残钛回收TC4铸锭成分研究❋

2015-12-31贠鹏飞

机械工程与自动化 2015年3期

贠鹏飞，廖强，吴华，谢强，刘华，张娜

（西部钛业有限责任公司，陕西西安 710201）

0 引言

钛材具有独特的高比强度、耐腐性能等优异性能，具有十分广阔的市场前景和发展潜力。但是钛材的高价格一直是阻碍其高速发展的首要因素，除了航空航天行业对钛材的高价格有一定的承受能力之外，一般的民用工业非常渴望市场可以提供低价格的钛材［1－2］。由于钛及其合金资源的重要性，对钛废料的回收循环利用意义重大。美国、日本等国在钛及其合金的回收利用方面做了大量的研究，并且在重要用途领域的残钛回收利用方面处于领先地位。相比之下，国内钛及其合金的回收利用领域存在钛废料的标准不统一、处理设备落后、工艺技术不成熟等问题［3－4］。

对于低成本钛及钛合金铸锭而言，需要往原料中掺入钛残料，从海绵钛到压力加工成品钛材的生产过程中产生的有形材料损失约占总投料量的40%～60%，铸锭生产中产生的残料量约占总投料量的10%～15%，主要是铸锭车屑和切冒口、锭底。本文通过对锭底、冒口回收，熔炼出满足ASTMB348和AMS 4928R标准要求的合格铸锭［5］，对企业节约成本具有重大意义。同时，通过优化现有的残料回收工艺，摸索出残料回收中各个元素成分的精准控制方法，为残料的进一步大量回收提供经验及数据积累。

1 实验材料与方法

本文主要以西部钛业有限责任公司生产部库房中的TC4铸锭冒口、锭底为残料，采用便携式X射线能谱仪（PMI），在现场对冒口逐个进行鉴别，使用西部钛业拥有的德国ALD公司制造的双工位8t真空自耗电弧熔炼炉先进行一次和二次熔炼，将铸锭扒皮后在2 500t快锻机上锻成4块380mm×240mm×4 560mm的长方条。配备美国进口全自动称重、混－布料系统，实现合金在电极块中的均匀控制，将压制好的24块380mm×218mm×380mm电极块和22块380mm×153mm×380mm电极块与上述方条焊接成自耗电极，利用8t真空自耗电弧熔炼炉经二次熔炼成成品铸锭，用化学分析法对成品铸锭表面进行上、中、下3点取样，对冒口截面进行5点取样分析。成品钛铸锭生产流程见图1。

2 实验结果及讨论

2.1 实验铸锭成分分析

直径Φ920mm、单锭重达7.8t的钛铸锭（1号和2号）是目前规格较大的钛铸锭，加入大于20%钛残料后，为了更好地了解其成分分布情况，对铸锭进行了上、中、下以及上部冒口端5点成分分析。表1为两实验铸锭的上、中、下成分，表2为两个实验铸锭冒口下沿5点成分（其中，R1和R2分别指两个半径处的测点，R1/2的R2/2分别指两个半径/2处的测点）。由表1中的数据可知，加入大于20%钛残料后铸锭成分稳定，满足ASTMB348和AMS 4928R标准要求，也就是说通过添加大于20%冒口锭底后，按照上述工艺流程熔炼的TC4铸锭上、中、下成分均匀，冒口下端5点取样检测成分也均匀，满足相关标准要求，可以用来制作相关棒材产品。

图1 成品钛铸锭生产流程

表1 1＃与2＃铸锭化学成分（质量分数）%

表2 铸锭冒口5点化学成分（质量分数）%

由表2可见，Al元素上、中、下3点取样结果差别不大，下部略高出上部和中部，而在冒口下端结果却是心部Al含量低于其余部位，这是凝固和补缩两个原因综合作用的结果。根据结晶偏析理论，决定结晶偏析程度的是分布系数k，k＜1的金属凝固时会产生正偏析，k＞1时则表现为负偏析，Al元素的系数k＝0.4，容易产生正偏析。在熔炼过程中，k值随着熔池深度及形状、冷却速度、液体金属搅动程度等发生变化，针对Al元素而言，制定合理熔炼工艺的目的就在于提高其k值，使其趋于1［6－7］。铸锭凝固时，在径向是沿着由外到内的顺序凝固的，因此铸锭心部Al含量应该会比表面略高，但实验结果表明，心部Al含量与边部比较差异并不大，说明制定的熔炼工艺合理地控制了熔炼时的熔池形状、熔池深度、过冷度等，从而提高了Al的k值，避免了Al向心部的富集。在长度方向铸锭由下至上顺序凝固，Al含量应该从底部至顶部递增，但无论是铸锭边部或心部Al含量在纵向变化均不明显，说明，通过合理的工艺进行熔炼，铸锭中的Al含量能够在横向及纵向得到很好控制。当然，心部（上）的Al含量偏低，这是由于该位置正好处于熔池底部，在真空条件下，熔炼末期进行补缩时，熔炼时间较长，造成大量的Al从熔池底部挥发所致。

2.2 配料成分与铸锭实测成分对比

将回收方条成分、电极块配料成分、目标配料成分与实际测量成分进行对比，结果见图2。由图2可见，V、O和Fe元素的成分波动不大，可以作为经验指导以后的残料回收；Al元素成分差距较大，电极块中Al最高，接下来是配料成分，实际测量和回收料成分中的Al元素含量。Al元素不能精确地控制原因有以下两个：①对用冒口，锭底制备的方条成分计算不精确，这与每块料的成分波动有关，导致最终回收方条中Al含量计算不准确；②对熔炼过程中Al元素的挥发计算不准确，Al属于低熔点金属，在熔炼过程中Al元素挥发损耗，这也造成最终成品铸锭Al元素与目标成分有一定差距。