CN114015874B

CN114015874B - 一种高品质AlV55合金的生产方法

Info

Publication number: CN114015874B
Application number: CN202111122676.4A
Authority: CN
Inventors: 尹丹凤; 陈海军; 师启华; 高雷章
Original assignee: Pangang Group Panzhihua Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Current assignee: Pangang Group Panzhihua Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Priority date: 2021-09-24
Filing date: 2021-09-24
Publication date: 2023-05-16
Anticipated expiration: 2041-09-24
Also published as: CN114015874A

Abstract

本发明涉及冶金领域，公开了一种高品质AlV55合金的生产方法。该方法包括以下步骤：(1)将纯度≥99.5质量％的V₂O₅、纯度≥99.7质量％的金属Al和纯度≥98.5质量％的CaO按照质量比1：0.88～0.90：0.12～0.16加入料罐中混合；(2)将混合后的物料分3～5次装入反应炉中，且每次装完物料后均进行压缩排气；(3)采用点火剂引发物料进行铝热反应；(4)待反应平稳后将反应炉炉体推入真空室内抽真空并通入氩气；(5)冷却后拆炉，得到高品质AlV55合金。本发明所述方法制得的AlV55合金的成品率高，杂质元素含量低，AlV55合金质量高。

Description

一种高品质AlV55合金的生产方法

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种高品质AlV55合金的生产方法。

背景技术

钒铝合金能显著改善钛合金的强度、韧性、成形性、耐腐蚀及耐高温等性能，是钛合金常用的一种重要添加剂，可用来制造水上飞机、滑翔机、汽车发动机系统、汽车底盘部件、高尔夫球杆和医疗器材等。而随着我国经济的迅速发展和人民消费水平的不断提升，应用于民用工业和航空航天领域的钛合金都出现了大幅度的增长势头。

国内对钒铝合金的研发起步较晚，且主要采用AlV55合金制备Ti-6Al-4V合金，市场需求量很大。但采用一步法生产的AlV55合金大多存在氧化膜、氮化膜、细粉偏多等产品质量问题，因此，亟需提供一种提高AlV55合金产品质量的方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的采用一步法生产的AlV55合金存在氧化膜、氮化膜、细粉偏多等产品质量的问题，提供一种高品质AlV55合金的生产方法，该方法采用一步法能够制得表观质量更好、杂质含量更低的高品质AlV55合金，且AlV55合金成品率高。

为了实现上述目的，本发明提供了一种高品质AlV55合金的生产方法，该方法包括以下步骤：

(1)将纯度≥99.5质量％的V₂O₅、纯度≥99.7质量％的金属Al和纯度≥98.5质量％的CaO按照质量比1：0.88～0.90：0.12～0.16加入料罐中混合；

(2)将混合后的物料分3～5次装入反应炉中，且每次装完物料后均进行压缩排气；

(3)采用点火剂引发物料进行铝热反应；

(4)待反应平稳后将反应炉炉体推入真空室内抽真空并通入氩气；

(5)冷却后拆炉，得到高品质AlV55合金。

优选地，在步骤(1)所述的V₂O₅中，Fe≤0.008质量％，Si≤0.008质量％，C≤0.01质量％。

优选地，在步骤(1)所述的金属Al中，Fe≤0.005质量％，Si≤0.005质量％，C≤0.005质量％。

优选地，在步骤(1)所述的CaO中，Fe≤0.2质量％，Si≤0.2质量％，C≤0.3质量％。

优选地，在步骤(1)中，所述V₂O₅的粒度≤3mm；所述金属Al的粒度为0.1～3mm；所述CaO的粒度为120～200目。

优选地，在步骤(1)中，加入料罐中的V₂O₅的质量为100～150kg。

优选地，在步骤(2)中，所述反应炉包括炉底、下节炉体和上节炉体，所述下节炉体和所述上节炉体包括内衬、炉壁和外壳，所述炉底厚度为120～150mm，所述下节炉体和所述上节炉体的高度为650～700mm，内径为480～500mm，所述炉壁的厚度为80～100mm。

优选地，所述炉底采用电熔镁砂浇筑，电熔镁砂中MgO≥97.5质量％，SiO₂≤0.5质量％，Fe₂O₃≤0.5质量％，Al₂O₃≤0.3质量％。

优选地，所述内衬为铝箔，且铝箔的厚度为0.1～0.2mm；更优选地，铝箔的纯度≥99.5质量％，铝箔中Si≤0.05质量％，Fe≤0.05质量％。

优选地，所述炉壁采用氧化铝进行填充，氧化铝中Al₂O₃≥98.5质量％，SiO₂≤0.02质量％，Fe₂O₃≤0.03质量％。

优选地，在步骤(3)中，所述点火剂为过氧化钡和铝粉的混合物。

优选地，在步骤(4)中，将反应炉炉体推入真空室内抽真空并通入氩气的具体操作为：将反应炉炉体推入真空室内抽真空至10～40Pa后通氩气至93～97kPa。

优选地，在步骤(5)中，所述冷却的冷却时间为36～40h。

AlV55合金主要由钒的固溶体相和脆性相Al8V5组成，合金饼的内部容易形成微裂纹，进而造成AlV55合金的氧化膜、氮化膜、细粉偏多等问题。本发明采用一步法进行AlV55合金的冶炼，通过合理控制各原料之间的比例、合理控制装料过程、合理控制冷却过程等手段，更进一步地，通过炉体选择、原料预处理等手段制得了产品质量更优的AlV55合金产品，且成品率较高。

附图说明

图1是本发明采用的反应炉示意图。

附图标记说明

1炉底；2下节炉体；3上节炉体；4内衬；5炉壁；6外壳。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

本发明提供了一种高品质AlV55合金的生产方法，该方法包括以下步骤：

(3)采用点火剂引发物料进行铝热反应；

(5)冷却后拆炉，得到高品质AlV55合金。

本发明所述的方法通过控制原料之间的比例，将混合后的物料分多次加入并压缩排气以及合理控制冷却过程等操作，提高AlV55合金产品的质量和成品率。

为了将原料中的空气排出，避免上部点火后原料中的空气无法排出进而造成合金中的N含量超标，每次装完物料后都要进行压缩排气。

在具体实施方式中，为了降低制得的AlV55合金中的杂质元素含量，需要控制各个原料的纯度以及杂质元素含量。

在优选实施方式中，在步骤(1)所述的V₂O₅中，Fe≤0.008质量％，Si≤0.008质量％，C≤0.01质量％。

在优选实施方式中，在步骤(1)所述的金属Al中，Fe≤0.005质量％，Si≤0.005质量％，C≤0.005质量％。

在优选实施方式中，在步骤(1)所述的CaO中，Fe≤0.2质量％，Si≤0.2质量％，C≤0.3质量％。

为了进一步使原料混合得更加均匀、反应进行得更加充分，可以将原料的粒度控制在适当范围内。

在具体实施方式中，在步骤(1)中，所述V₂O₅的粒度≤3mm；所述金属Al的粒度为0.1～3mm；所述CaO的粒度为120～200目。

进一步地，为了获得表观质量更优、合金成分偏析更小的产品，需要将加入料罐中的V₂O₅的质量控制在合适的范围内。

在优选实施方式中，在步骤(1)中，加入料罐中的V₂O₅的质量为100～150kg，例如100kg、110kg、120kg、130kg、140kg或150kg。若加入料罐中的V₂O₅的质量太少，热量散失快，会存在渣金分离效果差，合金氧、氮含量高等问题；若加入料罐中的V₂O₅的质量太多，物料会喷溅出去，存在安全隐患，而且合金饼过厚，也会有夹渣和气孔，影响合金质量。

在本发明所述方法中，为了确保合金冶炼后渣、金分离效果好，合金表观质量优，可以采用具有特定结构和组成的反应炉进行反应。

在优选实施方式中，如图1所示，在步骤(2)中，所述反应炉包括炉底1、下节炉体2和上节炉体3，所述下节炉体2和所述上节炉体3包括内衬4、炉壁5和外壳6，所述炉底1厚度为120～150mm，所述下节炉体2和所述上节炉体3的高度为650～700mm，内径为480～500mm，所述炉壁5的厚度为80～100mm。采用该反应炉进行反应，在装料时，大部分的物料装于下节炉体2，少量的物料装于上节炉体3。该炉体的组装和拆卸都比较简单，可操作性强，成本低，炉体高度经过设计可完全确保试验安全，不会有物料喷溅出去，炉体本身杂质含量也因为经过控制所以不会造成合金杂质含量超标。

进一步地，所述炉底1采用电熔镁砂浇筑，电熔镁砂中MgO≥97.5质量％，SiO₂≤0.5质量％，Fe₂O₃≤0.5质量％，Al₂O₃≤0.3质量％。

进一步地，所述内衬4为铝箔，且铝箔的厚度为0.1～0.2mm。更进一步地，铝箔的纯度≥99.5质量％，铝箔中Si≤0.05质量％，Fe≤0.05质量％。

进一步地，所述炉壁5采用氧化铝进行填充，氧化铝中Al₂O₃≥98.5质量％，SiO₂≤0.02质量％，Fe₂O₃≤0.03质量％。

在本发明所述的方法中，所述点火剂可以为本领域的常规选择。在具体实施方式中，在步骤(3)中，所述点火剂可以为过氧化钡和铝粉的混合物。在优选实施方式中，氧化钡和铝粉的质量比为4:1。

在本发明所述的方法中，为了避免合金在冷却过程中发生氧化、氮化，在步骤(4)中，将反应炉炉体推入真空室内抽真空并通入氩气的具体操作为：将反应炉炉体推入真空室内抽真空至10～40Pa(例如10Pa、15Pa、20Pa、25Pa、30Pa、35Pa或40Pa)后通氩气至93～97kPa(例如93kPa、94kPa、95kPa、96kPa或97kPa)。

在本发明所述的方法中，为了防止合金被氧化、氮化，需要冷却适当的时间后再拆炉。在步骤(5)中，所述冷却的冷却时间可以为36～40h，具体地，例如可以为36h、37h、38h、39h或40h。

采用本发明所述的方法制得的AlV55合金的成品率≥80％，AlV55合金中Fe≤0.18％、Si≤0.18％、C≤0.015％、O≤0.06％、N≤0.015％。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

本发明所述实施例在以下反应炉中进行铝热反应：

如图1所示，该反应炉包括炉底1、下节炉体2和上节炉体3，所述下节炉体2和所述上节炉体3包括内衬4、炉壁5和外壳6，所述炉底1厚度为120～150mm，所述下节炉体2和所述上节炉体3的高度为650～700mm，内径为480～500mm，所述炉壁5的厚度为80～100mm。所述炉底1采用电熔镁砂浇筑，电熔镁砂中MgO≥97.5质量％，SiO₂≤0.5质量％，Fe₂O₃≤0.5质量％，Al₂O₃≤0.3质量％。所述内衬4为铝箔，且铝箔的厚度为0.1～0.2mm；铝箔的纯度≥99.5质量％，铝箔中Si≤0.05质量％，Fe≤0.05质量％。所述炉壁5采用氧化铝进行填充，氧化铝中Al₂O₃≥98.5质量％，SiO₂≤0.02质量％，Fe₂O₃≤0.03质量％。

实施例1

将高纯V₂O₅(纯度99.5％，其中Fe为0.007％，Si为0.008％，C为0.008％，粒度1～2mm)100kg、高纯金属Al(纯度99.7％，其中Fe为0.004％，Si为0.005％，C为0.005％，粒度1～2mm)90kg和高纯CaO(纯度98.6％，其中Fe为0.18％，Si为0.15％，C为0.25％，粒度120～160目)12kg装入料罐中混合。将混合均匀的物料分3次装入反应炉内，并在每次装完物料后都进行压缩排气。用4:1的过氧化钡和铝粉混合物作为点火剂引发物料进行铝热反应。待反应平稳后将炉体推入真空室，抽真空至15Pa后充氩气至93kPa，冷却36h后拆炉得到Fe含量0.16％、Si含量0.17％、C含量0.012％、O含量0.05％、N含量0.014％的高品质AlV55合金，合金成品率为81.8％。

实施例2

将高纯V₂O₅(纯度99.6％，其中Fe为0.006％，Si为0.007％，C为0.006％，粒度＜1mm)120kg、高纯金属Al(纯度99.8％，其中Fe为0.003％，Si为0.004％，C为0.004％，粒度0.5～1mm)106.8kg和高纯CaO(纯度98.5％，其中Fe为0.19％，Si为0.17％，C为0.27％，粒度160～200目)18kg装入料罐中混合。将混合均匀的物料分4次装入反应炉内，并在每次装完物料后都进行压缩排气。用4:1的过氧化钡和铝粉混合物作为点火剂引发物料进行铝热反应。待反应平稳后将炉体推入真空室，抽真空至30Pa后充氩气至94kPa，冷却38h后拆炉得到Fe含量0.17％、Si含量0.15％、C含量0.013％、O含量0.055％、N含量0.013％的高品质AlV55合金，合金成品率为82.2％。

实施例3

将高纯V₂O₅(纯度99.7％，其中Fe为0.005％，Si为0.006％，C为0.007％，粒度2～3mm)150kg、高纯金属Al(纯度99.7％，其中Fe为0.004％，Si为0.005％，C为0.004％，粒度2～3mm)132kg和高纯CaO(纯度98.5％，其中Fe为0.019％，Si为0.016％，C为0.28％，粒度120～160目)24kg装入料罐中混合。将混合均匀的物料分5次装入反应炉内，并在每次装完物料后都进行压缩排气。待反应平稳后将炉体推入真空室，抽真空至35Pa后充氩气至96kPa，冷却40h后拆炉得到Fe含量0.16％、Si含量0.15％、C含量0.014％、O含量0.052％、N含量0.012％的高品质AlV55合金，合金成品率为82.5％。

对比例1

按照实施例3的方法实施，不同的是，将80kg高纯V₂O₅、72kg高纯金属Al和9.6kg高纯CaO装入料罐中混合。

对比例2

按照实施例3的方法实施，不同的是，将混合均匀的物料一次性装入反应炉内并进行压缩排气。

测试例

测试实施例1-3和对比例1-2中制得的AlV55合金的成品率和杂质元素含量，测试结果如表1所示。

表1

实施例编号	成品率/％	Fe含量/％	Si含量/％	C含量/％	O含量/％	N含量/％
							实施例1	81.8	0.16	0.17	0.012	0.050	0.014
实施例2	82.2	0.17	0.15	0.013	0.055	0.013
							实施例3	82.5	0.16	0.15	0.014	0.052	0.012
对比例1	74.1	0.16	0.16	0.013	0.083	0.035
							对比例2	72.6	0.17	0.15	0.012	0.095	0.038

通过表1的结果可以看出，采用本发明所述的方法制得的AlV55合金的成品率≥80％，AlV55合金中Fe≤0.18％、Si≤0.18％、C≤0.015％、O≤0.06％、N≤0.015％，可见，本发明所述方法制得的AlV55合金的成品率高，杂质元素含量低，AlV55合金质量高。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种高品质AlV55合金的生产方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）将纯度≥99.5质量%的V₂O₅、纯度≥99.7质量%的金属Al和纯度≥98.5质量%的CaO按照质量比1：0.88~0.90：0.12~0.16加入料罐中混合；

（2）将混合后的物料分3~5次装入反应炉中，且每次装完物料后均进行压缩排气；

（3）采用点火剂引发物料进行铝热反应；

（4）待反应平稳后将反应炉炉体推入真空室内抽真空并通入氩气；

（5）冷却后拆炉，得到高品质AlV55合金；

在步骤（1）中，加入料罐中的V₂O₅的质量为100~150kg；

在步骤（2）中，所述反应炉包括炉底（1）、下节炉体（2）和上节炉体（3），所述下节炉体（2）和所述上节炉体（3）包括内衬（4）、炉壁（5）和外壳（6），所述炉底（1）厚度为120~150mm，所述下节炉体（2）和所述上节炉体（3）的高度为650~700mm，内径为480~500mm，所述炉壁（5）的厚度为80~100mm。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤（1）所述的V₂O₅中，Fe≤0.008质量%，Si≤0.008质量%，C≤0.01质量%。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤（1）所述的金属Al中，Fe≤0.005质量%，Si≤0.005质量%，C≤0.005质量%。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤（1）所述的CaO中，Fe≤0.2质量%，Si≤0.2质量%，C≤0.3质量%。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其特征在于，在步骤（1）中，所述V₂O₅的粒度≤3mm；所述金属Al的粒度为0.1~3mm；所述CaO的粒度为120~200目。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤（2）中，所述炉底（1）采用电熔镁砂浇筑，电熔镁砂中MgO≥97.5质量%，SiO₂≤0.5质量%，Fe₂O₃≤0.5质量%，Al₂O₃≤0.3质量%。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤（2）中，所述内衬（4）为铝箔，且铝箔的厚度为0.1~0.2mm。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，铝箔的纯度≥99.5质量%，铝箔中Si≤0.05质量%，Fe≤0.05质量%。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤（2）中，所述炉壁（5）采用氧化铝进行填充，氧化铝中Al₂O₃≥98.5质量%，SiO₂≤0.02质量%，Fe₂O₃≤0.03质量%。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤（3）中，所述点火剂为过氧化钡和铝粉的混合物。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤（4）中，将反应炉炉体推入真空室内抽真空并通入氩气的具体操作为：将反应炉炉体推入真空室内抽真空至10~40Pa后通氩气至93~97kPa。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在步骤（5）中，所述冷却的冷却时间为36~40h。