CN115449654B - 一种低成本短流程钛及钛合金残料回收方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钛材加工技术领域，具体涉及一种低成本短流程钛合金残料回收方法。具体包括以下步骤：S1、将同牌号、同成分标准下钛及钛合金残料收集后，经喷丸、酸洗、烘干处理后备用；S2、以堆垛、间隙填充方式将物料装入紫铜坩埚内；S3、选择同牌号辅助电极和自耗电极各一根，对焊后作为阴极；将S2已备好物料作为阳极，装炉并抽空熔炼。让熔液填充下方物料间隙，并充分包裹下方物料，得到铸锭一根。S4、得到的铸锭再经过两次或两次以上VAR熔炼后，得到一根钛及钛合金成品铸锭。解决钛及钛合金残料回收工序流程长、残料利用率低问题，同时降低异物及高密度夹杂带入风险，有效控制杂质元素增加，所获得的铸锭质量更可靠，成分分布更均匀。

Description

一种低成本短流程钛及钛合金残料回收方法

技术领域

本发明涉及钛材加工技术领域，具体涉及一种低成本短流程钛合金残料回收方法。

背景技术

钛合金是一种重要的结构金属，具有质量轻、强度高、耐腐蚀、耐热性高等特点，主要用于航空航天、舰船兵器、生物医疗、石油化工等领域。由于钛合金原材料昂贵、生产流程长、生产成本高等因素影响，导致其在普通商用及民用领域应用甚少。因此低成本法残料回收制备钛合金成为钛合金行业近年来重点关注的技术性问题，也是钛合金应用市场进一步开拓的重要途径。

现有技术下，残料的回收可归纳为三种方式：其一是通过将钛合金残料块、料头、冒口、残屑、板条等，通过破碎或整形方式制作为较小单元，再与高比例的海绵钛及中间合金进行混合配比后，经过电极块压制、组拼焊接、多次VAR(真空自耗熔炼炉)熔炼后获得钛合金铸锭。比如中国专利申请CN201610500892公开的“一种钛合金残料转制异种牌号钛合金的熔炼回收方法”、中国专利申请CN201811533625公开的“一种利用铝液回收钛合金废料中钛元素的方法”。这种方式单根铸锭所添加的残料比例往往不足30％，回收率较低，同时原料配比和成分控制复杂，生产流程长，带入异物风险高，杂质元素难于控制等问题。

其二是将各类残料进行分类，经机加、喷丸酸洗、锯切、锻造等多道复杂工序处理后，再利用EB炉(电子束冷床熔炼炉)进行初熔，然后再利用VAR炉进行若干次熔炼后获得钛合金铸锭。比如中国专利申请CN202010773105“一种使用双联工艺将TA10残料制备成铸锭的方法”、中国专利申请CN201710029041公开的“一种TC4钛合金残料的回收方法”。这种方式不仅生产流程长，同时EB炉对物料形态要求高，针对形貌复杂物料无法实现大批量生产。另外EB炉生产过程中对于Al元素烧损大，铸锭成分稳定性差；针对难熔合金更是需要极大功率的EB炉设备，国内钛及钛合金企业此类大功率EB炉比较罕见。

其三是对残废料进行机加整形、喷丸、酸碱洗，将残废料制备为较为规则的板条状等后，通过在圆形或方形料架上进行布料，并采用等离子焊枪进行逐个拼接点焊，将若干物料组焊为自耗电极后，再经若干次VAR炉熔炼后得到钛合金铸锭。比如中国专利申请CN20161050162“一种板条状钛残料的熔炼回收方法”。这种方法残废料处理繁琐，布料费时费力，对物料形状限制较大；焊点极多，开裂风险高，同时最大的缺点是等离子焊枪为钨极，极易造成高密度夹杂。

上述现有技术均存在回收流程长、回收费用高、质量风险高、成分及杂质元素难控制问题。

发明内容

本发明的所要解决的技术问题是提供一种钛及钛合金残料回收方法，该回收方法相对简单、流程相对短、成本低，回收工序少等优点。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案来解决：

一种低成本短流程钛及钛合金残料回收方法，具体包括以下步骤：

S1：收集同牌号、同成分标准下钛及钛合金残料备用；

S2：以堆垛、间隙填充方式将收集的残料装入坩埚内，并使残料与坩埚壁之间留有安全间隙；

S3：选择同牌号钛或钛合金作为辅助电极和自耗电极，将装入残料的坩埚放入VAR炉熔化站中进行VAR熔炼，使熔液填充坩埚内残料各个间隙，待充分填充并包裹坩埚内残料后，断开VAR炉电源；得到包裹有残料的钛及钛合金铸锭；

S4：将S3得到的钛及钛合金铸锭再经过两次或两次以上VAR熔炼后，得到钛及钛合金成品铸锭；

进一步地，所述S1中，对收集的钛或钛合金残料进行成分确认；成分确认后，对表面氧化、污渍的残料进行喷丸、酸洗、烘干处理。

进一步地，所述S1中,喷丸磨料为直径2～3mm的铸铁丸，酸洗采用硝酸和氢氟酸的混合熔液，浸泡时长1小时以上；烘干温度应保持在70～90℃。

进一步地，所述S2中，根据残料形貌、大小特点直接以堆垛、间隙填充方式将残料装入坩埚内，残料间错位码放。所述S2中，残料错位码放时错位尺寸应保持在10～15mm；残料与坩埚之间留有的安全间隙应保持在50～60mm之间。

进一步地，所述S3中，同牌号自耗电极体积应大于坩埚内待回收残料需填充间隙的体积，且自耗电极熔化后能彻底包裹坩埚内待回收残料。

进一步地，所述S3中，当VAR炉室真空≤1Pa时侧漏，漏气率≤0.8Pa/min时，开启VAR熔炼电源起弧熔炼，起弧期熔炼电流保持在6～12KA，充分加热坩埚内残料，待坩埚内残料开始熔化时，将熔炼电流逐渐提升至16～30KA，自耗电极开始逐渐熔化进入坩埚，当熔液充分填充并包裹残料后，停止VAR熔炼。

进一步地，所述S3中，起弧期电流保持在6～12KA，保持时长≥30min，电压26～34V，稳弧电流12～15A，稳弧周期15s；所述S3中熔后冷却时长≥6h。

进一步地，所述S4中，熔炼真空均≤1Pa，漏气率≤0.6Pa/min。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明是提供一种低成本短流程钛合金残料回收方法，解决钛及钛合金残料回收工序流程长、残料利用率低问题，同时降低异物及高密度夹杂带入风险，有效控制杂质元素增加。所获得的钛及钛合金铸锭质量更可靠，成分分布更均匀，成分满足并优于GB/T3620.1《钛及钛合金牌号和化学成分》国标。

本发明是提供一种低成本短流程钛合金残料回收方法，不需要进行配料、电极制备、电极焊接、布料点焊、EB炉熔炼等复杂流程，对于钛及钛合金生产企业来说，设备配备少、操作简单，残料回收成本进一步降低。

附图说明

图1为本发明技术原理示意图

图中标记：1、辅助电极，2、自耗电极，3、钛及钛合金残料，4、紫铜坩埚。

具体实施方式

针对上述技术方案，现举较佳实施例并结合图示进行具体说明。

下述步骤S4中，VAR熔炼工艺为钛及钛合金领域中的常规VAR熔炼工艺，因此，熔炼工艺参数则不再赘述。

本发明的低成本短流程钛及钛合金残料回收方法，具体包括以下步骤：

S1：将同牌号、同成分标准下钛及钛合金残料块、棒料头、冒口、残屑等残料收集后，进行成分确认。并对外表存在氧化、油渍等的残料进行喷丸酸洗处理，烘干处理后备用；残料成分确认采用X射线成分分析仪；喷丸磨料为直径2～3mm的铸铁丸，酸洗是HNO₃+HF+水按比例配比的酸液，浸泡时长1小时以上；残料烘干温度应保持在70～90℃。酸洗是本领域常规技术，具体比例根据实际表面情况决定。

S2：选择规格合适的VAR紫铜坩埚，根据残料形貌、大小特点直接以堆垛、间隙填充方式将残料装入紫铜坩埚内，残料间错位码放，并使残料与紫铜坩埚壁之间留有一定安全间隙，残料错位码放时错位尺寸应保持在10～15mm；残料与坩埚之间留有的安全间隙应保持在50～60mm之间。装配坩埚后备用，如图1所示，在紫铜坩埚4内码放钛及钛合金残料3。

S3：选择同牌号辅助电极1和自耗电极2各一根，在VAR炉内进行对焊，作为阴极；将S2已备好残料的坩埚吊入VAR炉熔化站作为阳极，并封炉抽真空。当炉室真空≤1Pa时侧漏，漏气率≤0.8Pa/min时，开启VAR炉熔炼电源起弧熔炼，起弧期电流保持在6～12KA，保持时长≥30min，电压26～34V，稳弧电流12～15A，稳弧周期15s；充分加热坩埚内残料；待坩埚内残料开始熔化时，进入熔炼期，将熔炼电流逐渐提升至16～30KA，阴极开始逐渐熔化，熔液开始填充下方残料各个间隙，待熔液充分填充并包裹坩埚内残料后，断开VAR炉电源。熔后冷却时间≥6h，出炉并得到钛及钛合金铸锭一根。

S4：将S3得到的钛及钛合金铸锭再经过两次或两次以上VAR熔炼后，两次熔炼真空均≤1Pa，漏气率≤0.6Pa/min；得到一根钛及钛合金成品铸锭。

S5：对S4得到的钛及钛合金铸锭进行扒皮处理，并在铸锭头中尾取样检测，锯切铸锭冒口。

实施例1：TC4牌号残料的回收

S1：将牌号为TC4的残料块、棒料头、冒口等收集后，利用X射线成分分析仪进行成分再次确认。并对外表存在氧化、油渍等残料进行喷丸酸洗处理，喷丸磨料选择直径2～3mm的铸铁丸，在HNO₃+HF+水按比例配比的酸液中浸泡时长1小时，然后放入烘箱烘干处理后备用，烘干温度应保持在70～90℃。

S2：选择Φ540mm规格紫铜坩埚，根据残料形貌、大小特点直接以堆垛、间隙填充方式将残料装入紫铜坩埚内，残料间错位码放，错位尺寸控制在10～15mm，并使残料与紫铜坩埚壁之间留有50～60mm安全间隙，装配坩埚后备用，如图1所示。

S3：选择Φ280mm TC4辅助电极和Φ430mm TC4自耗电极各一根，在VAR炉内进行对焊，作为阴极；将S2已备好残料的坩埚吊入VAR炉熔化站作为阳极，并封炉抽真空。当炉室真空≤1Pa时侧漏，漏气率≤0.8Pa/min时，开启VAR炉熔炼电源起弧熔炼，起弧期熔炼工艺参数如表1所示。

充分加热坩埚内的残料，待坩埚内残料开始熔化时，采用表2熔炼工艺参数进行熔炼，自耗电极开始逐渐熔化，熔液开始填充下方坩埚内残料各个间隙，待熔液充分填充并包裹坩埚内残料后，断开VAR炉电源。熔后冷却6h，出炉并得到Φ540mm TC4铸锭一根。

表1熔炼起弧期工艺参数

电流/KA	电压/V	稳弧电流/A	稳弧周期/s	时间/min
					6	24	20	15	10
7	26	20	15	8
					8	30	20	15	5
10	30	20	15	10

表2熔炼期工艺参数

电流/KA	电压/V	稳弧电流/A	稳弧周期/s	时间/min
					16	32	30	15	5
22	32	30	15	5
					28	32	30	15	60

S4：将S3得到Φ540mm TC4铸锭进行机加平头处理后，进行一次VAR熔炼，坩埚规格Φ630mm；再进行机加平头处理，进行二次VAR熔炼，坩埚规格Φ720mm。即经过两次VAR熔炼后，得到一根Φ720mm TC4成品铸锭；

S5：对S4得到的Φ720mm TC4铸锭进行扒皮处理，并在铸锭头中尾取样屑样及气体块样检测，锯切铸锭冒口。

最终获得成分的TC4残料回收铸锭各元素成分合格，并优于国标，其成分如表3所示：

表3 TC4牌号残料回收铸锭化学成分 (wt％)

实施例2：TA1牌号残料的回收

S1：将牌号为TA1的残料块、棒料头、冒口等收集后，利用X射线成分分析仪进行成分再次确认。并对外表存在氧化、油渍等残料进行喷丸酸洗处理，喷丸磨料选择直径2～3mm的铸铁丸，在HNO₃+HF+水按比例配比的酸液中浸泡时长1小时，然后放入烘箱烘干处理后备用，烘干温度应保持在(70～90)℃。

S2：选择Φ630mm规格紫铜坩埚，根据残料形貌、大小特点直接以堆垛、间隙填充方式将残料装入紫铜坩埚内，残料间错位码放，错位尺寸控制在10～15mm，并使残料与紫铜坩埚壁之间留有50～60mm安全间隙，装配坩埚后备用，如图1所示。

S3：选择Φ300mm TA1辅助电极和Φ540mm TA1自耗电极各一根，在VAR炉内进行对焊，作为阴极；将S2已备好残料的坩埚吊入VAR炉熔化站作为阳极，并封炉抽真空。当炉室真空≤1Pa时侧漏，漏气率≤0.8Pa/min时，开启VAR熔炼电源起弧熔炼，起弧期工艺如表4所示。充分加热坩埚内残料，待坩埚内残料开始熔化时，采用表5熔炼工艺，阴极开始逐渐熔化，熔液开始填充坩埚内残料各个间隙，待熔液充分填充并包裹坩埚内残料后，断开VAR炉电源。熔后冷却7h，出炉并得到Φ630mm TA1铸锭一根。

表4熔炼起弧期工艺参数

电流/KA	电压/V	稳弧电流/A	稳弧周期/s	时间/min
					6	26	20	15	10
8	28	20	15	8
					10	32	20	15	8
12	32	20	15	10

表5熔炼期工艺参数

电流/KA	电压/V	稳弧电流/A	稳弧周期/s	时间/min
					18	34	30	15	5
24	34	30	15	5
					30	34	30	15	60

S4：将S3得到Φ630mm TA1铸锭进行机加平头处理后，一次VAR熔炼，坩埚Φ720mm；再进行机加平头处理，二次VAR熔炼，坩埚规格Φ830mm。经过两次VAR熔炼后，得到一根Φ830mm TA1成品铸锭；

S5：对S4得到的Φ830mm TA1铸锭进行扒皮处理，并在铸锭头中尾取样屑样及气体块样检测，锯切铸锭冒口。

最终获得成分的TA1残料回收铸锭各元素成分合格，并优于国标，其成分如表6所示：

表6 TA1牌号残料回收铸锭化学成分 (wt％)

综合以上，本发明是提供一种低成本短流程钛合金残料回收方法，解决钛及钛合金残料回收工序流程长、残料利用率低问题，同时降低异物及高密度夹杂带入风险，有效控制杂质元素增加。所获得的钛及钛合金铸锭质量更可靠，成分分布更均匀，成分满足并优于GB/T 3620.1《钛及钛合金牌号和化学成分》国标。

同时，本发明是提供一种低成本短流程钛合金残料回收方法，通过将同牌号、同成分标准下的残料进行收集，在坩埚内堆垛，通过残料自身的外周部分熔融与自耗电极的熔化的熔液相结合，使残料紧密结合成整体铸锭，不需要进行配料、电极制备、电极焊接、布料点焊、EB炉熔炼等复杂流程，对于钛及钛合金生产企业来说，设备配备少、操作简单，残料回收成本进一步降低。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。

应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (5)

1.一种低成本短流程钛或钛合金残料回收方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1：收集同牌号、同成分标准下钛或钛合金残料备用，钛或钛合金残料为残料块、棒料头、冒口、残屑；

S2：以堆垛、间隙填充方式将收集的残料装入坩埚内，残料间错位码放，并使残料与坩埚壁之间留有安全间隙；残料错位码放时错位尺寸保持在10~15mm；残料与坩埚壁之间留有的安全间隙保持在50~60mm之间；

S3：选择同牌号钛或钛合金作为辅助电极和自耗电极，将装入残料的坩埚放入VAR炉熔化站中进行VAR熔炼，使熔液填充坩埚内残料各个间隙，待充分填充并包裹坩埚内残料后，断开VAR炉电源；得到包裹有残料的钛或钛合金铸锭；熔炼参数：当VAR炉室真空≤1Pa时、侧漏漏气率≤0.8Pa/min时，开启VAR熔炼电源起弧熔炼，起弧期熔炼电流保持在6~12kA，加热坩埚内残料，待坩埚内残料开始熔化时，将熔炼电流提升至16~30kA，自耗电极开始熔化进入坩埚，当熔液充分填充并包裹残料后，停止VAR熔炼；同牌号自耗电极体积大于坩埚内待回收残料需填充间隙的体积，且自耗电极熔化后彻底包裹坩埚内待回收残料；

S4：将S3得到的钛或钛合金铸锭再经过两次以上VAR熔炼后，得到钛或钛合金成品铸锭。

2.根据权利要求1所述的低成本短流程钛或钛合金残料回收方法，其特征在于，所述S1中，对收集的钛或钛合金残料进行成分确认；成分确认后，对表面氧化、污渍的残料进行喷丸、酸洗、烘干处理。

3.根据权利要求2所述的低成本短流程钛或钛合金残料回收方法，其特征在于，所述S1中喷丸磨料为直径2~3mm的铸铁丸，酸洗采用硝酸和氢氟酸的混合熔液，浸泡时长1小时以上；烘干温度保持在70~90℃。

4.根据权利要求1所述的低成本短流程钛或钛合金残料回收方法，其特征在于，所述S3中，起弧电流保持在6~12kA，保持时长≥30min，电压26~34V，稳弧电流12~15A，稳弧周期15s；所述S3中熔后冷却时长≥6h。

5.根据权利要求1所述的低成本短流程钛或钛合金残料回收方法，其特征在于，所述S4中，熔炼真空均≤1Pa，漏气率≤0.6Pa/min。