CN107502784A - Var炉+7枪冷阴极eb炉联合生产tc4钛合金圆锭/扁锭的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种VAR炉+7枪冷阴极EB炉联合生产TC4钛合金圆锭/扁锭的方法，按国标规定成分范围内取平均值后作为基准值，然后将Al元素的基准值增加，V元素的基准值下降后作为压块料的配比成分。按配比进行合金包的包制，并将海绵钛与合金包压制成电极块，采用等离子焊机将电极块焊接成长电极，并用VAR炉熔炼成一次铸锭，再将VAR炉熔炼的一次锭用7枪冷阴极EB炉进行第二次熔炼，即可获得超大规格高品质TC4钛合金圆锭/扁锭。本发明操作方便、能实现铝钒元素的控制，并能大幅度提升TC4钛合金的铸锭中铝钒元素的稳定性，实现传统TC4钛合金产品的品质得以进一步的提高，使产品获得良好的市场竞争能力。

Description

VAR炉+7枪冷阴极EB炉联合生产TC4钛合金圆锭/扁锭的方法

技术领域

本发明涉及一种VAR炉+7枪冷阴极EB炉联合生产低成本大规格高品质TC4钛合金圆锭/扁锭的方法，属于工程技术领域。

背景技术

我国钛工业经过十多年的高速发展，产能严重过剩，钛材的低端产品市场供大于求，高端产品产能不足的行业特征，特别是航空、航天、海洋、医疗等高端应用领域所需高品质TC4钛合金仍然主要依赖进口。针对这一现状及面对激烈的竞争市场，中国钛产业必须寻找新的发展方向，着力发展高端产品，形成自己的核心竞争力。

传统的真空自耗电弧炉（以下简称VAR炉）生产TC4钛合金，工艺简单，但需要多次熔铸，成材率低、生产成本高，且存在高密度夹杂（HDI）和低密度夹杂（LDI）难以去除的工艺难题，给后续材料的使用留下严重安全隐患。电子束冷床熔炼炉(EBCHM，以下简称EB炉），具有精炼提纯的功能，可有效去除钛合金中含有的HDI和LDI，获得更洁净的产品，但工艺复杂，稳定控制成分的技术难度大。特别是热阴极电子枪的功率大，真空度高，很容易使得饱和蒸汽压低的合金元素出现烧损或挥发。

通过对现有技术文献的检索，关于VAR炉+7枪冷阴极EB炉联合熔铸生产工艺，尚未发现相关报导。

发明内容

针对国内生产出的TC4钛合金，容易存在HDI、LDI和产品成分性能不稳定的不足，本发明提供一种VAR炉+7枪冷阴极EB炉联合生产TC4钛合金圆锭/扁锭的方法，采用该方法生产TC4钛合金的成分偏析得以有效控制，HDI和LDI得以很好的消除。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种VAR炉+7枪冷阴极EB炉联合生产TC4钛合金圆锭/扁锭的方法，经过下列各步骤：

（1）根据TC4合金的国标上下限要求取Al元素和V元素的平均值作为基准值，即Al：6.125%，V：4.0%；

（2）Al元素的基准值加1.5~2.0%，V元素发基准值降0.1~0.4%，以此作为名义成分；

（3）按制定好的名义成分进行配比，V元素以粒径8~12mm的65Al-35V合金颗粒为原料，Al元素以铝箔和粒径为10~16mm的铝豆颗粒为原料，将合金颗粒和铝豆颗粒采用铝箔进行包装得到合金包，将合金包按重量平均分为四等份，再将所需添加的海绵钛按重量分为四等份；

（4）将一等份海绵钛倒进模具后，将海绵钛铺平，再将一个合金包平放进海绵钛正中间（模具中间），再倒入一等份海绵钛，再铺平，再放入两个合金包，一个放在模具对侧（面对模具的远侧），一个放在模具近侧（面对模具的近侧），再倒入一等份海绵钛，再铺平，再放入一个合金包，最后再将一等分海绵钛倒入模具里；

（5）开启压块机，采用25MPa的压力进行压制，压制保压时间为20~30s，保压完成后退模，获得电极块；重复上述操作，制备完成若干电极块；

（6）用等离子机焊机将电极块焊接成电极，并在VAR炉上进行一次熔炼，熔炼采用长弧慢熔炼工艺，熔炼的过程中电弧长度控制为150~200mm，熔炼电流为3500~4000A，电压36~40V，熔炼速度为3~4 kg/min；

（7）将经VAR炉熔炼出来的铸锭进行标记，每个铸锭的头、中、尾进行化学成分取样，化验，算出化验成分的平均值，对第一根铸锭化学成分高于平均值的标记为A11，接近平均值的标为A12，低于平均值的标为A13……第二根标记为A21、A22、A23……如此类推；

（8）把标记好的经过一次VAR炉熔炼的铸锭装进7枪冷阴极EB炉左右水平进料室中，铸锭摆放的原则为化学成分高于平均值的摆在左进料室，而右料室的进料室则摆化学成分低于平均值，这两者要对应；在左进料室摆放第二根铸锭时，要选用化学成分比平均值低的铸锭，在右进料室摆放第二根铸锭时，要选用化学成分比平均值高的铸锭，如此反复，实现左、右两边摆放铸锭的高低成分对应；

（9）在物料完成摆放完成后，安装好需要使用的结晶器规格，关闭炉门进行抽真空，待真空度达3.0×10^-3torr时，开启5^#冷阴极电子枪对浇口附近的凝壳进行烘烤，待真空度稳定后，开启1^#~4^#冷阴极电子枪对熔炼区进行烘烤，待凝壳的所有区域均熔化，在真空稳定的前提下加大1^#~5^#电子枪的功率，各把电子枪加载的功率为200kW时，开启左右两侧的推料系统，将经一次VAR炉熔炼的铸锭推至冷床进行熔炼，待熔化的流体流进结晶器后，开启6^#、7^#冷阴极电子枪，让钛液流进结晶器后待钛液液面高度达70~80mm时，关闭所有的电子枪，让其随炉自然冷却3~4h，完成制备引锭头的工序；

（10）再次开启6^#、7^#冷阴极电子枪，让锭头扫描端重新熔化后，再次开启1^#~5^#冷阴极电子枪，1^#、2^#电子枪的功率控制在250~280kW，3^#、4^#冷阴极电子枪的功率控制在200~240kW，5^#冷阴极电子枪的功率控制在185~195kW，6、7^#冷阴极电子枪功率控制在150~180kW，熔炼速度控制在500~800kg/h，熔炼完成待铸锭冷却3~4h后即获得高品质TC4钛合金圆锭/扁锭。

本发明利用7枪冷阴极电子枪工作时的真空度低，冷阴极电子枪功率低，熔炼过程中饱和蒸汽压低的元素的挥发量低的特性，通过特定的原料配方及建立“一次VAR炉+7枪冷阴极EB炉”联合熔炼工艺使得两种炉型熔炼钛合金的工艺优点得以充分的利用。不但能有效去除钛合金中含有的HDI和LDI，而且能稳定控制钛合金的成分波动，可以通过更改结晶器的规格，实现不同规格合金锭的产生，同时由于利用VAR炉的电磁搅拌作用，可方便获得化学成分均匀的合金。即可实现窄成分波动的高洁净钛合金的生产。

本发明具有以下优点：

1、操作简单；

2、铸锭的成分均匀可控；

3、铸锭内无HDI和LDI等铸造缺陷；

4、铸锭同一端面成分偏差可控制在8%以内。

综上所述，本发明操作方便、能实现铝钒元素的控制，并能大幅度提升TC4钛合金的铸锭中铝钒元素的稳定性，实现传统TC4钛合金产品的品质得以进一步的提高，使产品获得良好的市场竞争能力。采用该方法不但解决EB炉一次熔炼TC4合金中的Al元素的烧损不可控问题，还可实现“平静”熔炼，使合金的成分得以稳定的控制。通过该种方法生产出来的圆锭/扁锭的成分均匀，洁净度高，可广泛应用于航空、航天、舰艇等对原料要求极为苛刻的制造领域。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

以规格为1050×210×8000mm（宽×厚×长）牌号为TC4(Ti-6Al-4V)的钛合金扁锭为例：

（1）根据TC4合金的国标上下限要求取Al元素和V元素的平均值作为基准值，即Al：6.125%，V：4.0%；

（2）Al元素的基准值加2.0%，V元素发基准值降0.4%，以此作为名义成分；

（3）按制定好的名义成分进行配比，选用粒度为10mm海绵钛，粒度为8mm 65Al-35V合金颗粒，粒度为10mm的铝豆颗粒，按名义成分为Ti-8.125Al-3.6V，进行配比，压制的电极为25kg/根，称量4份每份重0.6425kg的65Al-35V合金，再在铝箔上称量4份每份重0.09kg的Al豆，将一份65Al-35V合金与1份Al豆人工混匀后，用铝箔包成长方形，包扎成400×35×20mm合金包，待所有的合金包包制完成后，称量4等分重为5.5175kg的海绵钛；

（4）将一等份海绵钛倒进模具后，将海绵钛铺平，将一个合金包平放进刚才倒进的海绵钛中间（模具中间），再倒入一等份海绵钛，再铺平，放入两个合金包，一个放在模具对侧（面对模具的远侧），一个放在模具近侧（面对模具的近侧），再倒入一等份海绵钛，再铺平，再在铺平的少海绵钛中间放入一个合金包，最后再将一等分海绵钛倒入模具里；

（5）铺平后开启压块机，采用25MPa的压力进行压制，压制保压时间为20~30s，保压完成后退模，获得电极块；重复上述操作，制备完成所有电极块；

（6）将制备好的电极块采用等离子焊机焊接成电极，并在VAR炉上进行一次熔炼，熔炼采用长弧慢熔炼工艺，熔炼的过程中电弧长度控制为150mm，熔炼电流为3500A，电压36V，熔炼速度为3kg/min。

（7）将经VAR炉熔炼出来的铸锭进行标记，每个铸锭的头、中、尾进行化学成分取样，化验，算出化验成分的平均值，对第一根铸锭化学成分高于平均值的标记为A11，接近平均值的标为A12，低于平均值的标为A13……第二根标记为A21、A22、A23……如此类推；

（8）完成所有的一次VAR炉熔炼的铸锭标记后，把标记好的铸锭装进7枪冷阴极EB炉左右水平进料室中，铸锭摆放的原则为化学成分高于平均值的摆在左进料室，而右料室的进料室则摆化学成分低于平均值，这两者要对应；在左进料室摆放第二根铸锭时，要选用化学成分比平均值低的铸锭，在右进料室摆放第二根铸锭时，要选用化学成分比平均值高的铸锭，如此反复，实现左、右两边摆放铸锭的高低成分对应；

（9）在物料完成摆放完成后，安装好规格为1050×210mm（宽×厚）的结晶器，关闭炉门进行抽真空，待真空度达3.0×10^-3torr时，开启5^#冷阴极电子枪对浇口附近的凝壳进行烘烤，待真空度稳定后，开启1^#~4^#冷阴极电子枪对熔炼区进行烘烤，待凝壳的所有区域均熔化，在真空稳定的前提下加大1^#~5^#电子枪的功率，各把电子枪加载的功率为200kW时，开启左右两侧的推料系统，将经一次VAR炉熔炼的铸锭推至冷床进行熔炼，待熔化的流体流进结晶器后，开启6^#、7^#冷阴极电子枪，让钛液流进结晶器后待钛液液面高度达70~80mm时，关闭所有的电子枪，让其随炉自然冷却3h，完成制备引锭头的工序；

（10）再次开启6^#、7^#冷阴极电子枪，让锭头扫描端重新熔化后，再次开启1^#~5^#冷阴极电子枪，1^#、2^#电子枪的功率控制在280kW，3^#、4^#冷阴极电子枪的功率控制在240kW，5^#冷阴极电子枪的功率控制在185kW，6^#、7^#冷阴极电子枪功率控制在180kW，熔炼速度控制在800kg/h，待熔炼长度达到8000mm时，关闭电子枪，待铸锭冷却3h后即获得高品质TC4钛合金扁锭。

采用该种方法制备的TC4钛合金扁锭同一端面的化学成分偏差不会超过8%，即TC4钛合金圆锭同一端面的成分Al元素成分可以控制在5.64~6.62以内，V元素成分可以控制在3.68~4.32以内。比起传统的合金而言，铸锭当中无高低密度夹杂，铸锭成分稳定性高于传统二次铸锭成分，接近传统三次锻造板坯成分。

实施例2

以规格为Φ220mm牌号为TC4(Ti-6Al-4V)的钛合金圆锭为例：

（1）根据TC4合金的国标上下限要求取Al元素和V元素的平均值作为基准值，即Al：6.125%，V：4.0%；

（2）Al元素的基准值加1.5%，V元素发基准值降0.2%，以此作为名义成分；

（3）按制定好的名义成分进行配比，选用粒度为8mm海绵钛，粒度为10mm 65Al-35V合金颗粒，粒度为10mm的铝豆颗粒，按名义成分为Ti-7.625Al-3.8V，进行配比，压制的电极为25kg/根，称量4份每份重0.679kg的65Al-35V合金，再在铝箔上称量4份每份重0.035kg的Al豆，将一份65Al-35V合金与1份Al豆人工混匀后，用铝箔包成长方形，包扎成400×35×20mm合金包，待所有的合金包包制完成后，称量4等分重为5.536kg的海绵钛；

（4）将一等份海绵钛倒进模具后，将海绵钛铺平，将一个合金包平放进刚才倒进的海绵钛中间（模具中间），再倒入一等份海绵钛，再铺平，放入两个合金包，一个放在模具对侧（面对模具的远侧），一个放在模具近侧（面对模具的近侧），再倒入一等份海绵钛，再铺平，再在铺平的海绵钛中间放入一个合金包，最后再将一等分海绵钛倒入模具里；

（5）铺平后开启压块机，采用25MPa的压力进行压制，压制保压时间为20~30s，保压完成后退模，获得电极块；重复上述操作，制备完成所有电极块；

（6）将制备好的电极块采用等离子焊机焊接成电极，并在VAR炉上进行一次熔炼，熔炼采用长弧慢熔炼工艺，熔炼的过程中电弧长度控制为200mm，熔炼电流为4000A，电压40V，熔炼速度为4kg/min。

（7）将经VAR炉熔炼出来的铸锭进行标记，每个铸锭的头、中、尾进行化学成分取样，化验，算出化验成分的平均值，对第一根铸锭化学成分高于平均值的标记为A11，接近平均值的标为A12，低于平均值的标为A13……第二根标记为A21、A22、A23……如此类推；

（8）完成所有的一次VAR炉熔炼的铸锭标记后，把标记好的铸锭装进7枪冷阴极EB炉左右水平进料室中，铸锭摆放的原则为化学成分高于平均值的摆在左进料室，而右料室的进料室则摆化学成分低于平均值，这两者要对应；在左进料室摆放第二根铸锭时，要选用化学成分比平均值低的铸锭，在右进料室摆放第二根铸锭时，要选用化学成分比平均值高的铸锭，如此反复，实现左、右两边摆放铸锭的高低成分对应；

（9）在物料完成摆放完成后，安装好规格为Φ220mm结晶器，关闭炉门进行抽真空，待真空度达3.0×10^-3torr时，开启5^#冷阴极电子枪对浇口附近的凝壳进行烘烤，待真空度稳定后，开启1^#~4^#冷阴极电子枪对熔炼区进行烘烤，待凝壳的所有区域均熔化，在真空稳定的前提下加大1^#~5^#电子枪的功率，各把电子枪加载的功率为200kW时，开启左右两侧的推料系统，将经一次VAR炉熔炼的铸锭推至冷床进行熔炼，待熔化的流体流进结晶器后，开启6^#、7^#冷阴极电子枪，让钛液流进结晶器后待钛液液面高度达70~80mm时，关闭所有的电子枪，让其随炉自然冷却3h，完成制备引锭头的工序；

（10）再次开启6^#、7^#冷阴极电子枪，让锭头扫描端重新熔化后，再次开启1^#~5^#冷阴极电子枪，1^#、2^#电子枪的功率控制在250kW，3^#、4^#冷阴极电子枪的功率控制在200kW，5^#冷阴极电子枪的功率控制在195kW，6^#、7^#冷阴极电子枪功率控制在150kW，熔炼速度控制在500kg/h，熔炼完成待铸锭冷却4h后即获得高品质TC4钛合金圆锭。

采用该种方法制备的TC4钛合金圆锭同一端面的化学成分偏差不会超过8%，即TC4钛合金圆锭同一端面的成分Al元素成分可以控制在5.82~6.32以内，V元素成分可以控制在3.83~4.22以内。比起传统的合金而言，铸锭当中无高低密度夹杂，铸锭成分稳定性高于传统二次铸锭成分，接近传统三次铸锭成分。

以上所述，仅是本发明较佳的实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例进行简单的修改、变更以及等效结构的变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (1)

1.一种VAR炉+7枪冷阴极EB炉联合生产TC4钛合金圆锭/扁锭的方法，其特征在于经过下列各步骤：

（1）根据TC4合金的国标上下限要求取Al元素和V元素的平均值作为基准值，即Al：6.125%，V：4.0%；

（2）Al元素的基准值加1.5~2.0%，V元素发基准值降0.1~0.4%，以此作为名义成分；

（3）按制定好的名义成分进行配比，V元素以粒径8~12mm的65Al-35V合金颗粒为原料，Al元素以铝箔和粒径为10~16mm的铝豆颗粒为原料，将合金颗粒和铝豆颗粒采用铝箔进行包装得到合金包，将合金包按重量平均分为四等份，再将所需添加的海绵钛按重量分为四等份；

（4）将一等份海绵钛倒进模具后，将海绵钛铺平，再将一个合金包平放进海绵钛正中间，再倒入一等份海绵钛，再铺平，再放入两个合金包，一个放在模具对侧，一个放在模具近侧，再倒入一等份海绵钛，再铺平，再放入一个合金包，最后再将一等分海绵钛倒入模具里；

（5）采用25MPa的压力进行压制，压制保压时间为20~30s，保压完成后退模，获得电极块；

（6）将电极块焊接成电极，并在VAR炉上进行一次熔炼，熔炼采用长弧慢熔炼工艺，熔炼的过程中电弧长度控制为150~200mm，熔炼电流为3500~4000A，电压36~40V，熔炼速度为3~4kg/min；

（7）将经VAR炉熔炼出来的铸锭进行标记，每个铸锭的头、中、尾进行化学成分取样，化验，算出化验成分的平均值，对第一根铸锭化学成分高于平均值的标记为A11，接近平均值的标为A12，低于平均值的标为A13……第二根标记为A21、A22、A23……如此类推；

（8）把标记好的经过一次VAR炉熔炼的铸锭装进7枪冷阴极EB炉左右水平进料室中，铸锭摆放的原则为化学成分高于平均值的摆在左进料室，而右料室的进料室则摆化学成分低于平均值，这两者要对应；在左进料室摆放第二根铸锭时，要选用化学成分比平均值低的铸锭，在右进料室摆放第二根铸锭时，要选用化学成分比平均值高的铸锭，如此反复，实现左、右两边摆放铸锭的高低成分对应；

（9）在物料完成摆放完成后，安装好需要使用的结晶器规格，关闭炉门进行抽真空，待真空度达3.0×10^-3torr时，开启5^#冷阴极电子枪对浇口附近的凝壳进行烘烤，待真空度稳定后，开启1^#~4^#冷阴极电子枪对熔炼区进行烘烤，待凝壳的所有区域均熔化，在真空稳定的前提下加大1^#~5^#电子枪的功率，各把电子枪加载的功率为200kW时，开启左右两侧的推料系统，将经一次VAR炉熔炼的铸锭推至冷床进行熔炼，待熔化的流体流进结晶器后，开启6^#、7^#冷阴极电子枪，让钛液流进结晶器后待钛液液面高度达70~80mm时，关闭所有的电子枪，让其随炉自然冷却3~4h，完成制备引锭头的工序；

（10）再次开启6^#、7^#冷阴极电子枪，让锭头扫描端重新熔化后，再次开启1^#~5^#冷阴极电子枪，1^#、2^#电子枪的功率控制在250~280kW，3^#、4^#冷阴极电子枪的功率控制在200~240kW，5^#冷阴极电子枪的功率控制在185~195kW，6、7^#冷阴极电子枪功率控制在150~180kW，熔炼速度控制在500~800kg/h，熔炼完成待铸锭冷却3~4h后即获得高品质TC4钛合金圆锭/扁锭。