CN102618733A - 一种纯钛块状废料的熔炼回收方法 - Google Patents

Abstract

本发明介绍了一种纯钛块状废料的熔炼回收方法，使用6个电子枪的电子束冷床炉，将选定成分的原料装入电子束冷床炉的进料器，进行熔炼，然后将得到的铸锭冷却出炉，即可得到成品。本发明直接使用TA1回收料进行熔炼，避免了废料破碎，电极块压制，电极的焊制。单锭熔炼每天单台设备可熔炼9个棒料总重约6.5吨，双锭熔炼每天单台设备可熔炼18个棒料总重约13吨，极大的提高了回收效率和速度。

Description

一种纯钛块状废料的熔炼回收方法

技术领域

本发明涉及一种材料加工技术，特别是一种纯钛块状废料的熔炼回收方法。

背景技术

钛材广泛用于化工、石油、冶金、电力、船舶等工业部门，作为成本较高的一种材料，废料回收是每个钛加工企业控制成本的必须途径，现有技术主要是通过真空电弧炉（VAR）进行回收熔炼，该种方法需要将块状钛废料破碎成屑状并与海绵钛混合，再压制成电极块，然后焊接，进行真空电弧炉（VAR）熔炼，不但原料加工费用高，而且压制成电极时使用的比例也受限制，工序复杂，流程长，且废料利用率低，废料中的高低密度夹杂在VAR炉熔炼中很难清除，为回收料的利用埋下了隐患。

海绵钛的制造成本高是钛加工材价格高的原因之一。所以，回收钛废料是降低成本的途径之一。VAR法生产铸锭时因为要压制电极，为了保证电极的连接强度，所以电极中最多能添加30%的残料。采用VAR炉需要进行多次熔炼才能获得成分均匀的铸锭。

钛是活性金属，在高温下极容易与氧、氮等气体反应，使金属钛被污染而失去原有的良好工艺性能及力学性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种纯钛块状废料的熔炼回收方法，提高块状废料的利用率，缩短制造工艺流程、提高生产效率、降低成本，有效清除废料中的高低密度夹杂，提高废料回收熔炼的质量品质。

为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：

一种纯钛块状废料的熔炼回收方法，包括使用具有6个电子枪的电子束冷床炉，其中1#、2#电子枪工作区域为熔炼冷床，3#、4#电子枪工作区域为精炼冷床，5#、6#电子枪工作区域为溢流冷床和1#、2#结晶器，其中5#枪对应1#结晶器，6#枪对应2#结晶器，，1#、2#、3#枪由1#电脑的GIP程序控制，4#、5#、6#枪由2#电脑的GIP程序控制，两台电脑的GIP程序分别设定电子枪步骤，其特征在于：

（1）、将TA1回收料喷砂酸洗后，装入钛制棒料盒内放入电子束冷床炉的棒料进料器内或将回收料直接通过上料***装入电子束冷床炉的转鼓加料器中。

（2）、将电子束冷床炉的熔炼室、加料室和拉锭室抽真空至（1～8）×10^-2Pa。（3）、然后打开拉锭室板阀，将拉锭底垫升入水冷铜坩埚中。

（4）、随后每次加料都需重新进行放气，上料，抽真空至（1～8）×10^-2Pa。

（5）、打开1#、2#、3#、4#、5#、6#电子枪，选择“电子束定位”步骤，对各个电子枪工作状态和频闪观察仪的清晰程度及角度进行确认。

（6）、将1#、2#、3#、4#、5#、6#电子枪GIP调至“预热”步骤，对熔化冷床、精炼冷床或溢流冷床中的钛凝壳进行缓慢预热使其缓慢膨胀。

（7）、待凝壳上形成熔池通道，开始将1#、2#、3#、4#、5#、6#枪GIP调至“电流测试步骤”，对电子枪所能够达到的最大发射电流进行测试；通过电流测试，确认电子枪在大电流下的工作状态。这是由于该步骤之后电子枪功率大的多，通过电流测试确认电子枪在大电流下的工作状态，可以避免因电子枪在大电流下工作不稳定而造成的扁锭质量问题。

（8）、将1#、2#、3#电子枪GIP调至“持续熔炼”步骤，利用大电流对原料进行熔化。该步骤通过1#、2#、3#枪在持续进料状态下，对原料进行熔化，该步骤工艺图形的设置及优化，直接决定了熔化速率，可以通过电子枪扫描图形优化来提高熔化效率。

（9）、待钛液流至坩埚处，将4#、5#、6#电子枪GIP调至“填充坩埚”步骤，调高5#、6#电子枪的能量，先将坩埚底垫填充满，将4#、5#、6#电子枪GIP调至“持续熔炼”步骤，提高1#、2#、3#枪的熔炼速率，并且设置5#、6#枪的能量，使坩埚钛液的过热度在200℃，然后开始自动拉锭。

“填充坩埚”步骤通过调高5#、6#电子枪的能量，提高填充坩埚过程中扁锭的质量，避免了因质量问题而必须切除扁锭尾部，采用此步骤之后，扁锭尾部仅需少量切除即可。“持续熔炼”步骤通过提高1#、2#、3#枪的熔炼速率，并且设置5#、6#枪的能量，使坩埚钛液的过热度在200℃，保证扁锭表面良好质量及减小内部晶粒大小。 “持续熔炼”步骤是指钛液流入坩埚状态下，电子枪对坩埚的扫描工艺步骤。

（10）、在持续熔炼过程中，“持续熔炼”步骤内5#、6#枪的设置程序中也有清边图形，不断的对坩埚边部进行扫描。以防止边部生长的钛冷凝物掉入坩埚中形成冷凝物夹杂，从而影响到扁锭的内部质量。

（11）、若持续熔炼过程中，由于设备原因造成熔炼中断，则将1#、2#、3#电子枪GIP调至“预热”步骤，将4#、5#、6#电子枪GIP调至“熔炼中断持续加热步骤”，56#枪对扁锭顶部持续加热。待设备恢复后，接着持续熔炼，并且断流接缝处不影响最终钛锭的质量。此步骤的实施，消除了断流对扁锭质量的影响，避免了因断流而造成的残次品。

（12）、待拉锭长度达到需要的长度，停止进料，并关闭1#、2#、3#、4#电子枪，留5#、6#电子枪。

（13）、将4#、5#、6#电子枪GIP调至“清边”步骤使用清边扫描图形对坩埚流道及坩埚边部进行清理。

（14）、将4#、5#、6#电子枪GIP调至“热封顶”步骤对扁锭顶部进行热封顶，使其缓慢冷却，防止快速冷却而造成内部的缩孔缩松。此步骤的创造性在于消除了扁锭顶部因质量原因而必须切除的缺陷，采用此步骤之后，扁锭顶部可以不进行切除。

（15）、热封顶完毕，所有电子枪停止工作，真空***保持运行，扁锭在拉锭室内冷却10个小时以上，然后开炉放气，进行出锭。

具体的，本专利的电子束冷床炉为EBCHR 6/200/3600型电子束冷床炉，EBCHR代表电子束冷床熔炼炉， 6代表6把电子枪，200代表200000升/秒的抽气速度，3600代表3600KW最大电子枪功率。

本专利所述的GIP即电子枪程序控制界面程序。

VAR法生产铸锭时因为要压制电极，为了保证电极的连接强度，所以电极中最多能添加30%的残料，而电子束冷床熔炼进料方式不受限制，因此可100%回收残料，这样可以大大降低钛材生产成本。采用VAR炉需要进行多次熔炼才能获得成分均匀的铸锭，而电子束冷床炉熔炼一次即可。经电子束冷床炉制造的钛锭化学成分均匀，杂质含量低，表面质量好。钛锭规格为1290x200mm的扁锭，经3~5mm铣床扒皮后，可直接用于热轧板坯，提高了得料率。板坯平面度和直线度均优于锻造板坯。由于钛的高化学活性，在热加工过程中不可避免的会增加氧含量，TA1废料熔炼出的钛锭一般可作为TA2使用，其成分控制可以达到下表1的规定。

  表1

通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：

本发明直接使用TA1回收料进行熔炼，避免了废料破碎，电极块压制，电极的焊制。棒料回收箱只需将5块3-5mm厚的纯钛板对接成450*450*1600mm的盒子，然后点焊即可，焊制简单，1个盒子2小时即可完成制作。焊制完成后将回收料直接放入棒料箱，每个承重500~1200kg，单锭熔炼每天单台设备可熔炼9个棒料总重约6.5吨，双锭熔炼每天单台设备可熔炼18个棒料总重约13吨，极大的提高了回收效率和速度。

现有技术的VAR炉，回收料破碎、电极块压制、电极的焊制需要较长时间，且耗费大量人力物力，每炉熔炼1根电极重量仅为150Kg，每天5炉熔炼产能只能达到750kg，且由于回收料杂质成分多，VAR炉无法做到精炼去除杂质的效果；且熔炼出的钛锭需要经过锻造扒除氧化皮后才能够进行热轧，得料率较低。

具体实施方式

实施例1：单锭熔炼。

原材料：块状TA1回收料。

设备：EBCHR 6/200/3600型电子束冷床炉。

回收料化学成分要求为表2所示。

表2

实际熔炼工艺：

A.将TA1回收料喷砂酸洗后，装入450x450x1600mm的钛制棒料盒内放入电子束冷床炉棒料进料器内。

B.将电子束冷床炉的熔炼室、棒料加料室和拉锭室抽真空至4x 10-2Pa，然后打开拉锭室板阀，将拉锭底垫升入水冷铜坩埚中。

C.打开1#、2#、3#、4#、5#电子枪，选择“电子束定位”步骤，对各个电子枪工作状态和频闪观察仪的清晰程度及角度进行确认。

D.将1#、2#、3#和4#、5#、6#电子枪GIP调至“预热”步骤对熔化冷床、精炼冷床或溢流冷床中的钛凝壳进行缓慢预热使其缓慢膨胀。

E.待凝壳上形成熔池通道，开始将1#、2#、3#、4#、5#、6#枪GIP调至“电流测试步骤”，对电子枪所能够达到的最大发射电流进行测试。

F.将1#、2#、3#电子枪GIP调至“持续熔炼”步骤，利用大电流对原料进行熔化；

G.待钛液流至坩埚处，将4#、5#、6#电子枪GIP调至“填充坩埚”步骤，先将坩埚底垫填充满，将4#、5#、6#电子枪GIP调至“持续熔炼”步骤，然后开始自动拉锭。

H.在持续熔炼过程中，“持续熔炼”步骤内5#枪中有清边图形，不断的对坩埚边部进行扫描，以防止边部生长的钛冷凝物掉入坩埚中形成冷凝物夹杂，从而影响到扁锭的内部质量。

I.若持续熔炼过程中，由于设备原因造成熔炼中断，则将1#、2#、3#电子枪GIP调至“预热”步骤，将4#、5#、6#电子枪GIP调至“熔炼中断持续加热步骤”，5#枪对扁锭顶部持续加热。

J.待拉锭长度达到需要的长度，停止进料，并关闭1#、2#、3#、4#电子枪，留5#电子枪。

K.将4#、5#、6#电子枪GIP调至“清边”步骤使用专用扫描图形对坩埚流道及坩埚边部进行清理。

L.将4#、5#、6#电子枪GIP调至“热封顶”步骤对扁锭顶部进行热封顶，使其缓慢冷却，防止快速冷却而造成内部的缩孔缩松。

M.热封顶完毕，所有电子枪停止工作，真空***保持运行，扁锭在拉锭室内冷却10个小时以上，然后开炉放气，进行出锭，出锭规格为200*1290*5600mm。

熔炼出的扁锭化学成分分析如下表3。

表3

部位	Fe	C	N	H	O
						上	0.0140	0.0270	0.0066	0.0010	0.1030
中	0.0160	0.0360	0.0054	0.0010	0.1030
						下	0.0120	0.0270	0.0067	0.0010	0.0980
均值	0.0140	0.0300	0.0062	0.0010	0.1013

    熔炼出的扁锭表面质量良好，化学成分均匀，铣面5mm后表面良好，超声探伤内部无超标缺陷。

 

实施例2：双锭熔炼

原材料：块状TA1回收料。

设备：EBCHR 6/200/3600型电子束冷床炉。

回收料化学成分要求如表4。

表4

    实际熔炼工艺：

A.    将规格在100mm左右的TA1回收料块喷砂酸洗后，装入料筒，通过上料小车装入电子束冷床炉转鼓加料器。

B.    将电子束冷床炉的熔炼室、振动加料室、转鼓加料器和拉锭室抽真空至4x 10-2Pa，然后打开拉锭室板阀，将拉锭底垫升入水冷铜坩埚中。

C.    将振动加料室板阀打开，将振动加料器送料口开进熔化冷床上方，然后将转鼓加料器板阀打开，使进料***处于准备状态。

D.    打开1#、2#、3#、4#、5#、6#电子枪，选择“电子束定位”步骤（，对各个电子枪工作状态和频闪观察仪的清晰程度及角度进行确认。

E.    将1#、2#、3#和4、5、6#电子枪GIP调至“预热”步骤对熔化冷床、精炼冷床或溢流冷床中的钛凝壳进行缓慢预热使其缓慢膨胀。

F.    将振动加料器的“振动器”打开，然后将转鼓加料器电机打开，开始少许进料以确认进料无误，然后停止进料。

G.    待凝壳上形成熔池通道，开始将1#、2#、3#、4#、5#、6#枪GIP调至“电流测试步骤”，对电子枪所能够达到的最大发射电流进行测试。

H.    将1#、2#、3#电子枪GIP调至“持续熔炼”步骤，利用大电流对原料进行熔化。

I.     打开转鼓加料器电机开始进料，并根据进料量的多少进行启停。熔化冷床内不能堆积太多废料以免溢出。

J.     待钛液流至坩埚处，将4#、5#、6#电子枪GIP调至“填充坩埚”步骤，先将坩埚底垫填充满，将4#、5#、6#电子枪GIP调至“持续熔炼”步骤，然后开始自动拉锭。

K.    在持续熔炼过程中，“持续熔炼”步骤内5#、6#枪有清边图形，不断的对坩埚边部进行扫描，以防止边部生长的钛冷凝物掉入坩埚中形成冷凝物夹杂，从而影响到扁锭的内部质量。

L.    若持续熔炼过程中，由于设备原因造成熔炼中断，则将1#、2#、3#电子枪GIP调至“预热”步骤，将4#、5#、6#电子枪GIP调至“熔炼中断持续加热步骤”，5#6#枪对扁锭顶部持续加热。

M.   待拉锭长度达到需要的长度，停止进料，并关闭1#、2#、3#、4#电子枪，留5#、6#电子枪。

N.    将4#、5#、6#电子枪GIP调至“清边”步骤使用专用扫描图形对坩埚流道及坩埚边部进行清理。

O.    将4#、5#、6#电子枪GIP调至“热封顶”步骤对扁锭顶部进行热封顶，使其缓慢冷却，防止快速冷却而造成内部的缩孔缩松。

热封顶完毕，所有电子枪停止工作，真空***保持运行，扁锭在拉锭室内冷却10个小时以上，然后开炉放气，进行出锭。出锭规格为200*1290*5600mm。

熔炼出的扁锭化学成分分析如下表5。

 表5

试样编号	Fe	C	N	H	O
						上	0.0290	0.0150	0.0096	0.0010	0.0830
下	0.0260	0.0170	0.0088	0.0016	0.0850
						均值	0.0275	0.0160	0.0097	0.0013	0.0840

熔炼出的扁锭表面质量良好，化学成分均匀，铣面5mm后表面良好，超声探伤内部无超标缺陷。

对比例

原材料：块状TA1回收料。

设备：VAC-150kg。

回收料化学成分定义为表6所示。

表6

实际熔炼工艺：

A.    将TA1回收料喷砂酸洗后，进行破碎。

B.    将破碎的回收料（8%）和海绵钛混合，以18kg为单位进行电极块压制，尺寸为Φ180x200mm。

C.    将压制好的8个电极块进行氩弧焊焊接，并焊接电极头，焊接成长度1.6米，重量144kg的电极。

D.    将焊接好的电极装入VAR炉中，进行1次熔炼。并出炉冷却。

E.    对熔炼的钛锭进行二次电极头焊制。

F.    为防止大块未熔回收料在钛锭内的夹杂，及成分的偏析，对钛锭进行二次熔炼，并出炉冷却。

G.    对出炉冷却的钛锭进行冒口切除，由于钛锭表皮缩孔缩松密集，对表皮进行车床加工去皮。

H.    对去皮后的钛锭进行锻造，锻造后扒除氧化皮。

熔炼出的铸锭化学成分分析如下表7。

表7

Claims (2)

1.一种纯钛块状废料的熔炼回收方法，包括使用具有6个电子枪的电子束冷床炉，其中1#、2#电子枪工作区域为熔炼冷床，3#、4#电子枪工作区域为精炼冷床，55#、6#电子枪工作区域为溢流冷床和1#、2#结晶器，其中5#枪对应1#结晶器，6#枪对应2#结晶器，，1#、2#、3#枪由1#电脑的GIP程序控制，4#、5#、6#枪由2#电脑的GIP程序控制，两台电脑的GIP程序分别设定电子枪步骤，其特征在于：

（1）、将TA1回收料喷砂酸洗后，装入钛制棒料盒内放入电子束冷床炉的棒料进料器内或将回收料直接通过上料***装入电子束冷床炉的转鼓加料器中；

（2）、将电子束冷床炉的熔炼室、加料室和拉锭室抽真空至（1～8）×10^-2Pa；（3）、然后打开拉锭室板阀，将拉锭底垫升入水冷铜坩埚中；

（4）、随后每次加料都需重新进行放气，上料，抽真空至（1～8）×10^-2Pa；

（5）、打开1#、2#、3#、4#、5#、6#电子枪，选择“电子束定位”步骤，对各个电子枪工作状态和频闪观察仪的清晰程度及角度进行确认；

（6）、将1#、2#、3#、4#、5#、6#电子枪GIP调至“预热”步骤，对熔化冷床、精炼冷床或溢流冷床中的钛凝壳进行缓慢预热使其缓慢膨胀；

（7）、待凝壳上形成熔池通道，开始将1#、2#、3#、4#、5#、6#枪GIP调至“电流测试步骤”，对电子枪所能够达到的最大发射电流进行测试；通过电流测试，确认电子枪在大电流下的工作状态；

（8）、将1#、2#、3#电子枪GIP调至“持续熔炼”步骤，利用大电流对原料进行熔化；

（9）、待钛液流至坩埚处，将4#、5#、6#电子枪GIP调至“填充坩埚”步骤，调高5#、6#电子枪的能量，先将坩埚底垫填充满，将4#、5#、6#电子枪GIP调至“持续熔炼”步骤，提高1#、2#、3#枪的熔炼速率，并且设置5#、6#枪的能量，使坩埚钛液的过热度在200℃，然后开始自动拉锭；

（10）、在持续熔炼过程中，“持续熔炼”步骤内5#、6#枪的设置程序中也有清边图形，不断的对坩埚边部进行扫描；

（11）、若持续熔炼过程中，由于设备原因造成熔炼中断，则将1#、2#、3#电子枪GIP调至“预热”步骤，将4#、5#、6#电子枪GIP调至“熔炼中断持续加热步骤”，56#枪对扁锭顶部持续加热；待设备恢复后，接着持续熔炼，并且断流接缝处不影响最终钛锭的质量；

（12）、待拉锭长度达到需要的长度，停止进料，并关闭1#、2#、3#、4#电子枪，留5#、6#电子枪；

（13）、将4#、5#、6#电子枪GIP调至“清边”步骤使用清边扫描图形对坩埚流道及坩埚边部进行清理；

（14）、将4#、5#、6#电子枪GIP调至“热封顶”步骤对扁锭顶部进行热封顶，使其缓慢冷却，防止快速冷却而造成内部的缩孔缩松；

（15）、热封顶完毕，所有电子枪停止工作，真空***保持运行，扁锭在拉锭室内冷却10个小时以上，然后开炉放气，进行出锭。

2.根据权利要求1所述纯钛块状废料的熔炼回收方法，其特征是：所述的电子束冷床炉为EBCHR 6/200/3600型电子束冷床炉，EBCHR代表电子束冷床熔炼炉， 6代表6把电子枪，200代表200000升/秒的抽气速度，3600代表3600KW最大电子枪功率。