CN102776390B

CN102776390B - 一种高效生产钛板坯的方法

Info

Publication number: CN102776390B
Application number: CN2012102226910A
Authority: CN
Inventors: 刘茵琪; 曹恒; 朱俊杰; 陈志强; 包淑娟; 顾新盛; 李渤渤; 王树军; 贾祥亚; 王卫超
Original assignee: Luoyang Sunrui Titanium Precision Casting Co Ltd
Current assignee: Luoyang Sunrui Titanium Precision Casting Co Ltd
Priority date: 2012-07-02
Filing date: 2012-07-02
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2032-07-02
Also published as: CN102776390A

Abstract

本发明涉及一种高效生产钛板坯的方法，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散料进料器或棒料进料器，进行熔炼，然后将得到的铸锭冷却出炉，即可得到成品。本发明直接使用原始状态的原料进行熔炼，避免了回收料破碎，海绵钛混料，电极块压制，电极的焊制。通过优化设计熔炼出的扁锭为一炉两锭的200×1290×5000mm铸锭两个，重量约12吨，这种扁锭无需二次熔炼，无需锻造，可直接用于轧制，缩短了生产流程和生产周期，降低了制造成本，极大的提高了效率。

Description

一种高效生产钛板坯的方法

技术领域

本发明涉及一种材料加工技术，特别是一种高效生产钛板坯的方法。

背景技术

现有技术主要是VAR熔炼圆锭+开坯锻造的方法。通过真空自耗电弧炉（VAR）进行熔炼，该种方法需要将回收料破碎成屑状并与海绵钛混合，再压制成电极块，在真空焊箱内焊接，然后进行真空电弧炉（VAR）一次熔炼、二次熔炼甚至是三次熔炼，熔炼后的铸锭为圆锭，机加工之后进行锻造，需要再经过几个火次的锻造，将其锻造成为长方体的板坯，才能用于板材生产。且锻造板坯的平直度差，表面氧化层厚，成品率低。因此传统的方法不但原料形状受限制，加工费用高，工序复杂，流程长，且经过熔炼-锻造后，材料的利用率低。

钛属于难熔、难变形金属，因为钛的活性，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。在大气状态下进行锻造加工会形成厚厚的氧化层，且锻造板坯的尺寸精度不易控制，在轧制前进行的机加工量很大，不满足近净成形的要求。钛板坯的制造工序复杂且成材率低。海绵钛的制造成本高是钛加工材价格高的原因之一，而在加工过程中昂贵的加工费用以及材料利用率低更是钛加工材价格高的主要原因。所以，发明一种高效生产钛板坯的方法，采用原始状态的原料，降低中间过程的加工费用，获得近净成形的板坯，提高材料的利用率是提高效率、降低成本的重要途径。。

发明内容

本发明解决的解决的技术问题是介绍了一种高效生产钛板坯的方法，直接使用原始状态的原料进行熔炼，避免了回收料破碎，海绵钛混料，电极块压制，电极的焊制；采用“EB熔炼+高效生产”的工艺方法，可获得化学成分均匀，杂质含量低，表面质量好，板坯平面度和直线度均优于锻造板坯，且机加工量小，成品率高的板坯。

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：

一种高效生产钛板坯的方法，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）、将原料海绵钛、电极块、块状回收料或屑状回收料，直接通过上料系统装入电子束冷床炉的转鼓加料器中或装入钛制棒料盒内放入电子束冷床炉的棒料进料器内；其中回收料需喷砂酸洗，然后才能使用；

（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。

“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。这样，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，目的在于消除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，真空系统保持运行，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。

具体如下：本专利设计的板坯尺寸，是板坯高效的关键之一。本专利设计为一炉两锭的200×1290×5000mm铸锭两个，重量约12吨。与通常使用的400-500mm厚度的板坯相比，200mm的板坯无需再进行粗轧开坯的工序，可直接用于精轧工序。粗轧开坯的工序是指在粗轧机上由400-500mm开坯轧制至200mm，并进行表面处理的工序。

VAR法生产铸锭时必须要压制电极，只能使用经过加工的块状原料，并且为了保证电极的连接强度，添加回收料不能超过30%，所制备的电极块还需要在真空焊箱中焊接成一个大电极才能使用。而电子束冷床熔炼进料方式不受限制，可使用海绵钛、电极块、块状回收料或屑状回收料等原始状态的原料，并且可以使用100%回收料，这样可以降低钛材生产成本和前期加工成本。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。VAR炉熔炼后的铸锭为圆锭，机加工之后进行锻造，需要再经过几个火次的锻造，将其锻造成为长方体的板坯，才能用于板材生产。电子束冷床炉熔炼出了设计尺寸的扁锭，可直接用于板材的生产。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200×1290×5000mm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。

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。

本发明突破传统的板坯制造方法即“VAR熔炼圆锭+开坯锻造”工艺方法，介绍的一种高效生产钛板坯的方法，使用6个电子枪的电子束冷床炉，将选定成分的原料（海绵钛、电极块、块状回收料或屑状回收料等）装入电子束冷床炉的散料进料器或棒料进料器，进行熔炼，然后将得到的铸锭冷却出炉，即可得到成品。本发明直接使用原始状态的原料进行熔炼，避免了回收料破碎，海绵钛混料，电极块压制，电极的焊制。通过优化设计熔炼出的扁锭为一炉两锭的200×1290×5000mm铸锭两个，重量约12吨，这种扁锭无需二次熔炼，无需锻造，可直接用于轧制，缩短了生产流程和生产周期，降低了制造成本，极大的提高了效率。采用“EB熔炼+高效生产”的工艺方法，可获得化学成分均匀，杂质含量低，表面质量好，板坯平面度和直线度均优于锻造板坯，且机加工量小，成品率高的板坯。

通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：

本发明直接使用海绵钛、块状回收料和屑状回收料等原始状态的原料进行熔炼，避免了废料破碎，电极块压制，电极的焊制。海绵钛的使用：单锭熔炼每天熔炼30桶，每桶200 kg，可熔炼6吨海绵钛；双锭熔炼每天熔炼60桶，每桶200 kg，可熔炼12吨海绵钛；回收料的使用：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；并且熔炼出的扁锭经过3~5mm铣床扒皮后，可直接用于热轧板坯，极大的提高了效率。

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，以压制电极而言，每天可压制200块，每块10-20kg，可准备原料2-4吨；每炉熔炼1根电极重量为150Kg，每天5炉熔炼产能只能达到750kg，且熔炼出的钛锭还需要经过多火次的锻造，扒除氧化皮后才能够进行热轧，得料率也低。

采用本专利高效生产钛板坯的方法，板坯成品率比传统的真空自耗熔炼+锻造工艺提高约10%；效率也提高数倍。

TA1板坯化学成分满足《GBT3620.1-2007钛及钛合金牌号和化学成分》，其成分控制可以达到下表的规定。单边扒皮量≤5mm，平直度≤3mm/5m。

表1

用该板坯生产的热轧板和冷轧板均满足《GBT3621-2007钛及钛合金板材》，其性能见下表。

表2 热轧纯钛板拉伸测试结果。

取样方向	屈服强度/ MPa	抗拉强度/ MPa	延伸率
				指标	140～310	≥240	≥30
横向拉伸试样	270	345	40%
				纵向拉伸试样	250	350	39.5%

表3 冷轧纯钛板拉伸测试结果。

取样方向	屈服	抗拉	延伸率	弯曲性能
					指标	140～310	≥240	≥30
横向拉伸测试	300	365	47.5	合格
					纵向拉伸测试	250	370	50	合格

具体实施方式

实施例1：单锭熔炼

原材料：1级海绵钛。

设备：EBCHR 6/200/3600型电子束冷床炉。

海绵钛化学成分要求为表4所示。

表4

实际熔炼工艺：

A.将30桶符合成分要求的海绵钛准备好，分三次上料，每次上料用10桶，放入电子束冷床炉转鼓进料器内。

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，使进料系统处于准备状态。

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，真空系统保持运行，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*5000mm。

熔炼出的扁锭化学成分分析如下表5。

表5

部位	Fe	C	N	H	O
						上	0.034	0.023	0.005	0.001	0.074
中	0.033	0.020	0.005	0.001	0.060
						下	0.025	0.022	0.005	0.001	0.069
均值	0.031	0.022	0.005	0.001	0.068

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：0级海绵钛。

设备：EBCHR 6/200/3600型电子束冷床炉。

海绵钛化学成分要求如表6。

表6

实际熔炼工艺：

A.将60桶符合成分要求的海绵钛准备好，分六次上料，每次上料用10桶，放入电子束冷床炉转鼓进料器内。

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。

熔炼出的扁锭化学成分分析如下表7。

表7

试样编号	Fe	C	N	H	O
						上	0.0190	0.0100	0.0050	0.0014	0.0380
下	0.0200	0.0140	0.0050	0.0010	0.0420
						均值	0.0180	0.0170	0.0053	0.0013	0.0500

实施例3：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8所示。

表8

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，真空系统保持运行，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9。

表9

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

对比例

原材料：1级海绵钛和TA1回收料。

设备：VAC-150kg。

化学成分定义为表10所示。

表10

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11。

表11

Claims

1.一种高效生产钛板坯的方法，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#电子枪对应1#结晶器，6#电子枪对应2#结晶器，1#、2#、3#电子枪由1#电脑的GIP控制，4#、5#、6#电子枪由2#电脑的GIP控制，两台电脑的GIP分别设定电子枪步骤，其特征在于：

（2）、将电子束冷床炉的熔炼室、加料室和拉锭室抽真空至1×10^-2Pa～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1×10^-2Pa～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，对熔炼冷床、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）、待钛凝壳上形成熔池通道，开始将1#、2#、3#、4#、5#、6#电子枪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#电子枪的熔炼速率，并且设置5#、6#电子枪的能量，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#电子枪的设置程序中也有清边图形，不断地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”，5#和6#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；