一种钛合金残料转制异种牌号钛合金的熔炼回收方法
【专利摘要】本发明涉及一种钛合金残料转制异种牌号钛合金的熔炼回收方法，包括钛合金残料定尺、表面处理、配料及“合金包”制备、电极制备、VAR熔炼及机加工，可实现钛合金残料转制异种牌号钛合金熔炼回收，有利于实现钛合金残料灵活、多样化、高流转效率熔炼回收，减少钛合金残料库存及资金占用；钛残料利用率高：无需将钛合金残料破碎、混料及压制电极，除少量合金包外，只需使用钛合金及纯钛残料作为原材料，从而将钛残料添加比例由30%提高至90%以上，大幅提高了钛合金残料利用率；生产成本低：通过提高钛残料利用率，生产成本得到大幅降低。
【专利说明】
一种钛合金残料转制异种牌号钛合金的熔炼回收方法
技术领域
[0001] 本发明涉及钛材加工技术领域，具体的说是一种钛合金残料转制异种牌号钛合金 的熔炼回收方法。
【背景技术】
[0002] 钛合金具有强度高、密度低、耐腐蚀、无磁等优点，广泛应用于航空航天、舰船、化 工及体育等领域。由于钛合金原材料昂贵，且其加工生产工艺复杂、成品率低，因此钛合金 制品成本高。如何合理扩大应用钛合金生产过程中产生的大量钛残料，实现重熔回收再利 用，是降低钛合金制品生产成本必要途径之一。
[0003] 现有技术主要通过将钛合金残料破碎为肩状、小粒状形态，并与海绵钛混合，再压 制成电极块，然后焊接，进行真空自耗电弧炉(VAR)重熔回收，获得与钛合金残料同牌号的 钛合金铸锭，为了保证电极块内部连接强度，一般钛合金残料添加比例不超过30%。但此种 工艺方法一般仅适用于钛合金残料熔炼回收同牌号钛合金钛锭，且钛合金残料添加比例 低，具有一定局限性，不能完全满足多样化、低成本钛合金残料熔炼回收生产需求。
【发明内容】
[0004] 针对上述现有的工艺方法一般仅适用于钛合金残料熔炼回收同牌号钛合金钛锭， 且钛合金残料添加比例低，具有一定局限性等问题，本发明提供一种钛合金残料转制异种 牌号钛合金的熔炼回收方法。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为： 一种钛合金残料转制异种牌号钛合金的熔炼回收方法，定义待回收钛合金残料合金牌 号为a，按照以下方法实现转制b牌号钛合金熔炼回收，b牌号钛合金应包含a牌号所有主要 合金元素，该方法包括以下步骤： 步骤一:将a牌号待回收板带状、块状或棒状钛合金残料进行定尺，获得一类或多类具 有相似几何形状的钛残料，定尺后钛合金残料尺寸应满足宽度<250mm、长度<3000mm; 步骤二:将步骤一所得定尺后钛合金残料抛丸酸洗或碱酸洗，去除表面氧化皮、油污， 并烘干，获得表面洁净、干燥的钛残料； 步骤三:根据a牌号钛合金残料实际合金元素含量、b牌号钛合金钛锭目标合金元素含 量、添加单质或中间合金种类及合金元素含量、合金元素恪炼过程的烧损量，以及每根电极 重量，得出制备每根电极所需各配料的重量，并采用下述方法制备合金包：取壁厚0.2~ 1.0mm、直径10~40mm、长度<500mm纯钛薄壁焊管，首先将焊管一端压扁并使用氩弧焊封焊， 然后装入颗粒状中间合金，将焊管放平，并使中间合金在焊管长度方向上分布均匀，再将焊 管压扁，随后将焊管另一端也压扁、封焊，使中间合金在焊管内得到固定，以上添加的单质、 或封装于焊管的中间合金统称为合金包； 步骤四：将定尺后长度不足待制备圆柱状电极，具有相似横截面几何形状的钛合金残 料，采用氩弧焊搭接或对接点焊方法连接，使其长度达到待制备圆柱状电极的长度，采用同 样的方法使板条状及封装于焊管形式的合金包长度也达到待制备圆柱状电极的长度，然后 采用同心圆环形夹具辅助工装进行电极布料及组焊捆绑，制备圆柱状电极，电极直径小于 VAR-次熔炼坩埚内径； 步骤五:对制备完成的钛合金残料电极进行2~3次VAR熔炼，获得成分均匀、表面质量优 良的转制b牌号钛合金铸锭； 步骤六:对钛合金铸锭进行表面机加工扒皮处理，去除表面缺陷;超声检验，确定冒口 位置，并将钛锭冒口缺陷部位切除。
[0006] 所述步骤四中圆柱状电极由板条状或棒状钛合金残料、封装有中间合金的钛焊管 及板条状合金单质组成。
[0007] 所述步骤四中圆柱状电极内部，板条状或棒状钛合金残料与由板条状合金单质及 封装有中间合金的钛焊管合金包均匀密实布料，并在彼此相邻部位进行氩弧焊焊接加固， 电极外层由厚度多4.Omm的板条状钛合金残料包裹，相邻板条间、以及与内部电极焊接加 固，最终制作完成直径均匀、结构紧密、连接强度大的整体自耗电极。
[0008] 本发明的有益效果： 本发明提供的钛合金残料转制异种牌号钛合金的熔炼回收方法，实现了钛合金残料转 制异种牌号钛合金钛锭回收再利用，同时提高了钛合金残料添加比例，降低了生产成本，为 拓展钛合金残料回收方式提供了一种新的思路，有利于实现钛合金残料灵活、多样化、高流 转效率熔炼回收。钛合金残料熔炼回收钛锭成分满足并优于GB/T 3620.1《钛及钛合金牌号 和化学成分》国家标准； 本发明提供的钛合金残料转制异种牌号钛合金的熔炼回收方法，可实现钛合金残料转 制异种牌号钛合金熔炼回收:该方法操作简单，且生产企业可根据客户需求，将钛合金残料 熔炼回收转制为客户所需的钛合金牌号钛锭，有利于实现钛合金残料灵活、多样化、高流转 效率熔炼回收，减少钛合金残料库存及资金占用；钛残料利用率高：无需将钛合金残料破 碎、混料及压制电极，除少量合金包外，只需使用钛合金及纯钛残料作为原材料，从而将钛 残料添加比例由30%提尚至90%以上，大幅提尚了钦合金残料利用率;生广成本低:通过提尚 钛残料利用率，生产成本得到大幅降低。
【附图说明】
[0009] 图1本发明电极结构立体图； 图2本发明电极结构侧视图； 图3本发明所用同心圆环形夹具工装打开状态示意图； 图4本发明所用同心圆环形夹具工装关闭状态示意图； 附图标记：1、钛合金残料，2、封装有中间合金的焊管合金包，3、板条状合金单质合金 包，4、支架，5、圆环形夹具，501、固定圆弧，502、旋转圆弧。
【具体实施方式】
[0010] 下面结合【具体实施方式】对本发明做进一步的阐述。
[0011] -种钛合金残料转制异种牌号钛合金的熔炼回收方法，定义待回收钛合金残料合 金牌号为a，按照以下方法实现转制b牌号钛合金熔炼回收，b牌号钛合金应包含a牌号所有 主要合金元素，该方法包括以下步骤： 步骤一:将a牌号待回收板带状、块状或棒状钛合金残料进行定尺，获得一类或多类具 有相似几何形状的钛残料，定尺后钛合金残料尺寸应满足宽度<250mm、长度<3000mm; 步骤二:将步骤一所得定尺后钛合金残料抛丸酸洗或碱酸洗，去除表面氧化皮、油污， 并烘干，获得表面洁净、干燥的钛残料； 步骤三:根据a牌号钛合金残料实际合金元素含量、b牌号钛合金钛锭目标合金元素含 量、添加单质或中间合金种类及合金元素含量、合金元素恪炼过程的烧损量，以及每根电极 重量，得出制备每根电极所需各配料的重量，并采用下述方法制备合金包：取壁厚0.2~ 1.0mm、直径10~40mm、长度<500mm纯钛薄壁焊管，首先将焊管一端压扁并使用氩弧焊封焊， 然后装入颗粒状中间合金，将焊管放平，并使中间合金在焊管长度方向上分布均匀，再将焊 管压扁，随后将焊管另一端也压扁、封焊，使中间合金在焊管内得到固定，以上添加的单质、 或封装于焊管的中间合金统称为合金包;在电极制备过程中，将合金包焊接固定于电极，实 现增加合金元素种类或改变合金元素含量的目的。由于制备合金包所需纯钛薄壁焊管占后 续制备电极的质量分数极小，因此可以忽略其对钛合金残料转制异种牌号钛合金熔炼成分 的影响； 步骤四：将定尺后长度不足待制备圆柱状电极，具有相似横截面几何形状的钛合金残 料，采用氩弧焊搭接或对接点焊方法连接，使其长度达到待制备圆柱状电极的长度，采用同 样的方法使板条状及封装于焊管形式的合金包长度也达到待制备圆柱状电极的长度，然后 采用同心圆环形夹具辅助工装进行电极布料及组焊捆绑，制备圆柱状电极，电极直径小于 VAR-次熔炼坩埚内径;所述圆柱状电极由板条状或棒状钛合金残料、封装有中间合金的钛 焊管及板条状合金单质组成;所述圆柱状电极内部，板条状或棒状钛合金残料与由板条状 合金单质及封装有中间合金的钛焊管合金包均匀密实布料，并在彼此相邻部位进行氩弧焊 焊接加固，电极外层由厚度多4.Omm的板条状钛合金残料包裹，相邻板条间、以及与内部电 极焊接加固，最终制作完成直径均匀、结构紧密、连接强度大的整体自耗电极； 步骤五:对制备完成的钛合金残料电极进行2~3次VAR熔炼，获得成分均匀、表面质量优 良的转制b牌号钛合金铸锭； 步骤六:对钛合金铸锭进行表面机加工扒皮处理，去除表面缺陷;超声检验，确定冒口 位置，并将钛锭冒口缺陷部位切除。
[0012]如图3、图4所示，分别为本发明所用同心圆环形夹具工装打开及关闭状态示意图， 所述同心圆环形夹具工装包括支架4和设置在支架4顶部的多个大小相等且同心的圆环形 夹具5,圆环形夹具5由设置在支架4上的固定圆弧501和旋转圆弧502组成，旋转圆弧502- 端与固定圆弧501-端旋转连接，另一端可旋转至与固定圆弧501形成闭合的圆环；图1为经 同心圆环形夹具工装辅助阻焊后的电极结构示意图，图2为经同心圆环形夹具工装辅助阻 焊后的电极结构侧视图。
[0013]实施例1:以TA28钛合金残料转制TA17钛合金的熔炼回收为例 1)使用剪床、水切割方法，将板带状、块状及棒状TA28钛合金残料进行定尺，获得几类 具有相近截面尺寸的钛残料，定尺后钛合金残料宽度<150_、长度<2000_。
[0014] 2)通过抛丸酸洗方法，将钛合金残料表面氧化皮、油污等杂质去除干净，并烘干， 获得表面洁净、干燥的钛合金残料。
[0015] 3)TA28钛合金残料实际合金元素含量为Ti-2.5A1，即Al含量2.5%，其余为Ti元素； TA17钛合金目标成分为Ti-4.0A1-2. OV，即Al含量4.0%、V含量2.0%，其余为Ti元素;通过添 加纯钛残料板条单质、Al-50.OV中间合金(V含量50%，其余为Al元素），调整钛合金残料成 分，实现TA28钛合金残料转制TA17钛合金的目的；TA28钛合金残料采用本发明工艺方法，经 三次VAR熔炼获得TA17钛锭，预估Al元素烧损0.2%，其余合金元素烧损可忽略不计;钛合金 残料制备的圆柱形电极尺寸为280*2000mm，每根电极重量为440kg。
[0016] 根据上述条件，可计算出制备每根电极需要配料TA28钛合金残料386.43kg、纯钛 残料板条单质36.01kg、Al-50.0 V颗粒状中间合金17.56kg。纯钛残料板条单质厚度8mm、宽 度50mm;将Al-50.0 V中间合金均勾分装于35个壁厚0.5mm、直径24mm、长度400mm焊管内，首 先将焊管一端压扁并使用氩弧焊封焊，放入中间合金后，将焊管平放，并使中间合金在焊管 长度方向上分布均匀，再将焊管压扁，随后将焊管另一端也压扁、封焊，使中间合金在焊管 内得到固定。
[0017] 4)将定尺后长度不足2000mm、具有相近截面尺寸的TA28钛残料采用纯钛焊丝使用 氩弧焊方法进行连接，使长度达到2000mm。采用同样的方法将纯钛残料板条单质及封装于 焊管形式的"合金包"长度分别延长至2000mm。采用同心圆形夹具辅助工装进行电极布料及 组焊捆绑，制备电极过程中，将纯钛残料板条单质及封装有中间合金的钛焊管"合金包"与 TA28钛合金残料均匀密实布料，并在彼此相邻部位进行氩弧焊焊接加固，电极外层由厚度 为6. Omm的TA28钛合金残料板条包裹，相邻板条间、以及与内部电极焊接加固，最终制备完 成直径280mm、长度2000mm电极，电极具有良好连接强度、直径均匀、结构紧密。
[0018] 采用上述同样的方法制备6根电极。
[0019] 5 )对制备好的电极进行3次VAR熔炼。第1次、2次、3次VAR熔炼坩埚内径分别为 380mm、480mm、580mm。经三次VAR熔炼，获得成分均匀、表面质量优良的TAl 7钛合金铸锭。
[0020] 6)对TA17钛合金铸锭进行表面机加工扒皮处理，去除表面缺陷；超声检验，确定冒 口位置，并使用锯床将钛锭冒口缺陷部位切除;然后对铸锭进行头、中、尾取样，化验成分。
[0021] 最终获得的TA17钛合金钛锭成分合格，如表1所示，且各元素成分含量满足并优于 国标。
[0022]表1 TA17钛合金铸锭成分实测值
【主权项】
1. 一种钛合金残料转制异种牌号钛合金的熔炼回收方法，定义待回收钛合金残料合金 牌号为a，按照以下方法实现转制b牌号钛合金熔炼回收，b牌号钛合金应包含a牌号所有主 要合金元素，其特征在于，该方法包括以下步骤： 步骤一:将a牌号待回收板带状、块状或棒状钛合金残料进行定尺，获得一类或多类具 有相似几何形状的钛残料，定尺后钛合金残料尺寸应满足宽度<250mm、长度<3000mm; 步骤二:将步骤一所得定尺后钛合金残料抛丸酸洗或碱酸洗，去除表面氧化皮、油污， 并烘干，获得表面洁净、干燥的钛残料； 步骤三:根据a牌号钛合金残料实际合金元素含量、b牌号钛合金钛锭目标合金元素含 量、添加单质或中间合金种类及合金元素含量、合金元素恪炼过程的烧损量，以及每根电极 重量，得出制备每根电极所需各配料的重量，并采用下述方法制备合金包：取壁厚0.2~ 1.0mm、直径10~40mm、长度<500mm纯钛薄壁焊管，首先将焊管一端压扁并使用氩弧焊封焊， 然后装入颗粒状中间合金，将焊管放平，并使中间合金在焊管长度方向上分布均匀，再将焊 管压扁，随后将焊管另一端也压扁、封焊，使中间合金在焊管内得到固定，以上添加的单质、 或封装于焊管的中间合金统称为合金包； 步骤四：将定尺后长度不足待制备圆柱状电极，具有相似横截面几何形状的钛合金残 料，采用氩弧焊搭接或对接点焊方法连接，使其长度达到待制备圆柱状电极的长度，采用同 样的方法使板条状及封装于焊管形式的合金包长度也达到待制备圆柱状电极的长度，然后 采用同心圆环形夹具辅助工装进行电极布料及组焊捆绑，制备圆柱状电极，电极直径小于 VAR-次熔炼坩埚内径； 步骤五:对制备完成的钛合金残料电极进行2~3次VAR熔炼，获得成分均匀、表面质量优 良的转制b牌号钛合金铸锭； 步骤六:对钛合金铸锭进行表面机加工扒皮处理，去除表面缺陷；超声检验，确定冒口 位置，并将钛锭冒口缺陷部位切除。2. 如权利要求1所述的钛合金残料转制异种牌号钛合金的熔炼回收方法，其特征在于： 所述步骤四中圆柱状电极由板条状或棒状钛合金残料、封装有中间合金的钛焊管及板条状 合金单质组成。3. 如权利要求1所述的钛合金残料转制异种牌号钛合金的熔炼回收方法，其特征在于： 所述步骤四中圆柱状电极内部，板条状或棒状钛合金残料与由板条状合金单质及封装有中 间合金的钛焊管合金包均匀密实布料，并在彼此相邻部位进行氩弧焊焊接加固，电极外层 由厚度多4.0mm的板条状钛合金残料包裹，相邻板条间、以及与内部电极焊接加固，最终制 作完成直径均匀、结构紧密、连接强度大的整体自耗电极。
【文档编号】C22C14/00GK106086485SQ201610500892
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月30日
【发明人】李渤渤, 李洋, 刘茵琪, 黄志峰, 周洪强, 张强
【申请人】洛阳双瑞精铸钛业有限公司