董燕妮，范廣軒，張寶秋

（寶鈦集團(tuán)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(yīng)用于各種牌號鈦及鈦合金材料的生產(chǎn)。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(tǒng)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(qiáng)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(zhì)量會因焊接工藝等原因影響，焊接法制備的電極強(qiáng)度較低，易發(fā)生內(nèi)層物料脫落現(xiàn)象（亦稱脫衣現(xiàn)象）。脫衣現(xiàn)象發(fā)生比例大約為5%；（3）焊接時氧化嚴(yán)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(qiáng)度差、焊點嚴(yán)重氧化等，存在低密度夾雜冶金缺陷的質(zhì)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(dǎo)，具有一定的參考價值。

1 試驗

1.1 電極制備

根據(jù)返回料的形態(tài)和尺寸將返回料進(jìn)行分類（如表1）。

表1 返回料種類

根據(jù)返回料的類別和實踐經(jīng)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(shè)備為7000t或8000t油壓機(jī)。

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(yù)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(qiáng)度較傳統(tǒng)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(yīng)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(jī)壓制電極塊，電極塊中添加需配的添加劑，經(jīng)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(jìn)行添加，采用壓制法制備成自耗電極，熔煉出不同規(guī)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(xué)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(jié)果與分析

2.1 電極制備結(jié)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(zhì)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(qiáng)度高、塑性差等特點。

在試驗過程中發(fā)現(xiàn)：（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(jié)合力隨著添加比例的增加而降低，電極的整體強(qiáng)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(xù)電極焊接；添加比例達(dá)到25%時，電極塊上發(fā)現(xiàn)有返回料塊料少量富集的現(xiàn)象，電極強(qiáng)度仍可滿足后續(xù)焊接，添加比例達(dá)到30%時（圖4a），電極塊中返回料富集現(xiàn)象出現(xiàn)頻次明顯較高，同種原料的富集會給電極的均勻性帶來負(fù)面影響，更嚴(yán)重的問題是返回料出現(xiàn)在電極塊的邊角處時，電極塊出現(xiàn)掉角并導(dǎo)致后續(xù)焊接困難，電極強(qiáng)度已不能保證熔煉過程平穩(wěn)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(xiàn)輕微裂紋等現(xiàn)象，但電極強(qiáng)度仍可滿足后續(xù)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(jīng)焊接后進(jìn)行熔煉，需將裂紋進(jìn)行焊接處理后再進(jìn)行鑄錠熔煉；當(dāng)添加比例達(dá)到20%時，電極成型已出現(xiàn)問題，或裂紋較大，或短板不能壓入電極塊中，影響后續(xù)工序生產(chǎn)。（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(xiàn)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(jié)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(xué)元素分析結(jié)果匯總后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)偏差分析，分析結(jié)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(zhì)元素（C、N、H、O、Fe）含量雖較未添加的鑄錠高，但都在標(biāo)準(zhǔn)的允許范圍內(nèi)，且鑄錠中雜質(zhì)元素的成分波動較小，可以滿足使用要求。

根據(jù)表5和表6的數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)偏差的趨勢圖，見圖5和圖6。從圖5可以看出，當(dāng)返回料的添加比例在20%以下時，三種規(guī)格錠型的Al元素和V元素標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)確性和均勻性控制較好；當(dāng)添加比例達(dá)到25%時，Φ940mm鑄錠的標(biāo)準(zhǔn)偏差增加趨勢明顯，Al元素和V元素的成分準(zhǔn)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(xué)成分均勻性良好。綜上，考慮現(xiàn)行的返回料處理水平、電極制備能力和鑄錠熔煉技術(shù)，為了確保鑄錠的高品質(zhì)，建議在實際生產(chǎn)中采用20%以下的添加量為宜。

3 結(jié)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(xiàn)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(xué)成分分析

表6 VAR熔煉TA15鑄錠化學(xué)成分分析表

圖5 VAR熔煉TC4鑄錠主元素標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)的鑄錠，但為了保持鑄錠的成分均勻性和穩(wěn)定性，采用20%以下的添加量為宜。