鈦合金返回料真空自耗電弧爐回收工藝研究

董燕妮，范廣軒，張寶秋

（寶鈦集團有限公司，陜西 寶雞 721014）

引言

真空自耗電弧熔煉（VAR）是鈦及鈦合金最為主要的熔煉方法，被廣泛應用于各種牌號鈦及鈦合金材料的生產。該方法需要先將所熔煉的金屬材料制備成自耗電極，供自耗熔煉用的電極一般由單塊電極組焊而成。由于真空自耗電弧爐的保有量大，目前該方法也是鈦及鈦合金返回料回收利用的主要途徑之一。[1-2]

傳統鈦合金返回料電極制備方法主要分為壓制法和焊接法，電極制備的難點主要是保證電極的強度以及減少低密度夾雜元素的帶入，目前存在的主要問題有：（1）受工藝方法、海綿鈦塑性等因素的影響，返回料添加比例不高，一般不超過7%；（2）因電極尺寸較大，電極制備難度較大，電極質量會因焊接工藝等原因影響，焊接法制備的電極強度較低，易發生內層物料脫落現象（亦稱脫衣現象）。脫衣現象發生比例大約為5%；（3）焊接時氧化嚴重，尤其是添加一定比例返回料時其焊接難度較大，常見問題有電極強度差、焊點嚴重氧化等，存在低密度夾雜冶金缺陷的質量隱患；（4）返回料添加形式單一，僅能回收部分形式和牌號的返回料，由于制備方法所限，對于大量異形返回料無法利用，有一定局限性。

針對目前鈦合金返回料電極制備存在的問題，本文開展了電極制備工藝和返回料添加比例的研究，并利用真空自耗電弧爐制備出添加一定比例返回料的TC4、TA15鈦合金鑄錠，為鈦合金返回料的回收利用提供了工藝指導，具有一定的參考價值。

1 試驗

1.1 電極制備

根據返回料的形態和尺寸將返回料進行分類（如表1）。

表1 返回料種類

根據返回料的類別和實踐經驗摸索出適宜的電極制備工藝，具體如下：

（1）碎塊料和短板邊采用壓制法制備自耗電極。所采用的壓制設備為7000t或8000t油壓機。

碎塊料回收：將散裝塊料處理成小塊料（粒度≤30mm），加入模腔中，手動干預盡量使塊狀料分布均勻且被海綿鈦包覆，由于小塊料的粒度與海綿鈦接近，所以壓制出的電極強度較傳統方案有很大提高。

短板邊回收：將板捆處理成合適的尺寸，加入模腔中部，并手動將板捆在長度方向上放平，不要露出。由于板材的反彈，應綜合考慮海綿鈦的塑性問題。

圖1 壓制電極

（2）普通塊料、大塊料、長板邊采用捆綁法制備自耗電極。需配料時通過油壓機壓制電極塊，電極塊中添加需配的添加劑，經焊接后在電極塊外圍包覆返回料，采用焊接、捆扎的方法制成合格的電極。

1.2 鑄錠熔煉

（1）將不同比例的碎塊料返回料進行添加，采用壓制法制備成自耗電極，熔煉出不同規格的TC4和TA15鈦合金鑄錠，鑄錠的熔煉方案見表2。

（2）鑄錠表面扒皮后，頭、上、中、下、底5點，頭部切斷面13點，取樣分析化學成分，取樣示意圖見圖3。

表2 TC4和TA15鈦合金鑄錠熔煉方案

2 結果與分析

2.1 電極制備結果與分析

碎塊料尺寸不大于30mm，接近正常粒度海綿鈦尺寸，不影響原料輸送和均勻混料，是較為理想的返回料，可以用于高質量重要用途鑄錠的添加。與海綿鈦相比，碎塊料返回料具有強度高、塑性差等特點。

在試驗過程中發現：（1）碎塊料返回料在壓制過程中變形很小，與海綿鈦基體的結合力隨著添加比例的增加而降低，電極的整體強度也因此快速下降。碎塊料添加比例≤20%時電極塊成型良好，幾乎不影響后續電極焊接；添加比例達到25%時，電極塊上發現有返回料塊料少量富集的現象，電極強度仍可滿足后續焊接，添加比例達到30%時（圖4a），電極塊中返回料富集現象出現頻次明顯較高，同種原料的富集會給電極的均勻性帶來負面影響，更嚴重的問題是返回料出現在電極塊的邊角處時，電極塊出現掉角并導致后續焊接困難，電極強度已不能保證熔煉過程平穩順利的完成。（2）返回料以短板形式添加可行，但添加比例不高。添加比例為10%時，電極成型良好；添加比例為15%時，電極塊出現輕微裂紋等現象，但電極強度仍可滿足后續焊接和熔煉；添加比例到16%時（圖4b），電極塊裂紋明顯，已不能直接經焊接后進行熔煉，需將裂紋進行焊接處理后再進行鑄錠熔煉；當添加比例達到20%時，電極成型已出現問題，或裂紋較大，或短板不能壓入電極塊中，影響后續工序生產。（3）長板邊、大塊料、普通塊料通過捆綁法的添加比例非常高，理想情況下可實現100%添加，但與壓制法相比存在電極密度較小、單重小、成分均勻性差等缺陷，因此更適合于一般用途鑄錠的返回料添加。

圖2 捆綁電極

圖3 鑄錠取樣示意圖

表3為自耗電極可添加返回料比例的實驗結果。表4為壓制法和捆綁法兩種添加返回料自耗電極制備方法的比較。

表3 自耗電極可添加返回料比例

圖4 臨界添加比例下壓制電極形貌

2.2 鑄錠成分均勻性分析

將制備的TC4和TA15鈦合金鑄錠表面5點和頭部切斷面13點共18點的化學元素分析結果匯總后進行標準偏差分析，分析結果見表5和表6。

從表5和表6可以看出，添加返回料的TC4和TA15鑄錠雜質元素（C、N、H、O、Fe）含量雖較未添加的鑄錠高，但都在標準的允許范圍內，且鑄錠中雜質元素的成分波動較小，可以滿足使用要求。

根據表5和表6的數據繪制出了TC4和TA15鈦合金鑄錠的返回料添加比例與主元素標準偏差的趨勢圖，見圖5和圖6。從圖5可以看出，當返回料的添加比例在20%以下時，三種規格錠型的Al元素和V元素標準偏差較小，且差距不大，表明鑄錠中Al元素和V元素的成分準確性和均勻性控制較好；當添加比例達到25%時，Φ940mm鑄錠的標準偏差增加趨勢明顯，Al元素和V元素的成分準確性和均勻性變差。從圖6可以看出，在返回料添加20%以下的TA15鑄錠中，鑄錠主元素化學成分均勻性良好。綜上，考慮現行的返回料處理水平、電極制備能力和鑄錠熔煉技術，為了確保鑄錠的高品質，建議在實際生產中采用20%以下的添加量為宜。

3 結束語

（1）采用壓制法制備自耗電極，碎塊料的適宜添加比例≤25%，短板邊添加比例≤15%。采用捆綁法可以實現返回料100%添加，但電極密度較小、單重小、成分均勻性差，不適宜于重要用途鑄錠的熔煉。

表5 VAR熔煉TC4鑄錠化學成分分析

表6 VAR熔煉TA15鑄錠化學成分分析表

圖5 VAR熔煉TC4鑄錠主元素標準偏差趨勢

（2）VAR法添加碎塊料熔煉TC4和TA15鑄錠可以獲得高品質的鑄錠，但為了保持鑄錠的成分均勻性和穩定性，采用20%以下的添加量為宜。