CN115627369A - 一种eb炉熔炼海绵钛块切片生产纯钛ta1的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种EB炉熔炼海绵钛块切片生产纯钛TA1的方法，属于钛合金熔炼技术领域。本发明所述方法通过改变进料筒中海绵钛块切片的摆放方法，具体为，将颗粒状的海绵钛原料压制成海绵钛块，并将其切片成圆饼状材料，然后将切片呈现“品字形”摆放在进料筒中，接着通过进料筒加料，最后通过传送带将原料运至坩埚内，并在坩埚内通过电子束枪对切片材料进行熔炼。本发明将颗粒状的海绵钛原料压制成海绵钛块，提高了生产效率，且无需添加新的设备将海绵钛块破碎成较小尺寸的块状材料以提高其均匀性，而仅需要将海绵钛块切片，并改变片状物料的摆放方法，便可得到高纯度、成分均匀性好、表面质量好的纯钛TA1铸锭，为后续高品质TA1钛材提供优质原料，扩大TA1钛材应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种EB炉熔炼海绵钛块切片生产纯钛TA1的方法，属于钛合金冶炼技术领域。
背景技术
钛及钛合金具有低密度、质轻、生物相容性好、及优异的综合力学性能等优点，在航空航天、海洋舰船、武器装备、化工等领域具有广阔的应用前景，其中工业纯钛因其具有高强度、可加工性强及良好的耐蚀性等优点，越来越受到人们的关注。随着中国制造2025的推进实施，对于钛及钛合金产品的应用需求逐渐增加，但是由于成本较高、成分不均匀，限制了钛材进一步的推广和应用，所以降低钛及钛合金熔炼制坯的成本，提高坯料的成分均匀性，成为目前主要的技术研究方向。
钛及钛合金传统的熔炼方式为真空自耗电弧熔炼（VAR），将原料配料后混料并压制组焊电极，经2~3次VAR熔炼为圆锭，再经锻造打磨后获得轧制板材所需的方坯，其制造工序流程长、成本高、损耗大。原材料中含有的杂质及高低夹杂物会直接进入铸锭中，难以有效的剥离，得到的纯钛及钛合金中存在高、低密度夹杂物，宏观偏析等缺陷，会影响其实际应用的性能。电子束冷床熔炼（EBCHM）技术除了能比较好的消除高、低密度夹杂外，还能大量回收残料从而实现低成本生产，并且经过一次熔炼后可直接生产扁锭，不需经过锻造，铣面后获得可用于直接轧制的方坯，流程短、损耗小、工艺简便。除此之外，与VAR技术相比，EBM熔炼过程对坯料的机械强度几乎没有要求，块状坯料、片状坯料等都可以被用作初始炉料，并且原料可采用海绵钛等散装料，从而降低其生产成本。现有的EB炉熔炼技术有垂直进料和水平进料两种方式，垂直进料方式适用于纯钛TA1的熔炼，而水平进料方式对钛合金的熔炼效果较好。不同的进料方式有着不同的技术特点，例如，原料垂直进给减少了蒸发金属的损失，改善了提纯条件，从而获得高纯度的铸锭；而水平进给***通过消除对于机械强度的要求，增强了设备的技术兼容性。
现今，一种常用的电子束冷床炉（EB炉）熔炼技术是采用电子束坩埚熔炼，这种技术通过将熔化的金属收集在一个特殊的坩埚内，然后倒入结晶器中，其中1#电子束枪主要负责坩埚内原料的熔炼，其余2#、3#、4#电子束枪负责后续的精炼过程。通过这种方式，熔融的金属可以继续被附加的感应加热，并通过电磁搅拌，继续增加熔炼金属的纯度。在进行原料的准备时，通常直接将颗粒状的海绵钛原料放入进料筒中直接加料，然而通过压块机将块状原料压制成海绵钛块可以增加单次加料的数量，提高其生产效率。由于海绵钛块尺寸较大，可以将海绵钛块切片成圆饼状的材料以放入进料空间内，但是切片的中心部位的纯度较高而边缘表皮部位的杂质较多，因此，在进料时摆放方式对于生产出的铸锭的成分具有一定的影响。现在通过利用一种垂直进料筒中海绵钛块切片的摆放方法，从而实现得到生产效率高、高纯度、缺陷较少、成分均匀性好的纯钛TA1铸锭，为后续生产提供纯度高、成分均匀的铸锭。
发明内容
本发明的目的在于提供一种EB炉熔炼海绵钛块切片生产纯钛TA1的方法，包括以下步骤：
（1）将颗粒状的海绵钛原料通过压块机压制成海绵钛块。
（2）将海绵钛块切片成半径为R、厚度为R/3的圆饼状材料，然后放入进料空间内。
（3）在进料筒中将切片进行摆放，摆放方式为：第一层为两个，第二层为一个，两层切片材料呈现“品字形”摆放，第三层为两个，第四层为一个......，以此类推，最上层为一个，重复摆放多层为一组，在进料筒中均匀摆放多组。
其中，第一层切片中相邻两个切片间距L1: R/2-3R/2；第一、二层切片圆心相距L2:5R/4-7R/4，第一层切片的圆心与第二层切片的边缘相距L3:R/4-3R/4，第二层切片的圆心与第一层切片的边缘相距L4: R/4-3R/4。
（5）通过进料筒内的旋转进料板以缓慢的速度向前推进，沿着垂直方向进给加料。
（6）通过传送带将原料运至坩埚内，设备进行密封并抽真空。
（7）通过电子束枪在坩埚内进行熔炼。
优选的，本发明步骤（2）中圆饼状材料半径的范围为0.5m≤R≤0.8m。
优选的，本发明步骤（5）中沿着垂直方向的推进速度范围为0.02m/s-0.05m/s。
优选的，本发明步骤（6）中熔炼室真空度为2×10-5Pa-3×10-5Pa。
优选的，本发明步骤（7）中1#电子枪功率为500-550kW。
本发明的原理：在使用EBCHM技术熔炼时，发明人发现通过改变进料筒中的海绵钛块切片的摆放方法，可以得到纯度较高、成分均匀性较好的铸锭；由于海绵钛块切片的中心部位的纯度较高而边缘表皮部位的杂质较多，因此，在进料时摆放方式对于生产出的铸锭的成分具有一定的影响。将物料采用上述“品字形”排列并在坩埚内熔炼的过程中，电子束分别扫描在切片的“表皮-中心-表皮-中心-表皮-中心-表皮”，这使得物料的成分分布较为均匀，有效改善了由于切片成分分布的不均匀而造成熔炼时的成分偏析；从而实现在物料熔炼的过程中，通过对成分均匀性的独立控制，实现铸锭成分的结构调整。
本发明的有益效果：
（1）本发明通过将较大尺寸的海绵钛块进行切片，不需要添加新的设备将海绵钛块破碎成较小尺寸的块状材料以提高其均匀性，从而提高成品铸锭的均匀性，仅需要改变进料筒中片状物料的摆放方式便可得到纯度高、成分均匀性好、表面质量好的纯钛TA1铸锭，提高了生产效率，降低了生产成本，改善了由于切片成分分布的不均匀而造成熔炼时的成分偏析，为后续的加工处理提供了较好的铸锭。
（2）本发明采用EB炉单次熔炼得到的扁锭，不需经过锻造，铣面后获得可用于直接轧制的方坯，流程短、损耗小、工艺简便，而传统真空自耗电弧炉(VAR)需要熔炼2-3次获得，并且EB炉熔炼能够有效的降低高、低密度夹杂物；因此采用电子束冷床熔炼（EBCHM）技术熔炼，能够获得纯度高、成分均匀性好、制造成本低的大规格铸锭。
附图说明
图1为海绵钛块经过切片后得到的圆饼状材料。
图2为本发明实施例的流程图。
图3为本发明对比实施例1的流程图。
图4为本发明实施例1制备的TA1铸锭。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
一种EB炉熔炼海绵钛块切片生产纯钛TA1的方法，具体步骤如下（见图2）：
（1）将颗粒状的海绵钛原料通过压块机压制成海绵钛块。
（2）将海绵钛块切片成半径为R、厚度为R/3的圆饼状材料，然后放入进料空间内，圆饼状材料半径的范围为0.5m≤R≤0.8m。
（3）在进料筒中将切片进行摆放，摆放方式为：第一层为两个，第二层为一个，两层切片材料呈现“品字形”摆放，第三层为两个，第四层为一个......，最上层为一个，重复摆放六层为一组，在进料筒中均匀摆放多组。
其中，第一层切片中相邻两个切片间距L1:R/2；第一、二层切片圆心相距L2:5R/4，第一层切片的圆心与第二层切片的边缘相距L3:R/4，第二层切片的圆心与第一层切片的边缘相距L4:R/4。
（4）通过进料筒内的旋转进料板以缓慢的速度向前推进，沿着垂直方向进给加料，推进速度为0.02m/s-0.05m/s。
（5）通过传送带将原料运至坩埚内，设备进行密封并抽真空，熔炼室真空度为2×10-5Pa-3×10-5Pa。
（6）通过电子束枪在坩埚内进行熔炼，1#电子枪功率为500-550kW。
O元素是纯钛TA1用EB炉熔炼铸锭控制成分均匀性的主要元素之一，经过实施例1所述物料摆放方法熔炼铸锭的不同部位的O元素含量如表1所示，由表可知，经此工艺得到的铸锭头部、中部、尾部的O元素含量差别较小，其成分均匀性较好。
表1实施例1制备的纯钛TA1铸锭O元素成分含量（质量分数，%）
图4为实施例1制备的TA1铸锭，由图可以看出，其表面波纹较小且整齐，表面质量较好。
实施例2
一种EB炉熔炼海绵钛块切片生产纯钛TA1的方法，具体步骤如下（见图3）：
（1）将颗粒状的海绵钛原料通过压块机压制成海绵钛块。
（2）将海绵钛块切片成半径为R、厚度为R/3的圆饼状材料，然后放入进料空间内，圆饼状材料半径的范围为0.5m≤R≤0.8m。
（3）在进料筒中将切片进行摆放，摆放方式为：第一层为两个，第二层为一个，两层切片材料呈现“品字形”摆放，第三层为两个，第四层为一个......，最上层为一个，重复摆放六层为一组，在进料筒中均匀摆放多组。
其中，第一层切片中相邻两个切片间距L1:R；第一、二层切片圆心相距L2:3R/2，第一层切片的圆心与第二层切片的边缘相距L3:R/2，第二层切片的圆心与第一层切片的边缘相距L4:R/2。
（4）通过进料筒内的旋转进料板以缓慢的速度向前推进，沿着垂直方向进给加料，推进速度为0.02m/s-0.05m/s。
（5）通过传送带将原料运至坩埚内，设备进行密封并抽真空，熔炼室真空度为2×10-5Pa-3×10-5Pa。
（6）通过电子束枪在坩埚内进行熔炼，1#电子枪功率为500-550kW。
经过实施例2所述物料摆放方法熔炼铸锭的不同部位的O元素含量如表2所示，由表可知，经此工艺得到的铸锭头部、中部、尾部的O元素含量差别较小，其成分均匀性较好。
表2实施例2制备的纯钛TA1铸锭O元素成分含量（质量分数,%）
实施例3
一种EB炉熔炼海绵钛块切片生产纯钛TA1的方法，具体步骤如下（见图4）：
（1）将颗粒状的海绵钛原料通过压块机压制成海绵钛块。
（2）将海绵钛块切片成半径为R、厚度为R/3的圆饼状材料，然后放入进料空间内，圆饼状材料半径的范围为0.5m≤R≤0.8m。
（3）在进料筒中将切片进行摆放，摆放方式为：第一层为两个，第二层为一个，两层切片材料呈现“品字形”摆放，第三层为两个，第四层为一个......，最上层为一个，重复摆放六层为一组，在进料筒中均匀摆放多组。
其中，第一层切片中相邻两个切片间距L1:3R/2；第一、二层切片圆心相距L2:7R/4，第一层切片的圆心与第二层切片的边缘相距L3:3R/4，第二层切片的圆心与第一层切片的边缘相距L4: 3R/4。
（4）通过进料筒内的旋转进料板以缓慢的速度向前推进，沿着垂直方向进给加料，推进速度为0.02m/s-0.05m/s。
（5）通过传送带将原料运至坩埚内，设备进行密封并抽真空，熔炼室真空度为2×10-5Pa-3×10-5Pa。
（6）通过电子束枪在坩埚内进行熔炼，1#电子枪功率为500-550kW。
经过实施例3所述物料摆放方法熔炼铸锭的不同部位的O元素含量如表3所示，由表可知，经此工艺得到的铸锭头部、中部、尾部的O元素含量差别较小，其成分均匀性较好。
表3实施例3制备的纯钛TA1铸锭O元素成分含量（质量分数,%）
对比实施例1
常规EB炉熔炼海绵钛原料生产纯钛TA1的具体步骤如下：
（1）将颗粒状的海绵钛原料通过压块机压制成海绵钛块。
（2）将海绵钛块互相堆叠在一起，放入进料空间内。
（3）通过进料筒内的旋转进料板向前推进，沿着垂直方向进给加料。
（4）通过传送带将原料运至坩埚内，设备进行密封并抽真空。
（5）通过电子束枪在坩埚内进行熔炼。
经过对比例1所述方法熔炼铸锭的不同部位的O元素含量如表4所示。由表可知，实施例1与对比例1相比较，其杂质O元素的含量较少，这表明采取实施例1方法可获得纯度高、成分均匀性好、表面质量好的纯钛TA1铸锭。
表4对比例1制备的纯钛TA1铸锭O元素成分含量(质量分数，%)
采用实施例1的方法，使得物料的成分分布更加均匀，有效改善了由于切片成分分布的不均匀而造成熔炼时的成分偏析，并通过将海绵钛原料通过压块机压制成坨，然后通过切片并改变在进料筒内的摆放方式，提高了生产效率；而且无需添加新的设备将海绵钛块破碎成较小尺寸的块状材料以提高其均匀性，便获得了纯度高、成分均匀性好、表面质量好的纯钛TA1铸锭，降低了生产成本。
Claims (5)
1.一种EB炉熔炼海绵钛块切片生产纯钛TA1的方法，其特征在于：对海绵钛块切片进行特殊的摆放，包括以下步骤：
（1）将颗粒状的海绵钛原料通过压块机压制成海绵钛块；
（2）将海绵钛块切片成半径为R、厚度为R/3的圆饼状材料，然后放入进料空间内；
（3）在进料筒中将切片进行摆放，摆放方式为：第一层为两个，第二层为一个，两层切片材料呈现“品字形”摆放，第三层为两个，第四层为一个......，以此类推，最上层为一个，重复摆放多层为一组，在进料筒中均匀摆放多组；
其中，第一层切片中相邻两个切片间距L1:R/2-3R/2；第一、二层切片圆心相距L2:5R/4-7R/4，第一层切片的圆心与第二层切片的边缘相距L3:R/4-3R/4，第二层切片的圆心与第一层切片的边缘相距L4:R/4-3R/4；
（5）通过进料筒内的旋转进料板以缓慢的速度向前推进，沿着垂直方向进给加料；
（6）通过传送带将原料运至坩埚内，设备进行密封并抽真空；
（7）通过电子束枪在坩埚内进行熔炼。
2.根据权利要求1所述EB炉熔炼海绵钛块切片生产纯钛TA1的方法，其特征在于：步骤（2）圆饼状材料半径的范围为0.5m≤R≤0.8m。
3.根据权利要求1所述EB炉熔炼海绵钛块切片生产纯钛TA1的方法，其特征在于：步骤（5）中沿着垂直方向的推进速度范围为0.02m/s-0.05m/s。
4.根据权利要求1所述EB炉熔炼海绵钛块切片生产纯钛TA1的方法，其特征在于：步骤（6）中熔炼室真空度为2×10-5Pa-3×10-5Pa。
5.根据权利要求1所述EB炉熔炼海绵钛块切片生产纯钛TA1的方法，其特征在于：步骤（7）中1#电子枪功率为500-550kW。
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