วิธีการหลอมโลหะผสมไททาเนียมห้าวิธี

วิธีการหลอมโลหะผสมไททาเนียมห้าวิธี

โดยทั่วไปวิธีการหลอมโลหะผสมไทเทเนียมจะแบ่งออกเป็น: 1. วิธีการหลอมเตาอาร์คบริโภคสุญญากาศ; 2. วิธีการหลอมเตาอาร์คสุญญากาศแบบไม่สิ้นเปลือง; 3. วิธีการหลอมเบดเตาเย็น; 4. วิธีการหลอมเบ้าหลอมเย็น; 5. ห้าวิธีในการละลายตะกรันด้วยไฟฟ้า.

1. วิธีการหลอมเตาอาร์คบริโภคสุญญากาศ (วิธี VAR เรียกสั้น ๆ)

ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีสุญญากาศและการประยุกต์ใช้คอมพิวเตอร์, วิธี VAR กลายเป็นเทคโนโลยีการผลิตทางอุตสาหกรรมที่เติบโตเต็มที่สำหรับไทเทเนียมอย่างรวดเร็ว. วันนี้, ไทเทเนียมและแท่งโลหะผสมส่วนใหญ่ผลิตขึ้นโดยใช้วิธีนี้. ลักษณะสำคัญของวิธี VAR คือการใช้พลังงานต่ำ, ความเร็วการหลอมสูง, และความสามารถในการทำซ้ำที่มีคุณภาพดี. แท่งโลหะที่หลอมโดยวิธี VAR มีโครงสร้างผลึกที่ดีและมีองค์ประกอบทางเคมีที่สม่ำเสมอ. โดยปกติ, แท่งโลหะที่เสร็จแล้วควรละลายโดยใช้วิธี VAR และผ่านกระบวนการหลอมใหม่อย่างน้อยสองขั้นตอน. วิธี VAR ใช้ในการผลิตแท่งไทเทเนียม, และกระบวนการที่ใช้โดยผู้ผลิตทั่วโลกโดยพื้นฐานแล้วจะคล้ายคลึงกัน, โดยมีความแตกต่างอยู่ที่การใช้วิธีและอุปกรณ์ในการเตรียมอิเล็กโทรดที่แตกต่างกัน. การเตรียมอิเล็กโทรดสามารถแบ่งได้เป็น 3 ประเภท: อันดับแรก, โดยใช้อิเล็กโทรดอินทิกรัลที่ถูกกดอย่างต่อเนื่องโดยการเติมวัสดุเป็นชุด, ไม่รวมกระบวนการเชื่อมอิเล็กโทรด; ที่สอง, อิเล็กโทรดเดี่ยวกดและประกบเป็นอิเล็กโทรดสิ้นเปลือง. และเชื่อมเข้าด้วยกันโดยการเชื่อมอาร์กพลาสมาอาร์กอนหรือการเชื่อมแบบสุญญากาศ; วิธีที่สามคือการใช้วิธีการหลอมแบบอื่นเพื่อเตรียมอิเล็กโทรดหล่อ.

ลักษณะทางเทคนิคและข้อดีของเตาเผา VAR ขั้นสูงที่ทันสมัย:

(1) กำลังไฟฟ้าเข้าโคแอกเซียลเต็ม, ซึ่งหมายถึงความโคแอกเชียลที่สมบูรณ์ของความสูงของเตาทั้งหมด, เรียกว่าแหล่งจ่ายไฟโคแอกเซียล, ลดการเกิดปรากฏการณ์การแบ่งแยก;

(2) การปรับเทียบด้วยไฟฟ้าภายในถ้วยใส่ตัวอย่างสามารถปรับละเอียดได้ในทิศทางของแกน X/แกน Y;

(3) ติดตั้งระบบชั่งน้ำหนักอิเล็กโทรดที่แม่นยำ, อัตราการหลอมเหลวจะถูกควบคุมโดยอัตโนมัติ, บรรลุความเร็วการหลอมคงที่และรับประกันคุณภาพการหลอม;

(4) รับประกันความสามารถในการทำซ้ำและความสม่ำเสมอของกระบวนการหลอมแต่ละกระบวนการ;

(5) ความยืดหยุ่นหมายถึงความสามารถของเตาหลอมเดียวในการผลิตแท่งโลหะหลายประเภทและการผลิตแท่งโลหะจำนวนมาก, ซึ่งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตได้อย่างมาก;

(6) มีศักยภาพทางเศรษฐกิจที่ดี. ที่ “แหล่งจ่ายไฟโคแอกเซียล” วิธีนี้สามารถหลีกเลี่ยงการรั่วไหลของแม่เหล็กที่เกิดจากการจ่ายกระแสไฟฟ้าที่ไม่สมดุลไปยังเบ้าหลอม, ทำให้อ่อนลงหรือกำจัดผลกระทบจากสนามแม่เหล็กเหนี่ยวนำที่มีต่อผลิตภัณฑ์ที่หลอมละลาย, และปรับปรุงประสิทธิภาพไฟฟ้า, จึงได้แท่งโลหะที่มีคุณภาพคงที่. วัตถุประสงค์ของ “การหลอมละลายด้วยความเร็วคงที่” คือการปรับปรุงคุณภาพของแท่งโลหะ, โดยใช้ระบบควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ขั้นสูงและเซ็นเซอร์น้ำหนักเพื่อให้แน่ใจว่ามีความยาวส่วนโค้งและอัตราการหลอมคงที่ในระหว่างกระบวนการหลอม, จึงควบคุมกระบวนการแข็งตัว. สามารถป้องกันการแยกตัวได้อย่างมีประสิทธิภาพและรับประกันคุณภาพที่แท้จริงของแท่งโลหะ.

นอกเหนือจากคุณสมบัติทั้งสองข้างต้นแล้ว, เตา VAR ที่ทันสมัยสำหรับการหลอมไทเทเนียมยังประสบความสำเร็จในการผลิตเตา VAR ในปริมาณมากอีกด้วย. เตา VAR สมัยใหม่สามารถหลอมแท่งโลหะขนาดใหญ่ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.5 ม. และน้ำหนัก 32 ตัน.

วิธี VAR เป็นวิธีการหลอมทางอุตสาหกรรมที่เป็นมาตรฐานสมัยใหม่สำหรับไทเทเนียมและโลหะผสมไทเทเนียม. แต่ยังมีเทคโนโลยีต่อไปนี้ที่ต้องได้รับการแก้ไข:

ประการแรก, วิธีการเตรียมอิเล็กโทรด. กระบวนการเตรียมอิเล็กโทรดมีความซับซ้อนมาก, ต้องใช้เครื่องอัดราคาแพงในการอัดฟองน้ำไททาเนียม, โลหะผสมระดับกลาง, และส่งคืนวัสดุที่เหลือเข้าไปในอิเล็กโทรดรวมหรือแผ่นไฟฟ้าขนาดเล็กแผ่นเดียว. อิเล็กโทรดเดี่ยวยังต้องเชื่อมเข้ากับอิเล็กโทรดที่บริโภคได้. ในเวลาเดียวกัน, เพื่อให้มั่นใจถึงความสม่ำเสมอของส่วนประกอบอิเล็กโทรดที่บริโภคได้, สิ่งอำนวยความสะดวกที่สอดคล้องกันเช่นผ้า, การชั่งน้ำหนัก, และจำเป็นต้องกำหนดค่าการผสม.

ประการที่สอง, ข้อบกพร่องทางโลหะวิทยาเป็นครั้งคราว เช่น การแยกจากกัน, เช่นการแยกองค์ประกอบและการแยกการแข็งตัว.

สาเหตุแรกเกิดจากการกระจายองค์ประกอบที่ไม่บริสุทธิ์หรือองค์ประกอบโลหะผสมในอิเล็กโทรดอย่างไม่สม่ำเสมอ, ซึ่งแข็งตัวก่อนที่จะถึงการกระจายสมดุลระหว่างการหลอมละลาย; อย่างหลังนี้เกิดจากการนำสารรวมที่มีความหนาแน่นสูงมาใช้เป็นครั้งคราว (เอชดีไอ) และการรวมตัวที่มีความหนาแน่นต่ำ (แอลดีไอ) เข้าสู่วัตถุดิบหรือกระบวนการ, ซึ่งไม่สามารถละลายได้หมดในระหว่างกระบวนการหลอม, ส่งผลให้เกิดข้อบกพร่องทางโลหะวิทยาที่มีอันตรายสูง เช่น สารเจือปน.

2. วิธีการหลอมเตาอาร์คสุญญากาศแบบไม่สิ้นเปลือง (ลดความซับซ้อนเป็นวิธี NC)

ในปัจจุบัน, อิเล็กโทรดทองแดงที่ระบายความร้อนด้วยน้ำได้เปลี่ยนอิเล็กโทรดทอเรียมทังสเตนหรืออิเล็กโทรดกราไฟท์ในระยะเริ่มแรกของอุตสาหกรรมไทเทเนียม, การแก้ปัญหามลพิษทางอุตสาหกรรมและทำให้วิธี NC เป็นวิธีการสำคัญในการหลอมไทเทเนียมและโลหะผสมไทเทเนียม. เตา NC หลายตันเปิดดำเนินการในยุโรปและอเมริกา.

อิเล็กโทรดทองแดงระบายความร้อนด้วยน้ำมีสองประเภท: อันหนึ่งคือการหมุนตัวเอง; อีกประเภทหนึ่งคือสนามแม่เหล็กหมุน, ซึ่งมีจุดมุ่งหมายเพื่อป้องกันการไหม้ของอิเล็กโทรดที่เกิดจากอาร์คไฟฟ้า.

เตา NC ยังแบ่งได้เป็น 2 ประเภท: วิธีแรกคือการละลายวัตถุดิบในเบ้าหลอมทองแดงที่ระบายความร้อนด้วยน้ำ และหล่อให้เป็นแท่งในแม่พิมพ์ทองแดงที่ระบายความร้อนด้วยน้ำ; อีกวิธีหนึ่งคือการป้อนวัตถุดิบลงในถ้วยใส่ตัวอย่างทองแดงระบายความร้อนด้วยน้ำอย่างต่อเนื่องเพื่อการหลอมและการแข็งตัว.

ข้อดีของวิธีการหลอม NC คือ: 1 สามารถขจัดกระบวนการกดอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรดเชื่อมได้; ② สามารถทำให้ส่วนโค้งอยู่บนวัสดุเป็นระยะเวลานานขึ้น, จึงช่วยปรับปรุงความสม่ำเสมอขององค์ประกอบของแท่งโลหะ; 3. สามารถใช้วัตถุดิบที่มีรูปทรงและขนาดต่างกันได้, และ 100% สามารถเพิ่มวัสดุที่เหลือได้ในระหว่างกระบวนการหลอมเพื่อให้เกิดการรีไซเคิลไททาเนียม.

วิธีการ NC, เป็นกระบวนการถลุง, ค่อนข้างได้เปรียบในแง่ของการปรับปรุงอัตราการคืนสภาพของวัสดุเหลือใช้และลดต้นทุน. โดยปกติ, เตาเผา NC และเตาเผา VAR ถูกนำมาใช้ร่วมกันเพื่อใช้ประโยชน์จากข้อได้เปรียบที่เกี่ยวข้องอย่างเต็มที่.

3. วิธีการหลอมเบดเตาเย็น (เรียกว่าวิธี CHM)

ข้อบกพร่องในการรวมโลหะวิทยาในแท่งโลหะผสมไทเทเนียมและไทเทเนียมที่เกิดจากมลภาวะของวัตถุดิบและกระบวนการหลอมละลายที่ผิดปกติ ส่งผลกระทบต่อการใช้ไทเทเนียมและโลหะผสมไทเทเนียมในสนามการบินและอวกาศ. เพื่อกำจัดการรวมตัวของโลหะในชิ้นส่วนที่หมุนของเครื่องยนต์เครื่องบินโลหะผสมไทเทเนียม, มีการนำเทคโนโลยีการหลอมเตาเย็นมาใช้.

คุณลักษณะที่ใหญ่ที่สุดของวิธี CHM คือการแยกการหลอมเหลว, การกลั่น, และกระบวนการแข็งตัว. นั่นก็คือ, วัสดุเตาหลอมจะเข้าสู่เตียงเตาหลิงเพื่อทำการหลอมก่อน, จากนั้นเข้าสู่โซนการกลั่นของเตียงเตาเย็นเพื่อทำการกลั่น, และแข็งตัวเป็นแท่งโลหะในบริเวณตกผลึกในที่สุด. ข้อได้เปรียบที่สำคัญของเทคโนโลยี CHM คือสามารถสร้างเปลือกควบแน่นบนผนังของเตียงเตาเย็นได้, และมัน “โซนหนืด” สามารถจับสิ่งเจือปนที่มีความหนาแน่นสูงได้ (เอชดีไอ) เช่น ห้องสุขา, โม, เผชิญหน้า, ฯลฯ. ในเวลาเดียวกัน, ในเขตความแม่นยำ, เวลาที่อยู่อาศัยของการรวมที่มีความหนาแน่นต่ำ (แอลดีไอ) อนุภาคในของเหลวที่มีอุณหภูมิสูงจะยืดเยื้อออกไป, ซึ่งสามารถรับประกันการละลาย LDI โดยสมบูรณ์และกำจัดข้อบกพร่องที่รวมอยู่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ. กล่าวคือ, กลไกการทำให้บริสุทธิ์ของการหลอมเตาหลอมเย็นสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภท: การแยกความถ่วงจำเพาะและการแยกการหลอม.

3.1 ลำแสงอิเล็กตรอนเย็นเบดละลาย (อีบีซีเอ็ม) การหลอมลำอิเล็กตรอน (อีบี) เป็นกระบวนการที่ใช้พลังงานของอิเล็กตรอนความเร็วสูงเพื่อสร้างความร้อนในวัสดุเองเพื่อการหลอมและการกลั่น. เตา EB ที่มีเตียงเตาเย็นเรียกว่า EBCHM. วิธี EBCHM มีฟังก์ชันที่ยอดเยี่ยมซึ่งวิธีการหลอมแบบดั้งเดิมไม่มี:

(1) กำจัดสิ่งเจือปนที่มีความหนาแน่นสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ (เอชดีไอ) เช่นแทนทาลัม, โมลิบดีนัม, ทังสเตน, ทังสเตนคาร์ไบด์, และไทเทเนียมไนไตรด์. การรวมความหนาแน่นต่ำ (แอลดีไอ) เช่นไทเทเนียมออกไซด์;

(2) ยอมรับวิธีการให้อาหารได้หลายวิธี, และการฟื้นตัวของสารตกค้างของไทเทเนียมนั้นค่อนข้างง่าย. แม้ว่าวัสดุเหลือใช้ที่ไม่สามารถนำไปใช้โดยวิธีการถลุงอื่นๆ ก็สามารถนำมาใช้ได้, แท่งไทเทเนียมบริสุทธิ์ยังสามารถผลิตได้, ลดต้นทุนของผลิตภัณฑ์ได้อย่างมาก;

(3) สามารถสุ่มตัวอย่างได้โดยตรง, วิเคราะห์, และทดสอบจากโลหะเหลว;

(4) สามารถผลิตแท่งโลหะที่มีรูปร่างไม่สม่ำเสมอได้, ลดกระบวนการผลิต, ลดการใช้วัตถุดิบ, และปรับปรุงผลผลิต;

วิธี EBCHM ยังมีข้อเสียดังต่อไปนี้:

(1) การหลอมจะต้องดำเนินการภายใต้สภาวะสุญญากาศสูง, ดังนั้นฟองน้ำไทเทเนียมที่มีปริมาณคลอไรด์สูงจึงไม่สามารถละลายได้โดยตรง;

(2) องค์ประกอบของโลหะผสมมีความผันผวนและควบคุมองค์ประกอบทางเคมีได้ยาก.

3.2 วิธีการหลอมด้วยพลาสมาเย็นเบด (วิธี PCHM Tube)

วิธี PCHM ใช้พลาสมาอาร์กที่สร้างขึ้นโดยการไอออไนซ์ของก๊าซเฉื่อยเป็นแหล่งความร้อน, และสามารถทำการหลอมเหลวได้อย่างสมบูรณ์ในช่วงความดันกว้างตั้งแต่สุญญากาศต่ำไปจนถึงความดันบรรยากาศใกล้เคียง. The significant feature of this method is that it can ensure the composition of alloys with different vapor pressures, and there is no obvious difference during the melting process. This method has the ability to provide improved traditional table metal properties and can achieve the melting of diversified alloys. It is an economical melting method compared to traditional melting methods. By using this method for melting, ideal ingots can be obtained in one melting process for titanium and titanium alloys. The advantages of modern PCHM method are:

① Low equipment investment, easy operation, safe and reliable;

② Different types and forms of raw materials can be used, with high residual material recovery rate;

③ Ensure the chemical composition of diversified alloys;

④ สามารถรีไซเคิลและนำก๊าซเฉื่อยกลับมาใช้ใหม่ได้ซึ่งมีราคาแพง, ลดต้นทุนการผลิต.

ข้อเสียของวิธี PCHM คือประสิทธิภาพทางไฟฟ้าต่ำ. ความคล้ายคลึงกันระหว่าง EBCHM และ PCHM อยู่ที่ความสามารถในการกำจัด HDI และ LDI. โดยทั่วไปแล้วแบบแรกจะเหมาะสำหรับการหลอมไทเทเนียมบริสุทธิ์มากกว่า; สำหรับโลหะผสม, อย่างหลังเหมาะกว่า. เช่นเดียวกับวิธีการ VAR, สองวิธีข้างต้นบรรลุการควบคุมกระบวนการอัตโนมัติขนาดใหญ่, รวมถึงพารามิเตอร์กระบวนการ (ความเร็วในการหลอมละลาย, การกระจายอุณหภูมิระหว่างกระบวนการหลอมและการแข็งตัว, การเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบระหว่างการหลอมละลาย, ระดับการกำจัดสารที่ไม่ละลายน้ำ, ฯลฯ) และคุณภาพ.

4. วิธีการหลอมเบ้าหลอมเย็น (วิธี CCM สั้น ๆ)

ในช่วงทศวรรษ 1980, บริษัทเฟอร์โรซิลิกอนของอเมริกาได้พัฒนาเทคโนโลยีการหลอมแบบเหนี่ยวนำโดยปราศจากตะกรัน, pushing the CCM method to industrial production applications for the production of titanium ingots and precision castings. In recent years, in some economically developed countries, the CCM method has begun to enter the industrial production scale, with the maximum diameter of ingots being 1m and the length being 2m, and its development prospects are remarkable. The CCM smelting process is carried out in a metal crucible composed of non-conductive water-cooled arc-shaped blocks or copper tubes. The biggest advantage of this combination is that the gap between each two blocks is an enhanced magnetic field, and the strong stirring generated by the magnetic field makes the chemical composition and temperature consistent, thereby improving product quality. วิธี CCM ผสมผสานคุณลักษณะของวิธี VAR และการหลอมเหนี่ยวนำของวัสดุทนไฟในถ้วยใส่ตัวอย่าง. ไม่จำเป็นต้องใช้วัสดุทนไฟหรืออิเล็กโทรดเพื่อให้ได้แท่งโลหะคุณภาพสูงที่มีองค์ประกอบสม่ำเสมอและไม่มีการปนเปื้อนในถ้วยใส่ตัวอย่างในกระบวนการหลอมเดี่ยว. เปรียบเทียบกับวิธี VAR, วิธี CCM มีข้อดีคือต้นทุนอุปกรณ์ต่ำและใช้งานง่าย, แต่จากมุมมองปัจจุบัน, เทคโนโลยีนี้ยังอยู่ในขั้นตอนการพัฒนา.

5. วิธีการหลอมด้วยไฟฟ้าสแล็ก (วิธี ESR สั้น ๆ)

วิธี ESR แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานความร้อนโดยใช้การชนกันของอนุภาคที่มีประจุเมื่อกระแสไหลผ่านตะกรันที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า. ความร้อนที่เกิดจากความต้านทานของตะกรันจะใช้ในการหลอมและปรับแต่งวัสดุเตาเผา. วิธี ESR ใช้อิเล็กโทรดสิ้นเปลืองสำหรับการหลอมด้วยไฟฟ้าสแลกในตะกรันที่ไม่ใช้งาน (CaF2), ซึ่งสามารถหลอมเป็นแท่งที่มีรูปร่างเดียวกันได้โดยตรงและมีคุณภาพพื้นผิวที่ดี, เหมาะสำหรับการประมวลผลโดยตรงในกระบวนการต่อไป. ข้อดีของกฎหมายฉบับนี้คือ:

(1) ความร่วมแกนที่สมบูรณ์ของเตา ESR ช่วยให้มั่นใจถึงความสามารถในการทำซ้ำของแท่งโลหะคุณภาพดีที่สุด;

(2) การตกผลึกตามแนวแกนของแท่งโลหะ, ด้วยโครงสร้างที่หนาแน่นและสม่ำเสมอ;

(3) ระบบชั่งน้ำหนักอิเล็กโทรดที่มีความแม่นยำสูงและระบบควบคุมอัตราการหลอมเหลว;

(4) อุปกรณ์นี้เรียบง่ายและใช้งานง่าย. ข้อเสียคือไม่สามารถระบายมลภาวะของตะกรันบนแท่งโลหะได้.