鈦及鈦合金鑄錠生產現狀及其標準化

馮軍寧,陳 峰,李獻軍

(寶雞鈦業股份有限公司,陜西 寶雞 721014)

鈦及鈦合金鑄錠生產現狀及其標準化

馮軍寧,陳 峰,李獻軍

(寶雞鈦業股份有限公司,陜西 寶雞 721014)

分析了鈦及鈦合金鑄錠熔煉技術現狀及鑄錠的產能、產量情況。闡述了寶鈦集團有限公司、寶雞鈦業股份有限公司編制的《鈦及鈦合金鑄錠》國家標準中檢驗項目和指標的確定依據、目的和作用。制定該標準不僅有利于促進鈦及鈦合金鑄錠的質量控制,而且可有效指導需方的采購、供方的生產,促進生產、交易的規范化。

鈦及鈦合金;鑄錠;標準化

1 前 言

我國鈦及鈦合金鑄錠的生產起步于 20世紀 50年代,1964年實現了鈦加工材的工業化生產。隨著人們對鈦特性認識的普及,鈦具有的比強度高、耐腐蝕、無磁性、低阻尼、高低溫性能好、與碳復合材料的相容性好、生物相容性好等突出優點被充分發掘并應用,被人們譽為“太空金屬”和“海洋金屬”,已被廣泛用于航空航天、艦船、海洋工程、化工、電力、冶金、醫療、體育休閑等行業。世界各國對鈦的需求量逐年遞增,尤其是進入 21世紀后的近 10年,增幅更快。因此,鈦的使用情況也將成為衡量一個國家綜合實力的重要指標之一。然而,由于鈦及鈦合金鑄錠生產設備的特殊性和其成分均勻性控制技術較難掌握,以及設備能力等因素限制,選擇購買成品鑄錠是一些鈦材加工企業解決原材料的最佳決定。2009年,我國鈦錠的生產能力已達到82 900 t/a[1],實際生產鈦錠 41 164 t[1]。我國富足的鈦錠生產能力不僅滿足了國內生產鈦加工材的需求,而且由于國內鈦錠低廉的價格大大促進了鈦錠出口形勢的改善。

國內目前尚無鈦及鈦合金鑄錠專用的國家和行業標準。為便于交易,部分企業制定了企業標準或與用戶簽訂供貨技術文件,這些技術文件在一段時期內促進了鈦錠的交易。國外也未發現專用標準,目前出口鈦錠的技術要求主要采用用戶的企業標準,如波音公司的企業標準、日本先進材料公司企業標準、寶雞鈦業股份有限公司企業標準等。在此背景下,由寶鈦集團有限公司、寶雞鈦業股份有限公司于 2007年提出方案經國標委批準編制了《鈦及鈦合金鑄錠》國家標準。

2 鈦及鈦合金鑄錠的生產現狀

2.1 鑄錠熔煉技術現狀

眾所周知,鈦具有化學活性強、熔點高以及間隙雜質含量對其性能影響極為敏感等特點,使得鈦及鈦合金鑄錠的熔煉必須在真空或惰性氣氛下進行,因此給鈦及鈦合金鑄錠的化學成分、成分均勻性控制以及冶金質量控制等技術提出了很高的要求。目前,該技術只有美國 (Tim et、RTI等公司)、日本(神戶制鋼、住友、東邦等公司)、俄羅斯 (Vsmpo等公司)、中國等少數國家掌握。尤其是大規格鈦合金鑄錠的成分均勻性控制技術[2],是目前生產特殊用途和大規格、高品質的鈦及鈦合金制品的關鍵。

由于美國、日本、俄羅斯等國家自 20世紀早期就開始了鈦及鈦合金鑄錠的工業化生產研究,積累了豐富的經驗,對鈦及鈦合金鑄錠的熔煉技術掌握早于國內。國內一般用途的中小規格鈦及鈦合金鑄錠熔煉技術已成熟,中等規模以上企業已基本掌握,小企業有待提高。重要用途的鈦合金鑄錠和大規格鈦及鈦合金鑄錠熔煉技術僅有寶雞鈦業股份有限公司等少數企業掌握。

2.2 國內生產現狀

圖1給出了 2005～2009年中國鈦及鈦合金鑄錠的產能和產量情況[1,3-6]。從圖1中可以看出,我國鑄錠的產量由 2005年的 16 230 t增加到 2009年的41 164 t,是 2005年的 2.54倍;產能由 2005年的33 800 t增加到 2009年的 82 900 t,是 2005年的2.45倍。

圖1 2005～2009年中國鈦及鈦合金鑄錠產能和產量統計Fig.1 Capacity and output of titanium and titanium alloy ingot in China from 2005 to 2009

2005～2009年,各年度鈦及鈦合金鑄錠的產能富余量分別為 17 570,18 480,13 831,29 492,41 736 t,富余產能占總產能的百分率分別為 52%,46%, 29%,43%,50%。不難看出,2005～2007年,產能的富余量呈遞減態勢,2007年以后產能的富余量呈擴大趨勢,表明 2007年后各生產企業的設備投入和已投入運行的設備量擴大。

3 鈦及鈦合金鑄錠標準化

我國雖然自 20世紀 60年代開始了鈦及鈦合金加工材的生產,然而近半個世紀以來卻沒有鈦及鈦合金鑄錠的國家標準、行業標準或是地方標準。在實際的生產交易過程中,主要使用企業標準或由供需雙方協商確定技術要求。導致這一現象的主要原因是由于長期以來國內鈦及鈦合金產品的生產和使用范圍較小造成的。進入 20世紀 90年代后期,隨著技術的進步和各行業對鈦及鈦合金產品認識的提高,尤其是近 10年,國際和國內各行業對鈦產品需求量擴大,共同促進了國內鈦行業的飛速發展。國內各種規模的鈦生產加工企業猶如雨后春筍,遍布國內迅速崛起,不完整的生產流程促進了鈦及鈦合金鑄錠的交易量的擴大。

根據國家標準化管理委員會統一部署,并按照國標委綜合[2007]100號《關于下達 2007年第五批國家標準制修訂計劃的通知》要求,由寶鈦集團有限公司和寶雞鈦業股份有限公司起草《鈦及鈦合金鑄錠》國家標準,項目計劃編號 20079136-T-610,于 2008年完成編制和報批工作,現等待標準批準發布。

該標準是針對鈦及鈦合金生產加工、鑄造用鑄錠制定的新標準,主要內容及技術指標如下。

3.1 生產設備

針對目前鈦及鈦合金鑄錠行業內的生產設備現狀,該標準中推薦使用最廣的真空自耗電弧爐(VAR)和電子束冷床爐(EBCHM爐)兩種設備。

3.2 鑄錠的直徑(厚度和寬度)及其允許偏差

根據國內外商品鑄錠的技術要求和實際生產過程中對鑄錠機加工量的影響因素(主要影響因素有鑄錠自身收縮、坩堝變形造成鑄錠形狀不規則、局部較深缺陷導致局部修磨量大等),規定了鑄錠的直徑(厚度和寬度)允許偏差,見表1。

表1 鈦及鈦合金鑄錠直徑(厚度或寬度)的允許偏差(mm)Table 1 Diameter(thickness or width)tolerance of titanium and titanium alloy ingot(mm)

3.3 鑄錠的長度和單重及其允許偏差

考慮到目前國內各生產廠家生產設備生產能力的差異,以及市場需求的不確定性,對鑄錠的長度和重量及其允許偏差沒有做具體的規定,按照具體的需求由供需雙方協商確定,并在合同中注明,以便更合理的適應市場,提高標準的可執行性。

3.4 鑄錠的化學成分

目前,國標中規定的各種牌號的鈦及鈦合金鑄錠的化學成分控制水平已相當成熟。因此,該標準規定鈦及鈦合金鑄錠的牌號和化學成分應符合 GB/T 3620.1《鈦及鈦合金牌號和化學成分》標準要求。GB/T 3620.1標準中規定的牌號和名義成分以及相對應的國外牌號見表2。

3.5 鑄錠的頭尾部去飛邊及倒角

從目前各加工材生產企業的實際生產需求和技術要求,以及運輸、貯存過程的需要,該標準規定鑄錠頭部應車去飛邊,頭尾兩端棱角應進行倒角處理,倒角的大小規定為≥20mm×40°～50°。

3.6 鑄錠的相變點溫度

鑄錠的β轉變點溫度對鑄錠開坯和后續加工工藝的制定有一定的指導意義。一般情況下,在鑄錠成分確定后,其β轉變點溫度范圍已基本為定值,通常可采用經驗公式、金相法或差熱法進行確定。GJB 3763中已給出了常用鈦及鈦合金名義β轉變點溫度,因此該標準對該溫度點的測定沒有做強制性規定,只規定為“當需方要求并在合同中注明時,鈦合金鑄錠應進行β轉變溫度的測定,報實測值”。

表2 GB/T 3620.1標準中的牌號、名義成分及對應的國外牌號Table 2 Designation and nomial composition compavison for GB/T 3620.1 and foreign

3.7 鑄錠的超聲波檢驗

鑄錠鑄造縮孔的存在是不可避免的,然而在不同產品形式的加工材生產過程中,為了能更充分利用資源和提高成品率,可在不同工序中對鑄錠鑄造縮孔缺陷進行有效去除。因此,該標準對鑄錠鑄造縮孔的去除與否沒有做強制要求,可根據需方的需求靈活處理。為便于鑄錠在后續加工過程中對鑄造縮孔部位的控制,保證加工產品的內部質量,該標準提出了對鑄錠進行超聲波檢驗以確定鑄造縮孔距鑄錠頭部距離,但未作為強制性規定。

3.8 鑄錠的表面質量

鑄錠表面質量對后續加工有很大的影響,表面的冷隔、裂紋、孔洞、臺坎等較大缺陷,易引起鍛造開裂甚至斷裂,將大大影響成品率和產品質量。因此,該標準詳細規定了鑄錠的表面質量,強調“鑄錠應以機加工表面交付”,規定了鑄錠側表面和兩端面的表面質量要求。同時,規定鑄錠所有機加工表面粗糙度應不大于 12.7μm。

3.9 鑄錠的標志、包裝、運輸和貯存

該標準對鑄錠的包裝給出了 3種具體方式供選用,同時也注明其他包裝方式也可使用。對鑄錠的標志、運輸和貯存也進行了合理規定。為便于運輸和包裝,且確保運輸的安全性,該標準提供了附錄,對運輸距離較遠、規格較大的鑄錠包裝可選用標準附錄中規定的木托架支承包裝方式進行(見圖2)。鋼托包裝方式可參照該標準附錄中的規定執行,以確保運輸、貯存過程中人員、設備、物料的安全為準。

圖2 鈦及鈦合金鑄錠木托架支承包裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of wooden block for packing titanium and titanium alloy ingot

4 結 語

從統計結果來看,經過近 10年的快速發展,國內鈦及鈦合金鑄錠的產能富余量較大的現象逐漸顯現。這一現象將有可能導致國內鈦材加工企業逐漸減少或僅維持現有鈦及鈦合金鑄錠的生產投入,以采購成品鑄錠滿足加工材生產的需求量,從而促進專業化鑄錠生產企業的發展。制定鈦及鈦合金鑄錠國家標準,確立合理的檢測項目和指標,不僅有利于促進鈦及鈦合金鑄錠的質量控制和提高,而且可有效指導需方的采購、供方的生產,促進生產、交易的規范化,改善目前國內鈦及鈦合金鑄錠交易中的無標準可遵循的狀態,從而有力的促進我國鈦行業的健康、持續發展。

[1] 王向東,逯福生,賈翃,等.2009年中國鈦工業發展報告[J].鈦工業進展,2010,27(3):1-7.

[2] 李獻軍 .大規格純鈦鑄錠化學成分均勻性控制技術[J].鈦工業進展,2002,19(2):10-13.

[3] 王向東,逯福生,賈翃,等.2005年鈦工業發展報告[J].鈦工業進展,2006,23(2):1-6.

[4] 王向東,逯福生,賈翃,等.2006年鈦工業發展報告[J].鈦工業進展,2007,24(2):1-6.

[5] 王向東,逯福生,賈翃,等.2007年中國鈦工業發展報告[J].鈦工業進展,2008,25(2):4-12.

[6] 王向東,逯福生,賈翃,等.2008年中國鈦工業發展報告[J].鈦工業進展,2009,26(2):1-7.

Titanium and Titanium Alloy Ingot and Its Standardization

Feng Junning,Chen Feng,Li Xian jun
(Baoji Titanium Industry Co.,Ltd.,Baoji721014,China)

Melting technology status,capacity and output of titanium and titanium alloy ingot are analyzed. The test item s,determining basis,purpose and function of“Titanium and Titanium Alloy Ingots”National Standard compiled by Baoji Titanium Group Ltd.and Baoji Titanium Industry Co.,Ltd.are elaborated.The standard will not only promote the quality of titanium and titanium alloy ingot,but also can effectively guide the purchaser of the procurement, manufacturer production,and promote production,trade normalization.

titanium and titanium alloy;melting technology;ingot;standard

2010-09-26

馮軍寧 (1979-),男,工程師,電話:0917-3382289,E-m ail:fengjunning@baoti.com。