CN113215426B - 一种钛及钛合金eb锭的制备工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钛及钛合金EB锭的制备工艺方法，采用原材料混料装箱熔炼工艺，包括料箱制备、配料称重、混料、装箱、EB熔炼等步骤，其中料箱由料箱本体和隔板装置组成，使用隔板装置将料箱分为数个小单元格，大幅降低了每次混料重量，显著改善了EB熔炼原料均匀性；同时，通过料箱前端板压板咬合固定作用，可有效避免持续水平进料熔炼过程中，料箱尾部翻落熔池、偏斜及堵料异常情况，提高进料熔炼的平稳性，从而可有效提高钛及钛合金EB锭成分均匀性，本发明提供的制备工艺方法无需投资大型电极压机，无需进行压块、组焊电极，可提高熔炼效率、降低烧损量、提高成分均匀性，具有流程短、成本低的优势。

Description

一种钛及钛合金EB锭的制备工艺方法

技术领域

本发明涉及钛材加工技术领域，具体涉及一种钛及钛合金EB锭的制备工艺方法。

背景技术

钛及钛合金具有比强度高、耐腐蚀、生物相容性好等优点，在航空航天、船舶、化工、生物医疗、交通运输、体育休闲以及日用品等领域应用前景广阔。但成本高，限制了钛材进一步推广应用，其中降低钛及钛合金熔炼制坯成本，是行业主要研究技术方向。

钛及钛合金传统的熔炼方式为真空自耗电弧熔炼（VAR），将原料配料后混料并压制组焊电极，经2~3次VAR熔炼为圆锭，再经锻造打磨后获得轧制板材所需的方坯，制造工序流程长、成本高。电子束冷床炉（EB炉）一次熔炼可直接生产扁锭，不经锻造，铣面后获得可用于直接轧制的方坯，流程短、成本低。

现有钛及钛合金EB熔炼技术，当需要添加AlV、TiO₂等合金元素时，例如TC4（Ti-6Al-4V）钛合金EB锭、TA2冷轧薄带用EB锭等，为提高成分均匀性，需要经过混料、压制电极、阻焊电极后，经过水平进料进行EB熔炼，该方法需要投资大型压机（一般4000吨以上压力）等专用设备，设备投资大、制备流程长；同时，原料压制电极紧实、密度大，密度一般在3.0~4.2g/cm3，接近于钛金属密度，EB熔炼过程中，电子束热源照射在电极前端熔化端面，由于压块密度大、导热效应大，相比海绵钛散料的熔炼，原料单位重量熔化所需电子束照射时间长、烧损量大，导致熔炼速率低、烧损率高；此外，在持续熔炼进料、多根电极棒料切换续接过程中，极易出现电极棒料尾部翻落熔池、进料偏斜出熔化图形区域，甚至堵料等情况，影响进料和熔化速率一致稳定性，并进一步影响合金元素成分均匀性。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种钛及钛合金EB锭的制备工艺方法，该方法采用原材料混料装箱熔炼工艺，无需进行压块、组焊电极，同时可提高熔炼效率、降低烧损量、提高成分均匀性，具有流程短、成本低的优势。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种钛及钛合金EB锭的制备工艺方法，采用原材料混料装箱熔炼工艺进行钛及钛合金EB锭的制备，具体包括以下步骤：

第一步，采用钛板制备组合式料箱，所述组合式料箱由料箱本体和隔板装置两部分组成，其中，所述料箱本体为上部敞口的箱体，所述料箱本体前端板上端设置有朝料箱本体外侧延伸的压板，压板高度较后端板上沿高出5~10mm，所述隔板装置设置在料箱本体内，用于将料箱本体分割为数个单元格，且能够在使用完毕后移出料箱本体进行重复性使用；

第二步，将海绵钛与所需中间合金按配料基准称重，为下步混料做准备，每次混料单元总重量80~200Kg；

第三步，将第二步称重好的每单元原料，加入混料机中混料，混料时间不低于300s；

第四步，将混料后的每单元原料分别装入组合式料箱各单元格并铺平；料箱各单元格全部装料完毕后，将隔板装置移开，重复2~4步，完成EB熔炼所需全部料箱装料；

第五步，经电子束定位、预热后进入正常EB熔炼，使用水平进料模式的电子枪图形工艺，料箱采用自动进料模式匀速向前推动，电子束在料箱前端处熔化。

在EB熔炼过程中，料箱推料熔化至推杆极限位置前50-200mm，需要切换下一根料箱时，手动快速推至极限位置，使料箱切换过程中，前端电子束熔化区域保持有料充分持续熔化状态；下一根料箱就位后，与上根料箱尾端咬合，恢复至自动进料模式进入正常推料的熔化，料箱切换重复该操作直至熔炼完成。

步骤一中，所述料箱本体由前端板、后端板、底板、左侧板、右侧板焊接组合而成，其中，前端板较后端板高出45~65mm，并在前端板高出后端板部分朝料箱外侧进行90度折弯形成宽度40~60mm的所述压板，弯折后前端板较后端板高出5~10mm。

隔板装置主要由隔板框架和隔板组成，所述隔板框架的形状和尺寸与料箱本体的上部开口匹配，所述隔板可拆卸固定在隔板框架上，隔板数量及间距根据需要进行设置，使用时将所述隔板装置放置在料箱本体内构成所述组合式料箱，通过所述隔板将料箱本体分割为数个单元格。

所述隔板框架为长方形框架，数个隔板相互平行设置在隔板框架上，并在长度方向上将料箱本体分割为数个单元格。

所述隔板框架两长边上分别开设有一系列隔板固定孔，所述隔板上端两侧各设有固定筋板，固定筋板的上端面加工螺丝孔，安装时使用螺丝钉穿过隔板固定孔和螺丝孔将隔板固定在隔板框架上。

有益效果：本发明所提供的一种钛及钛合金EB锭的制备工艺方法，通过原料散料装入组合式料箱进行EB熔炼，并创新组合式料箱设计、优化熔炼工艺，无需进行压块、组焊电极，即可获得成分均匀的钛及钛合金EB锭，具有设备投资小、熔炼效率高、烧损量低、成本低综合优势，具体如下：

（1）本发明提供的制备工艺无需投资大型电极压机，且节省了原料压制、组焊电极工序，可大幅降低专用大型设备投资，并进一步简化、缩短生产流程。

（2）通过散料装入组合式料箱进行EB熔炼，与传统压制电极相比，原料密度低、导热效应低，有效减少了前端电子束照射熔化区域热量传导损失，原料单位重量熔化所需电子束照射时间短、烧损量小，从而实现提高熔炼效率、降低金属烧损率效果。

（3）通过组合式料箱设计，使用隔板装置将料箱分为数个小单元，与无隔板大料箱相比，大幅降低了每次混料重量，显著改善了EB熔炼原料均匀性；同时，通过料箱前端板压板咬合固定作用，可有效避免持续水平进料熔炼过程中，料箱尾部翻落熔池、偏斜及堵料异常情况，提高进料熔炼的平稳性，从而可有效提高钛及钛合金EB锭成分均匀性。

（4）本专利方法可降低专用大型电极压机设备投资、简化缩短生产流程、提高熔炼效率、降低金属烧损率，从而达到降低钛及钛合金EB锭制备生产成本效果。

附图说明

图1为组合式料箱结构示意图；

图2为料箱本体示意图；

图3为隔板装置示意图；

图4为组合式料箱续接及EB熔炼示意图；

图5为圆柱形压块示意图；

图6为压制电极EB熔炼翻落过程示意图

附图标记： 1、料箱本体，2、隔板装置，3、前端板，4、压板，5、后端板，6、隔板框架，7、隔板，8、熔化冷床，9、钛液，10、电子束，11、料箱熔化末端，12、待熔化料箱，13、推杆，14、进料辊道，15、支撑板，16、电极棒料熔化末端，17、待熔化电极棒料，18、焊点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

一种钛及钛合金EB锭的制备工艺方法，主要采用原材料混料装箱熔炼工艺进行钛及钛合金EB锭的制备，具体包括以下步骤：

第一步，采用钛板制备组合式料箱，所述组合式料箱如图1-3所示，由料箱本体1和隔板装置2两部分组成，其中，所述料箱本体1为上部敞口的箱体，所述料箱本体1前端板3上端设置有朝料箱本体外侧延伸的压板4，压板4高度较后端板5上沿高出5~10mm，所述隔板装置2设置在料箱本体1内，用于将料箱本体1分割为数个单元格，且能够在使用完毕后移出料箱本体进行重复性使用；

第二步，将海绵钛与所需中间合金按配料基准称重，为下步混料做准备，每次混料单元总重量80~200Kg；

第三步，将第二步称重好的每单元原料，加入混料机中混料，混料时间不低于300s；

第四步，将混料后的每单元原料分别装入组合式料箱各单元格并铺平；料箱各单元格全部装料完毕后，将隔板装置移开，重复2~4步，完成EB熔炼所需全部料箱装料；

第五步，经电子束定位、预热后进入正常EB熔炼，使用水平进料模式的电子枪图形工艺，料箱采用自动进料模式匀速向前推动，电子束在料箱前端处熔化。

其中，在EB熔炼过程中，料箱推料熔化至推杆极限位置前50-200mm，需要切换下一根料箱时，手动快速推至极限位置，使料箱切换过程中，前端电子束熔化区域保持有料充分持续熔化状态；下一根料箱就位后，与上根料箱尾端咬合，恢复至自动进料模式进入正常推料的熔化，料箱切换重复该操作直至熔炼完成。

具体地，本发明中用到的组合式料箱，其料箱本体1由前端板3、后端板5、底板、左侧板、右侧板焊接组合而成，如图2所示，前端板3较后端板5高出45~65mm，并在前端板3高出后端板5部分朝料箱外侧进行90度折弯形成宽度约40~60mm的所述压板4，弯折后前端板3较后端板5高出约5~10mm。

隔板装置如图3所示，主要由隔板框架6和隔板7组成，所述隔板框架6的形状和尺寸与料箱本体1的上部开口匹配，所述隔板7可拆卸固定在隔板框架6上，隔板7的数量及间距根据需要进行设置，使用时将所述隔板装置2放置在料箱本体1内构成如图1所示的组合式料箱，通过所述隔板7将料箱本体分割为数个单元格。

进一步地，所述隔板框架6为长方形框架，数个隔板7相互平行设置在隔板框架6上，并在长度方向上将料箱本体分割为数个单元格；所述隔板框架6两长边上分别开设有一系列隔板固定孔，所述隔板7上端两侧各设有固定筋板，固定筋板的上端面加工螺丝孔，安装时使用螺丝钉穿过隔板固定孔和螺丝孔将隔板固定在隔板框架6上，隔板框架6上还设有吊环，以方便将隔板装置2装入或移出料箱本体1。

上述组合式料箱使用隔板装置将料箱分为数个小单元格，与无隔板大料箱相比，大幅降低了每次混料重量，显著改善了EB熔炼原料均匀性；同时，通过料箱前端板压板咬合固定作用，可有效避免持续水平进料熔炼过程中，料箱尾部翻落熔池、偏斜及堵料异常情况，提高进料熔炼的平稳性，从而可有效提高钛及钛合金EB锭成分均匀性。

以下结合实施例和对比例对本发明的制备方法进行更详细的介绍。

实施例1：使用本发明的方法进行TC4钛合金EB锭制备。

第一步，采用TC4钛板制备组合式料箱，料箱前端板压板宽度40mm，较后端板高出5mm。

第二步，将海绵钛与AlV中间合金、Al豆，按Al=7.5%、V=4.0%、O=0.12%配料基准称重，每次混料单元总重量80Kg。

第三步，将第二步称重好的每单元原料，加入混料机中混料，混料时间300s。

第四步，将混料后的每单元原料分别装入组合式料箱各单元格并铺平；料箱各单元格全部装料完毕后，将隔板装置移开，重复2~4步，完成EB熔炼所需全部料箱装料。

第五步，经电子束定位、预热后进入正常EB熔炼，使用水平进料模式的电子枪图形工艺，料箱采用自动进料模式匀速向前推动，电子束在料箱前端处熔化。

第六步，料箱推料熔化至推杆极限位置前50mm，需要切换下一根料箱时，手动快速推至极限位置，使料箱切换过程中，前端电子束熔化区域保持有料充分持续熔化状态；下一根料箱就位后，与上根料箱尾端咬合，恢复至自动进料模式进入正常推料的熔化，料箱切换重复该步骤直至熔炼完成；如图4所示为组合式料箱续接及EB熔炼示意图，其中各部件标号含义如下： 8、熔化冷床，9、钛液，10、电子束，11、料箱熔化末端，12、待熔化料箱，13、推杆，14、进料辊道，15、支撑板；使用上述组合式料箱及料箱续接方式，整个熔炼过程进料平稳，无料箱翻落、堵料等问题，最后，经铣面锯切后，获得名义规格为190*1065*5800mm的TC4钛合金EB锭。

对比例1：使用现有技术方法，经过混料、压制电极、阻焊电极后，经过水平进料进行EB熔炼；采用4000吨油压机，压制如图5所示形状的TC4钛合金压块，并组焊制备电极棒料，EB锭熔炼过程中电极棒料全程采用自动进料模式匀速向前推动，如图6所示，各压块之间通过焊点18连接为电极棒料，前端为电极棒料熔化末端16，后端为待熔化电极棒料17，其中熔炼过程切换棒料时，也采用自动进料模式，无实施例1第六步手动电极棒料切换操作，直至整根铸锭熔炼完成，熔炼过程伴随电极棒料尾部翻落、偏斜、堵料问题，如图6所示，进料及熔炼过程不稳定。

实施例1、对比例1熔炼TC4钛合金EB锭的实施效果对比如表1所示。与实施例1相比，由于对比例1采用传统压制电极EB熔炼工艺方法，需要投资大型电极压机设备，增加压块、组焊电极工序，同时压块电极密度大，导热快，导致熔炼效率低、金属烧损率高。由表1可见，实施例1比对比例1熔炼速率提高120kg/h，烧损率降低1.4%；由于实施例1简化缩短了生产流程、提高了熔炼效率、降低了金属烧损率，采用实施例1制备的TC4钛合金EB锭综合成本降低3.6元/kg。在成分均匀性方面，Al是控制均匀性的主要元素，对比例1熔炼过程伴随电极棒料尾部翻落、偏斜、堵料问题，进料及熔炼不连续、不平稳，使得整个过程钛液Al元素烧损也存在较大波动，而实施例1制备过程进料、熔炼均匀平稳，因此实施例1中Al元素成分波动≤0.33%，显著优于对比例1中≤0.63%波动，Al元素成分更加均匀，具有显著的成本及质量优势。

表1 TC4钛合金EB锭熔炼实施效果对比

实施例2：使用本发明所述方法制备TA2冷轧薄带用EB锭。

第一步，采用TA2钛板制备组合式料箱，料箱前端板压板宽度60mm，较后端板高出10mm。

第二步，将海绵钛与粉末状TiO₂中间合金，按照O=0.12%配料基准称重，每次混料单元总重量120Kg。

第三步，将第二步称重好的每单元原料，加入混料机中混料，混料时间360s。

第四步，将混料后的每单元原料分别装入组合式料箱各单元格并铺平。料箱各单元格全部装料完毕后，将隔板装置移开，重复2~4步，完成EB熔炼所需全部料箱装料。

第五步，经电子束定位、预热后进入正常EB熔炼，使用水平进料模式的电子枪图形工艺，料箱采用自动进料模式匀速向前推动，如图4所示，电子束在料箱前端处熔化。

第六步，料箱推料熔化至推杆极限位置前200mm，需要切换下一根料箱时，手动快速推至极限位置，使料箱切换过程中，前端电子束熔化区域保持有料充分持续熔化状态；下一根料箱就位后，与上根料箱尾端咬合，恢复至自动进料模式进入正常推料的熔化，料箱切换重复该步骤直至熔炼完成，整个熔炼过程进料平稳，无料箱翻落、堵料等问题。经铣面锯切后，获得名义规格为190*1065*6000mm的TA2冷轧薄带用EB锭。

对比例2：采用4000吨油压机，压制如图5所示形状的TA2压块，并组焊制备电极棒料，EB锭熔炼过程中电极棒料全程采用自动进料模式匀速向前推动，其中熔炼过程切换棒料时，也采用自动进料模式，无实施例2第六步手动电极棒料切换操作，直至整根铸锭熔炼完成，熔炼过程伴随电极棒料尾部翻落、偏斜、堵料问题，如图6所示，进料及熔炼过程不稳定。

实施例2、对比例2熔炼TA2冷轧薄带用EB锭实施效果对比如表2所示。与实施例2相比，由于对比例2采用传统压制电极EB熔炼工艺方法，需要投资大型电极压机设备，增加压块、组焊电极工序，同时电极密度大，导热快，导致熔炼效率低、金属烧损率高。由表2可见，实施例2比对比例2熔炼速率提高180kg/h，烧损率降低1.1%；由于实施例2简化缩短了生产流程、提高了熔炼效率、降低了金属烧损率，采用实施例2制备的TA2冷轧薄带用EB锭综合成本降低3.8元/kg。在成分均匀性方面，O元素是TA2冷轧薄带用EB锭控制均匀性的主要元素，提高O元素成分均匀性，有助于获得组织性能、厚度均匀的成品冷轧薄带卷；对比例2熔炼过程伴随电极棒料尾部翻落、偏斜、堵料问题，进料及熔炼不连续、不平稳，使得整个过程钛液O元素含量波动增加，而实施例2制备过程进料、熔炼均匀平稳，因此实施例2中O元素成分波动≤0.025%，显著优于对比例2中≤0.036%波动，O元素成分更加均匀，具有显著的成本及质量优势。

表2 TA2冷轧薄带用EB锭熔炼实施效果对比

本发明所提供的方法，无需投资大型电极压机，且节省了原料压制、组焊电极工序，可大幅降低专用大型设备投资，并进一步简化、缩短生产流程；通过散料装入组合式料箱进行EB熔炼，与传统压制电极相比，原料密度低、导热效应低，有效减少了前端电子束照射熔化区域热量传导损失，原料单位重量熔化所需电子束照射时间短、烧损量小，从而实现提高熔炼效率、降低金属烧损率效果。

本发明通过组合式料箱设计，使用隔板装置将料箱分为数个小单元，与无隔板大料箱相比，大幅降低了每次混料重量，显著改善了EB熔炼原料均匀性；同时，通过料箱前端板压板咬合固定作用，以及料箱切换时手动快速料箱续接步骤，可有效避免持续水平进料熔炼过程中，料箱尾部翻落熔池、偏斜及堵料异常情况，提高进料熔炼的平稳性，从而可有效提高钛及钛合金EB锭成分均匀性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种钛及钛合金EB锭的制备工艺方法，其特征在于，采用原材料混料装箱熔炼工艺进行钛及钛合金EB锭的制备，具体包括以下步骤：

第一步，采用钛板制备组合式料箱，所述组合式料箱由料箱本体和隔板装置两部分组成，其中，所述料箱本体为上部敞口的箱体，所述料箱本体前端板上端设置有朝料箱本体外侧延伸的压板，压板高度较后端板上沿高出5~10mm，所述隔板装置设置在料箱本体内，隔板装置主要由隔板框架和隔板组成，所述隔板框架的形状和尺寸与料箱本体的上部开口匹配，所述隔板可拆卸固定在隔板框架上，隔板数量及间距根据需要进行设置，使用时将所述隔板装置放置在料箱本体内构成所述组合式料箱，所述隔板装置用于将料箱本体分割为数个单元格，且能够在使用完毕后移出料箱本体进行重复性使用；

第二步，将海绵钛与所需中间合金按配料基准称重，为下步混料做准备，每次混料单元总重量80~200Kg；

第三步，将第二步称重好的每单元原料，加入混料机中混料，混料时间不低于300s；

第四步，将混料后的每单元原料分别装入组合式料箱各单元格并铺平；料箱各单元格全部装料完毕后，将隔板装置移开，重复第二步到第四步，完成EB熔炼所需全部料箱装料；

第五步，经电子束定位、预热后进入正常EB熔炼，使用水平进料模式的电子枪图形工艺，料箱采用自动进料模式匀速向前推动，电子束在料箱前端处熔化；

在EB熔炼过程中，料箱推料熔化至推杆极限位置前50-200mm，需要切换下一根料箱时，手动快速推至极限位置，使料箱切换过程中，前端电子束熔化区域保持有料充分持续熔化状态；下一根料箱就位后，与上根料箱尾端咬合，恢复至自动进料模式进入正常推料的熔化，料箱切换，重复该操作直至熔炼完成。

2.如权利要求1所述的一种钛及钛合金EB锭的制备工艺方法，其特征在于，步骤一中，所述料箱本体由前端板、后端板、底板、左侧板、右侧板焊接组合而成，其中，前端板较后端板高出45~65mm，并在前端板高出后端板部分朝料箱外侧进行90度折弯形成宽度40~60mm的所述压板，弯折后前端板较后端板高出5~10mm。

3.如权利要求1所述的一种钛及钛合金EB锭的制备工艺方法，其特征在于，所述隔板框架为长方形框架，数个隔板相互平行设置在隔板框架上，并在长度方向上将料箱本体分割为数个单元格。

4.如权利要求1所述的一种钛及钛合金EB锭的制备工艺方法，其特征在于，所述隔板框架两长边上分别开设有一系列隔板固定孔，所述隔板上端两侧各设有固定筋板，固定筋板的上端面加工螺丝孔，安装时使用螺丝钉穿过隔板固定孔和螺丝孔将隔板固定在隔板框架上。

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