CN107502751A - 一种用屑状和板状纯钛残料熔炼回收获得ta2扁锭的方法 - Google Patents
一种用屑状和板状纯钛残料熔炼回收获得ta2扁锭的方法 Download PDFInfo
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Abstract
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。
Description
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= m1+ m2+ m3,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/T3620.1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。
Claims (4)
1.一种用屑状和板状纯钛残料熔炼回收获得TA2扁锭的方法,其特征在于,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= m1+ m2+ m3,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。
2.如权利要求1所述的用屑状和板状纯钛残料熔炼回收获得TA2扁锭的方法,其特征在于:所述步骤三中压块的长宽名义规格为400×360mm,高度≤450mm。
3.如权利要求1所述的用屑状和板状纯钛残料熔炼回收获得TA2扁锭的方法,其特征在于: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。
4.如权利要求1所述的用屑状和板状纯钛残料熔炼回收获得TA2扁锭的方法,其特征在于:所述步骤五中使用氩弧焊方法将8条拼接焊缝进行焊接。
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