一种利用电子束冷床炉回收熔炼锆残料的方法

摘要

本申请公开了一种利用电子束冷床炉回收、熔炼锆管状残料的方法，通过对锆管状残料的分选和摆料等步骤，并严格控制电子束冷床炉的操作参数，实现了单次回收、熔炼锆管状残料，所得到的铸锭质量合格、成分均匀、洁净度高、表面质量好，并且，通过工艺的优化能够提高熔炼效率和熔炼速度。

说明书

技术领域

本申请涉及锆合金领域，尤其涉及一种利用电子束冷床炉回收熔炼锆残料的方法。

背景技术

锆是一种稀有金属，具有惊人的抗腐蚀性能、极高的熔点、超高的硬度和强度等特性，被广泛用在航空航天、军工、核反应、原子能领域，是十分重要的战略材料。锆及锆合金除了在核反应堆使用外，也已在化工行业内得到推广和应用，主要用于制造化工设备。随着市场需求不断增加，锆材供不应求，如何合理利用锆残料显得尤为重要。

目前，锆行业普遍采用真空自耗电弧炉(VAR)技术对锆铸锭进行加工，但是，由此生产的锆合金铸锭无法满足苛刻领域的要求。电子束冷床熔炼技术于20世纪80年代初开始用于金属熔炼，其作为生产高质量的优质洁净锆金属的熔炼方法受到了世界各国的高度关注和深入研究，并将其广泛的用于生产实践中。电子束冷床熔炼炉的设备优势在于熔化、精炼、结晶过程相互分离，解决了真空自耗电极电弧熔炼无法在熔炼过程中排除高、低密度夹杂的问题。

对锆合金残料进行回收、重熔可以提高锆的利用率，降低生产成本。现有技术1(CN102049495B)中公开了利用电子束冷床炉制备锆及锆合金的方法，但是，其原料以海绵锆为主，方法并不适用于锆残料的回收及重熔；另外，现有技术2(“锆残料回收对铸锭质量的影响”，张娜等，《第二届全国金属材料与冶金工程学术交流会论文集》)公开了锆残料对铸锭质量的影响，但是，其试验是在真空自耗电弧炉中进行的，与本申请采用电子束冷床炉的技术方案截然不同。锆残料包括板条、冒口、锻造料头、管状残料以及锆屑，本申请的技术方案涉及利用电子束冷床炉回收、重熔锆管状残料。

发明内容

为了解决锆管状残料回收的问题，本申请提出了一种利用电子束冷床炉熔炼锆管状残料的方法，包括如下步骤：

(1)分选：选择长度、内径合适的锆管状残料；

(2)摆料：将锆管状残料摆放入料箱；

(3)熔炼：利用电子束冷床炉对锆管状残料进行熔炼。

所述锆管状残料来源于核工业、冶金、化工等行业以及管材加工产生的边角料和性能不合格废料，锆管状残料的内径≤60mm，长度≤1000mm。优选的镐管材内径为20mm，长度为400mm，对于超长的管状残料可以进行修剪、加工的步骤。

在一个实施方式中，在对锆管状残料分选之后，还包括清洗和烘干的步骤，所述清洗为去除锆管状残料内外表面的污染物，可以采用超声波清洗、也可以采用其他合适的清洗方法。所述烘干的时长为2～4h，优选3h，温度为100～200℃，优选120℃。

所述锆管状残料摆料的厚度为200-400mm，优选250-350mm，更优选，300mm。在一个实施方式中，锆管状残料的长轴大致平行于料箱的长轴进行摆料；或者，锆管状残料的长轴大致垂直于料箱的长轴且大致平行于料箱的短轴进行摆料；或者，锆管状残料的长轴与料箱的长轴不平行或垂直，但，锆管状残料的横截面大致平行于料箱的底面进行摆料；或者，锆管状残料无规则的摆放入料箱。

本领域技术人员可以理解，由于锆管状残料的规则并不完全一致，因此，在摆料时，无法保证锆管状材料的长轴完全平行或垂直于料箱的长轴或短轴，并且也无法保证锆管状材料的横截面完全平行于料箱的底面，上述限定的“大致”并不会导致含义不清楚。

所述厚度为摆料完毕后，锆管状材料在料箱内的堆积高度，如图1所示。

所述电子束冷床炉包括依次毗邻的熔化区、精炼区和结晶区，所述电子束冷床炉设置有熔化区的至少一个第一电子枪、设置于精炼区的至少一个第二电子枪、设置于结晶区的至少一个第三电子枪。

优选的，所述电子束冷床炉的熔化区的功率在1050～1200kw之间，精炼区的功率在180～220kw之间，结晶区的功率为在460～550kw之间。

进一步地，所述电子束冷床炉设置有熔化区的四个第一电子枪、设置于精炼区的一个第二电子枪、设置于结晶区的两个第三电子枪。

有益效果：本发明采用电子束冷床炉回收、熔炼锆管状残料，通过对锆管状残料的分选和摆料等步骤，并严格控制电子束冷床炉的操作参数，实现了单次回收、熔炼锆管状残料，所得到的铸锭质量合格、成分均匀、洁净度高、表面质量好，并且，通过工艺的优化能够提高熔炼效率和熔炼速度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为锆管状残料在料箱中的摆料示意图；

图2为本申请实施例锆管状残料的摆料方式。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本申请的整体构思，下面结合实施例进行详细说明，但并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

实施例一、锆管状残料的摆料

锆元素的密度为6.45kg/cm³，熔点为1855℃，利用电子束冷床炉(EB炉)熔炼锆非常困难，发明人在前期实验过程中，熔炼残锆铸锭曾多次发生电子枪损坏的现象，铸锭出炉后表面也出现冷隔等缺陷。因此，熔炼前应选合理的摆料方式，并严格控制生产细节及锆熔炼参数，控制好总功率大小及各电子枪功率的分配，才能给达到改善铸锭表面质量，提高生产效率，提高铸锭成分均匀性的目的。

核工业、冶金、化工等行业以及管材加工产生的边角料和性能不合格废料得到的锆管状残料，所述锆管状残料的内径为锆管状残料的内径≤60mm，长度≤1000mm。对于超长的管状残料，采用锯床进行锯切、加工，使其长度为≤1000mm。

采用超声波对锆管状残料进行清洗，限定超声波清洗的具体步骤。

1)向超声波清洗机中加入足量工业用水，启动电源对水进行加热至80℃；

2)向清洗机中装入300kg左右的锆管，并加入适量的金属洗涤剂；

3)启动超声波发生器电源，开始洗涤，洗涤时间为10min；

4)超声波清洗完毕后，将锆管移入金属网内，用清水漂洗。

利用烘干机对清洗完的管状残料进行烘干，烘干的时长为2～4h，优选3h，温度为100～200℃，优选120℃。

本发明中采用电子束冷床炉的型号为BMO-01型EB炉，根据EB炉进料仓的尺寸，设计了三种锆管状残料的摆料方案，厚度分别为150mm、300mm和450mm，摆料的方式如图2所示，锆管状残料的长轴平行于料箱的长轴进行纵向摆料。

实施例二、锆管状残料的熔炼

采用BMO-01型EB炉对锆管状残料进行熔炼，该EB炉中电子枪分工如下：

1)加热原料，使其熔化为液态金属并流入冷床(熔化区，标记为1～4#电子枪)；

2)加热冷床前端液态金属，清除浇口中的炉瘤，使熔体流入结晶器(精炼区，标记为5#电子枪)。

3)加热结晶器中液态金属，保证液面温度均衡，避免出现冷隔(结晶区，标记为6～7#电子枪)。

熔炼的工艺如下：

(1)启枪制底阶段

抽真空至EB炉内真空达到(6.2*10^-3)Torr，测得熔炼室漏气率为(6.2～8.5)*10^-3Torr*L/s，属于正常熔炼范围，开始启动电子枪，初期开启1-4#电子枪，电流控制在4A以下对EB炉烘炉，烘炉时间持续4小时，炉内真空达到4.5*10^-3torr，开始制作底托。

制底期间6、7#电子枪保持在8.0-8.5A之间，5#枪电流在5-6A之间，1-4#电子枪电流在6A左右，在制底过程中电子束都保持平衡，没有发生较大的偏移。

(2)正常熔炼

进入正常熔炼之后，先将6、7#电子枪电流保持在6A左右，左右进料在适合熔炼的条件下往冷床内多进点料，缩小冷床面积，再逐步提升1-4#枪电流到9A熔化物料，5#枪提到5-6A确保金属液能顺利流入结晶器，保持有一定量的金属流入结晶器，补充6、7#电子枪的热量，再调整6、7#电子枪电流到8A。

熔炼过程中各枪电流控制：1-4#枪电流在7.5-9A之间，5#枪电流在6-7A，6、7#枪电流为8A左右，熔炼过程中没有发现明显异常情况，熔炼结束后，进行补缩、冷却、出锭。

实施例三、铸锭成分分析

从距铸锭尾部起每隔300mm取环样，取样位置为对角棱边，取五个点，依次记为A、B、C、D、E。用ONH2000氧氮仪检测O、N含量，并按取样量的20％抽检氢含量。用HCS140红外碳硫仪按取样量的20％抽检含碳量；

在铸锭两个大面及顶面上做好取屑样的标识。使用立铣刀在取样点上钻铣屑样。称取0.1g屑样，经1:2硫酸溶解后用美国PE公司的ICP-7300V电感耦合等离子发射光谱仪分析Fe、Cr、Hf的化学成分。如表1所示，各试验得到的铸锭各元素含量均在国标范围内，但是，300mm厚度摆料得到的铸锭化学成分的均匀性要高于其他的摆料方式。

表1铸锭化学成分分布

此外，对不同摆料方式的熔炼速度、铸锭成材率以及铸锭的表面质量进行计算，结果如表2所示，300mm厚度摆料的熔炼速度和铸锭成材率要明显高于其他的摆料方式，且铸锭表面质量更好。

表2不同摆料方式熔炼各参数比较