1、序言

純鈦是指具有不同的Fe、C、O、N等雜質含量的非合金鈦，所包含的牌號為TA1、TA2、TA3和TA4。純鈦主要應用于要求高塑性、適當的強度、良好的耐蝕性及焊接性的場合,因其較好的機械加工性能,適于生產各種規格的板材、棒材、型材、帶材、管材和箔材，因其優良的綜合性能，廣泛應用于航空航天、船舶、化工、生物醫學、建筑、交通、體育與生活用品等各領域[2]。

據報告，2023年我國共生產鈦加工材15.91萬t,且近年來保持較高的增長態勢，其中冷軋帶材產量為1.9萬t，占比11.9%。制備純鈦帶材的主要工藝路線為“海綿鈦→熔煉鑄錠→鍛造板坯→板坯銑磨→熱軋→酸洗→冷軋→成品退火→檢驗→包裝”。由于帶材生產的工藝路線較長，工序環節眾多，目前行業內企業生產厚度為0.4~0.7mm、寬度為1250mm的純鈦帶材，其成材率大多在75%左右。若能在保證帶材產品質量的前提下提高其成材率，創造的經濟效益和社會效益將極為可觀。為提高材料利用率，減少材料浪費，推動鈦帶材產業綠色、可持續發展，提高純鈦帶材成材率的問題亟待解決。采用真空自耗電弧爐(VAR)熔煉的鈦錠表面常存在較多的氣孔、冷隔、疏松等缺陷，通常需扒皮處理將缺陷清除，避免鑄錠在后續鍛造開坯時產生表面開裂，導致較大的材料損失，甚至導致直接報廢。由于鍛造、銑磨、軋制等加工環節的工藝相對成熟，因此鑄錠質量好壞對加工材成品率及成本有重要影響[3]。

本文以試制的0.5mm厚冷變形用帶材為研究對象，首先，通過優化VAR熔煉15t、∅1160mm超大規格純鈦鑄錠的成品熔煉工藝，提高鑄錠表面質量,減少氣孔和冷隔缺陷;然后,分別采用常規的機械加工工藝和試驗工藝處理鑄錠，再經過相同的鍛造、銑磨、熱軋、酸洗及冷軋等后續工序，加工成0.5mm厚、1250mm寬的成品帶材;最后，對兩種工藝制成的成品帶材進行表面質量、力學性能和晶粒度等級檢測，并按照ASTM B265:2025《鈦及鈦合金帶材、薄板和板材標準規范》和客戶要求進行評定，同時對比分析兩種工藝下成品帶材的成材率。

2、鑄錠熔煉

2.1電極塊壓制

試驗用原材料為國內大廠生產的0級標準顆粒海綿鈦。計劃各投料 12 t,試制兩個純鈦鑄錠。海綿鈦經先進的全自動混布料系統,可滿足不同組分原料的準確稱重及充分混合,之后經萬噸級油壓機壓制成電極塊,電極塊密度>3.3g/cm³,確保熔煉無掉塊。海綿鈦、萬噸級油壓機和電極塊分別如圖1~圖3所示。

2.2電極塊焊接

電極塊焊接采用的真空焊箱，可實現單重15t一次性焊接，防止了爐外焊接過程中接觸大氣帶來的氧化、氮化污染。單根電極可完成一個15t成品鑄錠的生產任務，防止了電極對焊不良產生的掉塊、斷裂等影響產品質量的隱患發生，保證了鑄錠產品的冶金品質。經真空等離子焊箱焊接得到自耗電極，真空等離子焊箱和自耗電極分別如圖4、圖5所示。

2.3熔煉

自耗電極經兩次15tVAR熔煉得到成品鑄錠。熔煉電流、冷卻強度、磁場強度、自耗電極與坩堝間隙、操作水平等是影響鑄錠表面質量的重要因素 [4]。

對于鈦，坩堝比一般在0.625~0.88，坩堝比大，則鑄錠表面質量好，致密度高5。本次試制的坩堝規格分別為Φ1080mm和Φ1160mm，坩堝比較大。

降低熔煉電流，增大穩弧電流和穩弧周期，有助于得到“扁平狀”熔池，改善熔池到邊情況，從而實現鑄錠成分均勻性和表面質量的綜合控制。本次試制前針對二次錠的熔煉工藝進行了優化，主要通過降低熔煉電流控制熔速。通過穩弧電流的調節控制磁場強度，進而控制熔池的深度和形狀，以改善金屬在熔池中的結晶條件和成分均勻性，達到提高真空熔煉操作的安全性和對鑄錠質量控制的目的[7]。本次試制增大穩弧電流，改善了熔池到邊狀態;增加穩弧周期，適當拉長攪拌換向時間，增加了熔池穩定時間。

要獲得表面質量優良的大規格鑄錠，還需采用“平靜熔煉”法，通過控制熔煉電壓，抑制熔煉過程中錠冠的形成，一般應控制在32~45V，保持合理的弧距 [8]。本次試制降低了熔煉電壓，減小弧距，使熔池盡量保持平穩。

上述優化的最終目的在于提高鑄錠的表面質量，減少氣孔、疏松、冷隔等缺陷，提高鑄錠的成材率。優化前后的主要熔煉工藝參數見表1。

表1優化前后的主要熔煉工藝參數

工藝	熔煉電流/kA	熔煉電壓/V	穩弧電流/A	穩弧周期/s
優化前	35~40	32~39	交流25~37	15～20
優化后	30～35	28～33	交流38~45	25~30

控制熔速后，總熔煉時間增加40~50min，對生產節拍影響不大。二次錠出爐后，其表面質量較優化工藝前有較大改善，表面呈現金屬光澤，無冷隔缺陷如圖6所示。

2.4成品鑄錠加工

將其中一根鑄錠按照常規處理工藝整錠扒皮后取樣，命名為常規工藝鑄錠;另一根鑄錠僅在頭、底部扒皮并取樣，命名為試驗工藝鑄錠。試樣按照GB/T 4698標準進行成分檢測。處理后的成品鑄錠如圖7所示，鑄錠成分見表2。

表2鑄錠成分(質量分數)

(%)

元素	Fe		C	N	H
常規工藝鑄錠(頭/底)	0.02/0.019	0.037/0.032	0.007/0.008	0.003/0.004	0.0009/0.0008
試驗工藝鑄錠(頭/底)	0.019/0.019	0.038/0.038	0.007/0.009	0.003/0.003	0.0007/0.0008

3、鍛造板坯

常規工藝和試驗工藝鑄錠在箱式電阻爐中按照(1000~1050)℃x(300~360)min的加熱制度加熱，再分別經63MN(1tf≈10kN)快鍛機按一大火次壓扁鍛造成毛板坯，變形量為70%～75%，毛板坯經銑磨后得到尺寸為(200~220)mmx(1250~1260)mmxL的成品板坯;毛板坯如圖8所示，成品板坯如圖9所示。

4、熱軋、酸洗

成品板坯經步進式加熱爐加熱至(1000~1050)℃x(180~300)min。之后經1700mm熱軋生產線熱軋成卷、酸洗、切邊，得到厚度約4mm、寬度為1250mm的白皮卷。熱軋線設備及白皮卷如圖10所示。

5、冷軋

厚度約4mm、寬度為1250mm的白皮卷經1450mm二十輥可逆式冷軋機15~20道次冷軋成厚度為0.5mm、寬度為1250mm的帶卷，帶卷經脫脂清洗、成品退火和拉矯后得到成品帶卷。冷軋過程中觀察帶材表面質量，若有影響進一步軋制的缺陷，則需增加中間酸洗工序。冷軋線設備如圖11所示，成品帶卷打包后如圖12所示。

6、檢測

6.1表面質量

對拉矯后的成品帶材進行表面質量檢測。本次試制的帶材表面質量高，無壓坑、劃傷等表面缺陷，表面質量Ra值均小于0.25μm，達到超精細表面水平。表面質量檢測結果如圖13所示。

6.2力學性能

分別對常規工藝和試驗工藝后的成品帶材取樣，檢測其各項性能，并參照ASTM B265:2025中技術標準和客戶要求進行評定。檢測數據見表3。

表3檢測數據

標準及客戶要求		常規工藝帶材		試驗工藝帶材
		實測值		實測值
		縱向L	橫向T	縱向L	橫向T
抗拉強度 /MPa	≥240	321	328	308	311
屈服強度 /MPa	138~310	218	175	201	163
斷后伸長 率(%)	≥24	39.5	41.5	38.5	41.5
硬度HV		121、120、126		125、129、128
杯突值	>10	10.8		11.1
彎曲角度 /( )	105	D=3T合格		D=3T合格

從表3可看出，常規工藝和試驗工藝的成品帶材其各項檢測數據均滿足標準和客戶要求，數據差異性較小。

6.3晶粒度

對常規工藝和試驗工藝的成品帶材進行高倍組織的晶粒度評級，客戶要求晶粒度≥5級，評級結果均為8.5級，滿足要求，如圖14所示。

6.4成材率對比

常規工藝和試驗工藝成品帶材在各加工環節的重量及成材率統計數據見表4。

表4各工序重量及成材率數據統計

工序	常規工藝帶材		試驗工藝帶材
	重量 /kg	工序成材率 (%)	重量	工序成材 率(%)
海綿鈦 (投料)	12000	一	12000
成品鑄錠	11470	95.58	11840	98.67
成品板坯	10325	90.02	10720	90.54
成品帶材	8995	87.12	9570	89.27
綜合		74.96	-	79.75

7、結束語

1)使用VAR熔煉的15t、∅1160mm超大規格純鈦鑄錠，分別經常規機械加工工藝和試驗工藝處理，再經后續工序生產為0.5mm厚的成品帶材，其表面質量Ra<0.25μm，達到超精細表面水平，其力學性能、晶粒度等級等各項檢測結果均滿足ASTM B265:2025中技術標準和客戶要求。

2)較常規工藝，試驗工藝研制出的成品帶材綜合成材率提高4.79%,其中,成品鑄錠工序的成材率提高3.09%、成品板坯工序的成材率提高0.52%、成品帶材的軋制工序成材率高2.15%(常規工藝帶材因冷軋后表面質量問題存在二次酸洗的情況)。因此，在產品質量得以保證的前提下，采用試驗工藝的成品帶材較常規工藝可有效提高成材率。

3)鍛造、銑磨、軋制等加工環節的工藝已相對成熟，其帶來的材料損耗趨于穩定，因此鑄錠質量成為影響加工材成品率及成本的關鍵因素。而要采用試驗工藝中的鑄錠加工方案，前提是優化成品鑄錠的熔煉工藝。根據本文試制Φ1160mm大規格鑄錠的經驗，在坩堝比一定的條件下，采取降低熔煉電流至30~35kA、降低熔煉電壓至28~33V、增大穩弧電流至38~45A、增加穩弧周期至25~30s的措施，有助于得到“扁平狀”較穩定的熔池，改善熔池到邊情況，實現鑄錠成分均勻性和表面質量的綜合控制，提高鑄錠的表面質量，最終達到提高0.5mm厚帶材成材率的目的。

參考文獻:

[1]李青云，王道隆，劉雅庭，等.稀有金屬材料加工手冊[M].1版.北京:冶金工業出版社，1984.

[2]黃伯云，李成功，石力開，等.中國材料工程大典第4卷:有色金屬材料工程(上)[M].1版.北京:化學工業出版社，2006.

[3]李獻軍.真空自耗電弧爐熔煉技術和鑄錠質量問題[J].鈦工業進展，2001(3):16-22.

[4]陳峰，彭強，陳麗，等.VAR熔煉大規格鈦鑄錠表面質量與熔煉電壓的關系[J].科技創新與應用，2015，115(3):31-32.

[5]李獻軍.真空自耗電弧爐熔煉技術和鑄錠質量問題[J].鈦工業進展,2001(3):16-22.

[6]楊健，張開發，曹江海，等.VAR熔煉制備超大規格TC4ELI鈦合金鑄錠研究[J].鈦工業進展，2023，40(4):1-5.

[7]鄒偉，高頎，陳戰乾，等.VAR爐熔煉過程中磁場作用的分析[J].鈦工業進展，2003(Z1):59-62.

[8]陳峰，彭強，陳麗，等.VAR熔煉大規格鈦鑄錠表面質量與熔煉電壓的關系[J].科技創新與應用,2015,115(3):31-32.

（注，原文標題：一種有效提高0.5mm厚純鈦帶材成材率的工藝研究_楊松）

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