)相互配料好的钛屑压块装入EB冷床炉进行一次熔炼回收,使用矩形截面结晶器制备TA2纯钛扁锭;熔炼过程中,熔炼真空度≤0.08Pa,电子枪功率为320~400kW,轰击电压为45±5kV,钛屑压块在电子束轰击下熔化为钛液,经熔化冷床、精炼冷床,流入矩形截面结晶器坩埚凝固成型,成型后的铸锭在拉锭室中真空冷却后出炉,得到TA2纯钛扁锭,尺寸为202×1075×5900mm;

(6)使用铣床及锯床对步骤(5)制得的TA2纯钛扁锭进行铣面、锯切,得到可直接用于轧制开坯的192×1055×800mm/7块TA2纯钛方坯,上下表面及侧面分别各铣削去除厚度5、10mm;

对步骤(6)制得的TA2纯钛方坯的头、中、尾取样,化验成分,其成分如表3所示,各元素成分含量满足并优于GB/T 3620.1国标。对步骤(5)制得的TA2纯钛扁锭进行板材制备,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700℃热处理,获得的成品板力学性能如表4所示,性能满足并优于GB/T 3621《钛及钛合金板材》标准。

表3实施例3制得的TA2纯钛方坯化学成分分析结果

表4实施例3制得的TA2纯钛板力学性能分析结果

上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。

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