钛合金返回料真空自耗电弧炉回收工艺研究

董燕妮，范广轩，张宝秋

（宝钛集团有限公司，陕西 宝鸡 721014）

引言

真空自耗电弧熔炼（VAR）是钛及钛合金最为主要的熔炼方法，被广泛应用于各种牌号钛及钛合金材料的生产。该方法需要先将所熔炼的金属材料制备成自耗电极，供自耗熔炼用的电极一般由单块电极组焊而成。由于真空自耗电弧炉的保有量大，目前该方法也是钛及钛合金返回料回收利用的主要途径之一。[1-2]

传统钛合金返回料电极制备方法主要分为压制法和焊接法，电极制备的难点主要是保证电极的强度以及减少低密度夹杂元素的带入，目前存在的主要问题有：（1）受工艺方法、海绵钛塑性等因素的影响，返回料添加比例不高，一般不超过7%；（2）因电极尺寸较大，电极制备难度较大，电极质量会因焊接工艺等原因影响，焊接法制备的电极强度较低，易发生内层物料脱落现象（亦称脱衣现象）。脱衣现象发生比例大约为5%；（3）焊接时氧化严重，尤其是添加一定比例返回料时其焊接难度较大，常见问题有电极强度差、焊点严重氧化等，存在低密度夹杂冶金缺陷的质量隐患；（4）返回料添加形式单一，仅能回收部分形式和牌号的返回料，由于制备方法所限，对于大量异形返回料无法利用，有一定局限性。

针对目前钛合金返回料电极制备存在的问题，本文开展了电极制备工艺和返回料添加比例的研究，并利用真空自耗电弧炉制备出添加一定比例返回料的TC4、TA15钛合金铸锭，为钛合金返回料的回收利用提供了工艺指导，具有一定的参考价值。

1 试验

1.1 电极制备

根据返回料的形态和尺寸将返回料进行分类（如表1）。

表1 返回料种类

根据返回料的类别和实践经验摸索出适宜的电极制备工艺，具体如下：

（1）碎块料和短板边采用压制法制备自耗电极。所采用的压制设备为7000t或8000t油压机。

碎块料回收：将散装块料处理成小块料（粒度≤30mm），加入模腔中，手动干预尽量使块状料分布均匀且被海绵钛包覆，由于小块料的粒度与海绵钛接近，所以压制出的电极强度较传统方案有很大提高。

短板边回收：将板捆处理成合适的尺寸，加入模腔中部，并手动将板捆在长度方向上放平，不要露出。由于板材的反弹，应综合考虑海绵钛的塑性问题。

图1 压制电极

（2）普通块料、大块料、长板边采用捆绑法制备自耗电极。需配料时通过油压机压制电极块，电极块中添加需配的添加剂，经焊接后在电极块外围包覆返回料，采用焊接、捆扎的方法制成合格的电极。

1.2 铸锭熔炼

（1）将不同比例的碎块料返回料进行添加，采用压制法制备成自耗电极，熔炼出不同规格的TC4和TA15钛合金铸锭，铸锭的熔炼方案见表2。

（2）铸锭表面扒皮后，头、上、中、下、底5点，头部切断面13点，取样分析化学成分，取样示意图见图3。

表2 TC4和TA15钛合金铸锭熔炼方案

2 结果与分析

2.1 电极制备结果与分析

碎块料尺寸不大于30mm，接近正常粒度海绵钛尺寸，不影响原料输送和均匀混料，是较为理想的返回料，可以用于高质量重要用途铸锭的添加。与海绵钛相比，碎块料返回料具有强度高、塑性差等特点。

在试验过程中发现：（1）碎块料返回料在压制过程中变形很小，与海绵钛基体的结合力随着添加比例的增加而降低，电极的整体强度也因此快速下降。碎块料添加比例≤20%时电极块成型良好，几乎不影响后续电极焊接；添加比例达到25%时，电极块上发现有返回料块料少量富集的现象，电极强度仍可满足后续焊接，添加比例达到30%时（图4a），电极块中返回料富集现象出现频次明显较高，同种原料的富集会给电极的均匀性带来负面影响，更严重的问题是返回料出现在电极块的边角处时，电极块出现掉角并导致后续焊接困难，电极强度已不能保证熔炼过程平稳顺利的完成。（2）返回料以短板形式添加可行，但添加比例不高。添加比例为10%时，电极成型良好；添加比例为15%时，电极块出现轻微裂纹等现象，但电极强度仍可满足后续焊接和熔炼；添加比例到16%时（图4b），电极块裂纹明显，已不能直接经焊接后进行熔炼，需将裂纹进行焊接处理后再进行铸锭熔炼；当添加比例达到20%时，电极成型已出现问题，或裂纹较大，或短板不能压入电极块中，影响后续工序生产。（3）长板边、大块料、普通块料通过捆绑法的添加比例非常高，理想情况下可实现100%添加，但与压制法相比存在电极密度较小、单重小、成分均匀性差等缺陷，因此更适合于一般用途铸锭的返回料添加。

图2 捆绑电极

图3 铸锭取样示意图

表3为自耗电极可添加返回料比例的实验结果。表4为压制法和捆绑法两种添加返回料自耗电极制备方法的比较。

表3 自耗电极可添加返回料比例

图4 临界添加比例下压制电极形貌

2.2 铸锭成分均匀性分析

将制备的TC4和TA15钛合金铸锭表面5点和头部切断面13点共18点的化学元素分析结果汇总后进行标准偏差分析，分析结果见表5和表6。

从表5和表6可以看出，添加返回料的TC4和TA15铸锭杂质元素（C、N、H、O、Fe）含量虽较未添加的铸锭高，但都在标准的允许范围内，且铸锭中杂质元素的成分波动较小，可以满足使用要求。

根据表5和表6的数据绘制出了TC4和TA15钛合金铸锭的返回料添加比例与主元素标准偏差的趋势图，见图5和图6。从图5可以看出，当返回料的添加比例在20%以下时，三种规格锭型的Al元素和V元素标准偏差较小，且差距不大，表明铸锭中Al元素和V元素的成分准确性和均匀性控制较好；当添加比例达到25%时，Φ940mm铸锭的标准偏差增加趋势明显，Al元素和V元素的成分准确性和均匀性变差。从图6可以看出，在返回料添加20%以下的TA15铸锭中，铸锭主元素化学成分均匀性良好。综上，考虑现行的返回料处理水平、电极制备能力和铸锭熔炼技术，为了确保铸锭的高品质，建议在实际生产中采用20%以下的添加量为宜。

3 结束语

（1）采用压制法制备自耗电极，碎块料的适宜添加比例≤25%，短板边添加比例≤15%。采用捆绑法可以实现返回料100%添加，但电极密度较小、单重小、成分均匀性差，不适宜于重要用途铸锭的熔炼。

表5 VAR熔炼TC4铸锭化学成分分析

表6 VAR熔炼TA15铸锭化学成分分析表

图5 VAR熔炼TC4铸锭主元素标准偏差趋势

（2）VAR法添加碎块料熔炼TC4和TA15铸锭可以获得高品质的铸锭，但为了保持铸锭的成分均匀性和稳定性，采用20%以下的添加量为宜。