張 晉，呂華江，曹 瑞，李 楠，張新勝

（新疆湘潤新材料科技有限公司，新疆 哈密 839000）

工業(yè)純鈦是目前應(yīng)用最廣泛的鈦及鈦合金材料，主要用于要求高塑性、適當(dāng)強(qiáng)度、良好的耐腐蝕性及可焊接的場合，其冷熱加工性能好，可生產(chǎn)各種規(guī)格的板材、棒材、型材、帶材、管材和箔材［1］。雜質(zhì)元素鐵、碳、氧、氮、氫等的含量對工業(yè)純鈦的力學(xué)性能有很大影響。氧元素是穩(wěn)定α相的元素，它能擴(kuò)大α相區(qū)，提高α→β轉(zhuǎn)變溫度。氧元素在α相中溶解度可達(dá)到14.5%，占據(jù)鈦的密排六方的間隙位置，形成間隙固溶體，使其密排六方晶格發(fā)生畸變，阻礙了位錯運動，同時使鈦晶格的長短軸之比c／a增大，鈦的滑移系減少，從而導(dǎo)致強(qiáng)度上升、塑形下降［2］。在英國和美國3／4數(shù)量的工業(yè)純鈦，是通過人為添加氧元素來獲得所需要的強(qiáng)度［3］。要獲得性能穩(wěn)定的鈦材，鑄錠中氧元素的均勻性就必須嚴(yán)格控制。

在生產(chǎn)實際中，純鈦成品鑄錠氧含量應(yīng)該是高于配料值的，通過合理配料和嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝控制，可以生產(chǎn)出預(yù)定范圍內(nèi)符合成分要求的純鈦鑄錠。在生產(chǎn)高氧含量的鑄錠時，需要加入氧添加劑，在經(jīng)過兩次真空自耗電弧爐熔煉后，取樣檢測顯示幾乎所有鑄錠的底部氧含量都比其配料值低，而且配料值越高偏差越大，整個鑄錠氧含量也不均勻。氧含量的不均勻會導(dǎo)致材料性能的波動，提高氧含量的均勻性，成為生產(chǎn)中必須解決的問題。

結(jié)合實際生產(chǎn)，對直徑Ф1 040 mm、重量為9 t的高氧純鈦鑄錠的脫氧現(xiàn)象、氧含量均勻性進(jìn)行了分析和研究，通過實踐不斷摸索，最終采用梯度加氧的方法解決了脫氧和氧含量均勻性問題，生產(chǎn)出符合成分要求且氧元素均勻的高氧純鈦鑄錠，對大規(guī)格純鈦鑄錠的工業(yè)化生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 脫氧現(xiàn)象試驗及原因分析

1.1 脫氧現(xiàn)象試驗

試驗所用原材料為粒度0.83～25.4 mm的鎂法生產(chǎn)海綿鈦，生產(chǎn)高氧含量的純鈦鑄錠，氧添加劑使用TiO2粉末，經(jīng)過兩次真空自耗電弧爐熔煉成Ф1 040 mm的鑄錠。取10個鑄錠為第一組，均勻加入TiO2粉末，每塊海綿鈦電極中加入的TiO2粉末量相同，經(jīng)過真空自耗電弧爐兩次熔煉，扒皮后在鑄錠上下部位分別取Ф3 mm×（7～20）mm塊樣，通過化學(xué)成分分析法來檢測氧元素的含量。成品鑄錠取樣位置示意圖如圖1所示。

鑄錠生產(chǎn)的工藝流程：海綿鈦→混料→壓制電極塊→焊接→一次熔煉→平頭→二次成品熔煉→扒皮取樣。

圖1 成品鑄錠取樣部位示意圖

第一組10支Ф1 040 mm、重量為9 t純鈦鑄錠，其中5支氧含量配料值為0.09%，另外5支氧含量配料值為0.13%，見表1。表1數(shù)據(jù)顯示，這10支鑄錠的頭部微量增氧，符合VAR熔煉的正常情況。底部的氧含量都有不同程度的損失，配料值為0.09%的5支鑄錠底部氧含量平均損失0.017 8%，而配料值0.13%的5支鑄錠底部氧含量平均損失0.028 2%。另一方面整個鑄錠的頭底氧含量偏差也較大，配料值為0.090%的5支鑄錠其頭底氧含量偏差的平均值為0.027 8%，配料值為0.130%的5支鑄錠其頭底氧含量偏差的平均值為0.031 8%。氧含量分布不均勻。

表1 第一組均勻加氧鑄錠氧含量 %

1.2 脫氧原因分析

根據(jù)合金凝固過程中的溶質(zhì)再分配原理可知，氧元素的平衡分配常數(shù)KO＝1.5，大于1［4］，所以在凝固過程中略微向固相富集，將一次鑄錠掉頭熔煉后，一般會生產(chǎn)出氧元素分布均勻的純鈦鑄錠。表1數(shù)據(jù)顯示，成品鑄錠底部實測值與配料值偏差都為負(fù)偏差，而頭部實測值與配料值偏差為正偏差，并且實測值的頭底偏差為正偏差，說明兩次熔煉氧含量的偏差程度不同，在一次熔煉中有一部分氧被脫除，沒有留在鑄錠中。根據(jù)以往生產(chǎn)經(jīng)驗，生產(chǎn)低氧含量鑄錠，不需要加入氧添加劑TiO2粉末，熔煉后整體氧含量比配料值高。生產(chǎn)高氧含量鑄錠時，鑄錠對于氧含量要求越高，配料時加入的TiO2粉末量就越多，最終結(jié)果實測值與配料值偏差越大，所以推測發(fā)生成品鑄錠底部脫氧的主要原因是一次熔煉時鑄錠上部的TiO2被去除，掉頭熔煉后，導(dǎo)致成品鑄錠底部氧含量降低。

鎂熱還原法（Kroll法）生產(chǎn)海綿鈦工藝中包括還原和蒸餾過程，蒸餾不充分的情況下，海綿鈦中就留存少量的Mg和MgCl2［5］。實際生產(chǎn)中單根電極重量為9 t，熔煉時間長，在熔煉過程中，海綿鈦中的Mg遇高溫先以氣態(tài)揮發(fā)出來，然后上升過程中遇冷凝固在結(jié)晶器內(nèi)壁上，越到熔煉后期，結(jié)晶器璧上凝固的Mg就會越多，當(dāng)熔煉到此處時，結(jié)晶器內(nèi)壁上的Mg在低壓和高溫環(huán)境下可與TiO2發(fā)生反應(yīng)（1），從而生成MgO和Ti粉末［6］。

這樣就導(dǎo)致進(jìn)入鑄錠中的TiO2量減少，一次鑄錠上部氧含量降低，最終導(dǎo)致成品鑄錠底部表現(xiàn)為脫氧。

2 對策及試驗驗證

既然脫氧是由于在一次熔煉時凝結(jié)在結(jié)晶器內(nèi)壁上的Mg與TiO2發(fā)生反應(yīng)，使進(jìn)入鑄錠中的TiO2量減少造成的，那么在自耗電極上部加入過量的TiO2粉末，抵消因Mg還原而損失的TiO2，應(yīng)能解決此問題。因此再取10支鑄錠為第二組，原材料使用粒度為0.83～25.4 mm的鎂法生產(chǎn)海綿鈦，生產(chǎn)高氧鑄錠，并且在自耗電極上部1／4～1／3處，氧含量多配0.03%～0.04%，也是以TiO2粉末形式加入，經(jīng)過兩次真空自耗電弧爐熔煉成Ф1 040 mm鑄錠，熔煉過程及取樣部位與第一組鑄錠相同。具體試驗結(jié)果見表2。

表2數(shù)據(jù)顯示，這10支鑄錠的頭部也微量增氧，符合VAR熔煉的正常情況，與第一組鑄錠相同。但鑄錠底部氧含量的損失情況明顯改善，配料值為0.10%的5支鑄錠底部氧含量平均損失0.006 4%，而配料值為0.13%的5支鑄錠底部氧含量平均損失0.008 6%。試驗證明進(jìn)行梯度加氧明顯改善了鑄錠底部脫氧情況。

另一方面整個鑄錠的頭部與底部氧含量偏差也較小，配料值為0.10%的5支鑄錠其頭部與底部氧含量偏差的平均值為0.001%，配料值為0.130%的5支鑄錠其頭部與底部氧含量偏差的平均值為0.002 6%。通過圖2兩組鑄錠頭底氧含量偏差的對比，顯示經(jīng)過梯度加氧的鑄錠的頭部與底部氧含量偏差值明顯小于不進(jìn)行梯度加氧的鑄錠頭部與底部氧含量偏差值。鑄錠氧含量頭尾偏差從0.043%以內(nèi)控制到了0.011%以內(nèi)。試驗結(jié)果表明進(jìn)行梯度加氧明顯改善了鑄錠整體的氧含量均勻性。

表2 第二組鑄錠氧含量 %

圖2 兩組鑄錠頭底氧含量偏差對比

3 結(jié) 論

1.純鈦鑄錠底部脫氧是由于在一次熔煉時海綿鈦中的Mg與氧添加劑TiO2反應(yīng)引起。

2.通過梯度加氧的方式可以解決純鈦鑄錠脫氧的問題，并改善純鈦鑄錠氧元素成分均勻性，鑄錠氧含量頭尾偏差控制在0.011%以內(nèi)。