发布日期：2026-4-22 9:56:56
1、序言
纯钛是指具有不同的Fe、C、O、N等杂质含量的非合金钛，所包含的牌号为TA1、TA2、TA3和TA4。纯钛主要应用于要求高塑性、适当的强度、良好的耐蚀性及焊接性的场合,因其较好的机械加工性能,适于生产各种规格的板材、棒材、型材、带材、管材和箔材，因其优良的综合性能，广泛应用于航空航天、船舶、化工、生物医学、建筑、交通、体育与生活用品等各领域[2]。
据报告，2023年我国共生产钛加工材15.91万t,且近年来保持较高的增长态势，其中冷轧带材产量为1.9万t，占比11.9%。制备纯钛带材的主要工艺路线为“海绵钛→熔炼铸锭→锻造板坯→板坯铣磨→热轧→酸洗→冷轧→成品退火→检验→包装”。由于带材生产的工艺路线较长，工序环节众多，目前行业内企业生产厚度为0.4~0.7mm、宽度为1250mm的纯钛带材，其成材率大多在75%左右。若能在保证带材产品质量的前提下提高其成材率，创造的经济效益和社会效益将极为可观。为提高材料利用率，减少材料浪费，推动钛带材产业绿色、可持续发展，提高纯钛带材成材率的问题亟待解决。采用真空自耗电弧炉(VAR)熔炼的钛锭表面常存在较多的气孔、冷隔、疏松等缺陷，通常需扒皮处理将缺陷清除，避免铸锭在后续锻造开坯时产生表面开裂，导致较大的材料损失，甚至导致直接报废。由于锻造、铣磨、轧制等加工环节的工艺相对成熟，因此铸锭质量好坏对加工材成品率及成本有重要影响[3]。
本文以试制的0.5mm厚冷变形用带材为研究对象，首先，通过优化VAR熔炼15t、∅1160mm超大规格纯钛铸锭的成品熔炼工艺，提高铸锭表面质量,减少气孔和冷隔缺陷;然后,分别采用常规的机械加工工艺和试验工艺处理铸锭，再经过相同的锻造、铣磨、热轧、酸洗及冷轧等后续工序，加工成0.5mm厚、1250mm宽的成品带材;最后，对两种工艺制成的成品带材进行表面质量、力学性能和晶粒度等级检测，并按照ASTM B265:2025《钛及钛合金带材、薄板和板材标准规范》和客户要求进行评定，同时对比分析两种工艺下成品带材的成材率。
2、铸锭熔炼
2.1电极块压制
试验用原材料为国内大厂生产的0级标准颗粒海绵钛。计划各投料 12 t,试制两个纯钛铸锭。海绵钛经先进的全自动混布料系统,可满足不同组分原料的准确称重及充分混合,之后经万吨级油压机压制成电极块,电极块密度>3.3g/cm³,确保熔炼无掉块。海绵钛、万吨级油压机和电极块分别如图1~图3所示。
2.2电极块焊接
电极块焊接采用的真空焊箱，可实现单重15t一次性焊接，防止了炉外焊接过程中接触大气带来的氧化、氮化污染。单根电极可完成一个15t成品铸锭的生产任务，防止了电极对焊不良产生的掉块、断裂等影响产品质量的隐患发生，保证了铸锭产品的冶金品质。经真空等离子焊箱焊接得到自耗电极，真空等离子焊箱和自耗电极分别如图4、图5所示。
2.3熔炼
自耗电极经两次15tVAR熔炼得到成品铸锭。熔炼电流、冷却强度、磁场强度、自耗电极与坩埚间隙、操作水平等是影响铸锭表面质量的重要因素 [4]。
对于钛，坩埚比一般在0.625~0.88，坩埚比大，则铸锭表面质量好，致密度高5。本次试制的坩埚规格分别为Φ1080mm和Φ1160mm，坩埚比较大。
降低熔炼电流，增大稳弧电流和稳弧周期，有助于得到“扁平状”熔池，改善熔池到边情况，从而实现铸锭成分均匀性和表面质量的综合控制。本次试制前针对二次锭的熔炼工艺进行了优化，主要通过降低熔炼电流控制熔速。通过稳弧电流的调节控制磁场强度，进而控制熔池的深度和形状，以改善金属在熔池中的结晶条件和成分均匀性，达到提高真空熔炼操作的安全性和对铸锭质量控制的目的[7]。本次试制增大稳弧电流，改善了熔池到边状态;增加稳弧周期，适当拉长搅拌换向时间，增加了熔池稳定时间。
要获得表面质量优良的大规格铸锭，还需采用“平静熔炼”法，通过控制熔炼电压，抑制熔炼过程中锭冠的形成，一般应控制在32~45V，保持合理的弧距 [8]。本次试制降低了熔炼电压，减小弧距，使熔池尽量保持平稳。
上述优化的最终目的在于提高铸锭的表面质量，减少气孔、疏松、冷隔等缺陷，提高铸锭的成材率。优化前后的主要熔炼工艺参数见表1。
表1优化前后的主要熔炼工艺参数
| 工艺 | 熔炼电流/kA | 熔炼电压/V | 稳弧电流/A | 稳弧周期/s |
| 优化前 | 35~40 | 32~39 | 交流25~37 | 15～20 |
| 优化后 | 30～35 | 28～33 | 交流38~45 | 25~30 |
控制熔速后，总熔炼时间增加40~50min，对生产节拍影响不大。二次锭出炉后，其表面质量较优化工艺前有较大改善，表面呈现金属光泽，无冷隔缺陷如图6所示。
2.4成品铸锭加工
将其中一根铸锭按照常规处理工艺整锭扒皮后取样，命名为常规工艺铸锭;另一根铸锭仅在头、底部扒皮并取样，命名为试验工艺铸锭。试样按照GB/T 4698标准进行成分检测。处理后的成品铸锭如图7所示，铸锭成分见表2。
表2铸锭成分(质量分数)
(%)
| 元素 | Fe | C | N | H | |
| 常规工艺铸锭(头/底) | 0.02/0.019 | 0.037/0.032 | 0.007/0.008 | 0.003/0.004 | 0.0009/0.0008 |
| 试验工艺铸锭(头/底) | 0.019/0.019 | 0.038/0.038 | 0.007/0.009 | 0.003/0.003 | 0.0007/0.0008 |
3、锻造板坯
常规工艺和试验工艺铸锭在箱式电阻炉中按照(1000~1050)℃x(300~360)min的加热制度加热，再分别经63MN(1tf≈10kN)快锻机按一大火次压扁锻造成毛板坯，变形量为70%～75%，毛板坯经铣磨后得到尺寸为(200~220)mmx(1250~1260)mmxL的成品板坯;毛板坯如图8所示，成品板坯如图9所示。
4、热轧、酸洗
成品板坯经步进式加热炉加热至(1000~1050)℃x(180~300)min。之后经1700mm热轧生产线热轧成卷、酸洗、切边，得到厚度约4mm、宽度为1250mm的白皮卷。热轧线设备及白皮卷如图10所示。
5、冷轧
厚度约4mm、宽度为1250mm的白皮卷经1450mm二十辊可逆式冷轧机15~20道次冷轧成厚度为0.5mm、宽度为1250mm的带卷，带卷经脱脂清洗、成品退火和拉矫后得到成品带卷。冷轧过程中观察带材表面质量，若有影响进一步轧制的缺陷，则需增加中间酸洗工序。冷轧线设备如图11所示，成品带卷打包后如图12所示。
6、检测
6.1表面质量
对拉矫后的成品带材进行表面质量检测。本次试制的带材表面质量高，无压坑、划伤等表面缺陷，表面质量Ra值均小于0.25μm，达到超精细表面水平。表面质量检测结果如图13所示。
6.2力学性能
分别对常规工艺和试验工艺后的成品带材取样，检测其各项性能，并参照ASTM B265:2025中技术标准和客户要求进行评定。检测数据见表3。
表3检测数据
| 标准及客户要求 | 常规工艺带材 | 试验工艺带材 | |||
| 实测值 | 实测值 | ||||
| 纵向L | 横向T | 纵向L | 横向T | ||
| 抗拉强度 /MPa | ≥240 | 321 | 328 | 308 | 311 |
| 屈服强度 /MPa | 138~310 | 218 | 175 | 201 | 163 |
| 断后伸长 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 | ||
| 弯曲角度 /( ) | 105 | D=3T合格 | D=3T合格 | ||
从表3可看出，常规工艺和试验工艺的成品带材其各项检测数据均满足标准和客户要求，数据差异性较小。
6.3晶粒度
对常规工艺和试验工艺的成品带材进行高倍组织的晶粒度评级，客户要求晶粒度≥5级，评级结果均为8.5级，满足要求，如图14所示。
6.4成材率对比
常规工艺和试验工艺成品带材在各加工环节的重量及成材率统计数据见表4。
表4各工序重量及成材率数据统计
| 工序 | 常规工艺带材 | 试验工艺带材 | ||
| 重量 /kg | 工序成材率 (%) | 重量 | 工序成材 率(%) | |
| 海绵钛 (投料) | 12000 | 一 | 12000 | |
| 成品铸锭 | 11470 | 95.58 | 11840 | 98.67 |
| 成品板坯 | 10325 | 90.02 | 10720 | 90.54 |
| 成品带材 | 8995 | 87.12 | 9570 | 89.27 |
| 综合 | 74.96 | - | 79.75 | |
7、结束语
1)使用VAR熔炼的15t、∅1160mm超大规格纯钛铸锭，分别经常规机械加工工艺和试验工艺处理，再经后续工序生产为0.5mm厚的成品带材，其表面质量Ra<0.25μm，达到超精细表面水平，其力学性能、晶粒度等级等各项检测结果均满足ASTM B265:2025中技术标准和客户要求。
2)较常规工艺，试验工艺研制出的成品带材综合成材率提高4.79%,其中,成品铸锭工序的成材率提高3.09%、成品板坯工序的成材率提高0.52%、成品带材的轧制工序成材率高2.15%(常规工艺带材因冷轧后表面质量问题存在二次酸洗的情况)。因此，在产品质量得以保证的前提下，采用试验工艺的成品带材较常规工艺可有效提高成材率。
3)锻造、铣磨、轧制等加工环节的工艺已相对成熟，其带来的材料损耗趋于稳定，因此铸锭质量成为影响加工材成品率及成本的关键因素。而要采用试验工艺中的铸锭加工方案，前提是优化成品铸锭的熔炼工艺。根据本文试制Φ1160mm大规格铸锭的经验，在坩埚比一定的条件下，采取降低熔炼电流至30~35kA、降低熔炼电压至28~33V、增大稳弧电流至38~45A、增加稳弧周期至25~30s的措施，有助于得到“扁平状”较稳定的熔池，改善熔池到边情况，实现铸锭成分均匀性和表面质量的综合控制，提高铸锭的表面质量，最终达到提高0.5mm厚带材成材率的目的。
参考文献:
[1]李青云，王道隆，刘雅庭，等.稀有金属材料加工手册[M].1版.北京:冶金工业出版社，1984.
[2]黄伯云，李成功，石力开，等.中国材料工程大典第4卷:有色金属材料工程(上)[M].1版.北京:化学工业出版社，2006.
[3]李献军.真空自耗电弧炉熔炼技术和铸锭质量问题[J].钛工业进展，2001(3):16-22.
[4]陈峰，彭强，陈丽，等.VAR熔炼大规格钛铸锭表面质量与熔炼电压的关系[J].科技创新与应用，2015，115(3):31-32.
[5]李献军.真空自耗电弧炉熔炼技术和铸锭质量问题[J].钛工业进展,2001(3):16-22.
[6]杨健，张开发，曹江海，等.VAR熔炼制备超大规格TC4ELI钛合金铸锭研究[J].钛工业进展，2023，40(4):1-5.
[7]邹伟，高颀，陈战乾，等.VAR炉熔炼过程中磁场作用的分析[J].钛工业进展，2003(Z1):59-62.
[8]陈峰，彭强，陈丽，等.VAR熔炼大规格钛铸锭表面质量与熔炼电压的关系[J].科技创新与应用,2015,115(3):31-32.
（注，原文标题：一种有效提高0.5mm厚纯钛带材成材率的工艺研究_杨松）
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