CN108220613B - 一种利用电子束冷床炉熔炼锆屑的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种利用电子束冷床炉熔炼锆屑的方法，通过对锆屑的分选以及预处理步骤，并严格控制电子束冷床炉的操作参数，实现了单次回收、熔炼锆屑，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。

Description

一种利用电子束冷床炉熔炼锆屑的方法
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熔炼锆屑的方法。
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。
锆残料包括板条、冒口、锻造料头、管头以及锆屑，在上述锆残料中，锆屑的回收重熔对工艺的要求更为严格。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，方法并不适用于锆屑的回收及重熔；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。
发明内容
为了解决锆屑回收的问题，本申请提出了一种利用电子束冷床炉熔炼锆屑的方法，包括如下步骤：
分选：选择氧元素含量合适的屑样；
预处理：包括屑样的筛选、清洗和烘干；
压块：将锆屑压制成为合适大小的屑块；
熔炼：利用电子束冷床炉对屑块进行熔炼。
锆屑料主要来源于铸锭刨铣、车、锯产生的屑，屑样中氧元素的含量会影响屑料回收、熔炼得到的铸锭的质量；所述选择氧元素含量合适的屑样，为选择氧元素含量在≤0.15％的屑样。
进一步的，对锆屑进行系统取样并测试屑样的氧元素含量；
所述锆屑的筛选为筛选锆屑的大小为长≤30mm，宽≤20mm，高≤1mm；进一步的，可以包括对锆屑进行破碎、加工为合适大小屑样的步骤。
所述锆屑的清洗为去除所述锆废料外表面的污染物，可以采用超声波清洗、也可以采用其他合适的清洗方法。优选的，在清洗之前还包括对锆屑磁选的步骤。
所述烘干的时长为2～4h，优选3h，温度为100～200℃，优选120℃。
所述压块为将预处理的屑样压制成厚度为50-200mm的屑块，优选150mm。进一步的，根据电子束冷床炉的进料仓的尺寸大小以及待熔炼的屑样的数量，可以将屑样压制成若干块厚度相同或不同的屑块；优选的，所述若干块屑块的厚度相同。进一步的，可以采用油压机进行压块操作。
优选的，在压块之后、熔炼之前，还包括对压制的屑块进行烘干的步骤；所述烘干的时长为2～4h，优选3h，温度为100～200℃，优选120℃。
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熔炼锆屑，通过对锆屑的分选以及预处理步骤，并严格控制电子束冷床炉的操作参数，实现了单次回收、熔炼锆屑，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。
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、屑块的压制
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，熔炼前应选合理的布料方式，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。
锆屑料主要来源于铸锭刨铣、车、锯产生的屑子，其规则无定型，元素成分含量差别较大。用EB炉回收残锆，主要问题是保证回收锭的杂质元素符合标准要求，而残锆原料中氧元素含量参差不齐，因而保证氧元素含量合格是首要问题。
采用铸锭刨铣、车、锯得到的锆屑，首先对锆屑进行系统取样，测试屑样的氧元素及杂质元素含量，最后选择氧元素含量在≤0.15％的屑样。
对上述屑样进行预处理，筛选大小为长≤30mm，宽≤20mm，高≤1mm；的屑样；进行磁选(磁选步骤为：启动磁选机开关，将屑料连续加入磁选机上进行磁选，连续收集磁选干净的屑料)。
磁选完毕，采用超声波清洗屑样，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屑料进行烘干，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，设计了三种屑样压块的方案，厚度分别为150mm、300mm和450mm，锆屑压块的规格分别为380*380*150mm(100kg)、380*380*300mm(200kg)和380*380*450mm(300kg)，分别得到150mm厚度的屑块48块、300mm厚度的屑块24块、450mm厚度的屑块16块，参见表1，利用大吨位油压机分别压制成块。
表1屑样压制成屑块的规格参数
屑块 厚度 规格 重量/每块 总块数
试验1 150mm 380*380*150mm 100kg 48
试验2 300mm 380*380*300mm 200kg 24
试验3 450mm 380*380*450mm 300kg 16
实施例二、屑块的熔炼
采用BMO-01型EB炉对屑块进行熔炼，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、抽空作业：按照作业规范完成抽空作业，真空度达到5.0*10-3torr，真空泄漏率0.2torr/L*min
2、制底作业：增加烘炉环节，电子枪功率要求：1、2、3、4#电子枪平均功率在150kw左右，5#电子枪平均功率在150kw左右，6、7#电子枪平均功率在0kw。烘炉时间4小时，保证冷床冷凝物熔化后真空度由2.0*10-2torr提升至5.0*10-3torr。
3、正常熔炼作业：电子枪功率要求：1、2、3、4#电子枪平均功率在270—300kw左右，5#电子枪平均功率在150—180kw左右，6、7#电子枪平均功率在240—270kw。过程中重点注意电子枪光束排斥偏离情况，尽可能在保证光束偏离控制在范围内状态下，提升电子枪最大运行功率以满足熔炼过程中温度场平衡。
4、补缩作业：电子枪功率由240—270kw状态每10分钟降低20kw速度缓慢平稳补缩，补缩周期1小时。
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2所示，试验1-3得到的铸锭各元素含量均在国标范围内，但是，试验1得到的化学成分的均匀性要高于试验2-3。
表2铸锭化学成分分布
此外，对试验1-3的熔炼速度、铸锭成材率以及铸锭的表面质量进行测量，结果如表3所示，试验1的熔炼速度和铸锭成材率要明显高于试验2-3，且铸锭表面质量更好。
表3试验1-3熔炼各参数比较

Claims (18)

1.一种利用电子束冷床炉熔炼锆屑的方法，包括如下步骤：
(1)分选：选择氧元素含量合适的屑样；
(2)预处理：对步骤(1)得到的屑样进行筛选、清洗和烘干；
(3)压块：将步骤(2)得到的锆屑压制成为合适大小的屑块；
(4)熔炼：利用电子束冷床炉对屑块进行熔炼；
所述步骤(3)为将锆屑压制成厚度为150mm的屑块；
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；
所述电子束冷床炉的熔化区的功率为1140kw，精炼区的功率为205kw，结晶区的功率为515kw。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中屑样的氧元素的含量为≤0.15％。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对锆屑进行系统取样并测试屑样的氧元素含量。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中筛选的屑样的大小为长≤30mm，宽≤20mm，高≤1mm。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)还包括对屑样进行破碎和/或加工的步骤。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，可以将屑样压制成若干块厚度相同或不同的屑块。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述若干块屑块的厚度相同。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中的清洗为去除所述锆屑表面的污染物。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，采用超声波清洗。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在清洗之前还包括对锆屑进行磁选的步骤。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在压块步骤(2)和(3)之间，还包括对压制的屑块进行烘干的步骤。
12.根据权利要求 1所述的方法，其特征在于，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。
13.根据权利要求 12所述的方法，其特征在于，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。
14.根据权利要求 12所述的方法，其特征在于，所述电子束冷床炉的型号为BMO-01。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述烘干的时长为2～4h。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述烘干的时长为3h。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述烘干的温度为100～200℃。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述烘干的温度为120℃。
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