淺析海綿鈦加工的質(zhì)量控制措施

董 鑫，郭詩階

（攀鋼集團(tuán)鈦業(yè)有限責(zé)任公司，四川 攀枝花 617000）

1 引言

攀鋼15kt海綿鈦生產(chǎn)項(xiàng)目是采用鎂還原法生產(chǎn)海綿鈦工藝，主流程全線引進(jìn)烏克蘭的全套海綿鈦生產(chǎn)工藝及裝備。生產(chǎn)過程包含了氯化精制、還原蒸餾、鎂電解、海綿鈦加工幾個(gè)工序。其工藝原理是Mg還原TiCl4生成鈦和氯化鎂，通過真空蒸餾除去殘存的Mg以及還原過程中未排盡的MgC12，從而得到較純凈、富含毛細(xì)孔的海綿狀鈦坨，鈦坨再經(jīng)分裂篩分后包裝成為海綿鈦產(chǎn)品。而海綿鈦加工工序是海綿鈦生產(chǎn)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，是將海綿鈦通過物理加工至可銷售粒度產(chǎn)品的過程。因而研究海綿鈦加工過程中質(zhì)量控制措施具有重要的實(shí)際意義，可從中找出提高海綿鈦產(chǎn)品質(zhì)量的有效途徑。

2 海綿鈦加工簡介

海綿鈦加工是一個(gè)物理加工過程，也是海綿鈦生產(chǎn)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)。其過程是將鈦坨從反應(yīng)罐中頂出后剝離爬壁鈦、去除表面以及底部的雜質(zhì)鈦后形成鈦坯，再將鈦坯切分為一定粒級的海綿鈦鈦塊，海綿鈦鈦塊經(jīng)過四級分裂篩分后最終形成粒度為0.83－25.4mm的海綿鈦粒成品。

整個(gè)海綿鈦加工過程分為頂出、分裂篩分、分檢、混料包裝幾個(gè)環(huán)節(jié)。海綿鈦加工的簡要流程見圖1。

2 海綿鈦中主要雜質(zhì)元素及分布

2.1 海綿鈦中主要雜質(zhì)元素

按海綿鈦國家標(biāo)準(zhǔn)（GB／T 2524－2010），海綿鈦產(chǎn)品中主要雜質(zhì)元素有Fe、O、Cl、C、N、Si、Mn、Mg、H，根據(jù)國標(biāo) GB／T 2524－2010的要求（見表1），海綿鈦產(chǎn)品中雜質(zhì)元素的含量以及產(chǎn)品的布氏硬度將直接決定產(chǎn)品的質(zhì)量等級。產(chǎn)品中雜質(zhì)元素含量以及產(chǎn)品布氏硬度的上升，將導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量等級下降。

而海綿鈦產(chǎn)品硬度既是雜質(zhì)元素的綜合指標(biāo)，也是質(zhì)量的綜合指標(biāo)，產(chǎn)品硬度越高，質(zhì)量越差，品位越低，相應(yīng)的價(jià)位也就越低。在所有的雜質(zhì)元素中，對產(chǎn)品布氏硬度（HB）影響較大的雜質(zhì)元素有 Fe、Cl、N、O、C［1］。因此，控制雜質(zhì)元素的引入途徑，對海綿鈦產(chǎn)品的質(zhì)量提升有著實(shí)際的意義。

3.2 海綿鈦中主要雜質(zhì)元素分布

鎂還原法生產(chǎn)的海綿鈦產(chǎn)品分爬壁鈦和鈦坨兩部分，爬壁鈦主要是指粘附在反應(yīng)器上部的海綿鈦，一般含雜質(zhì)氯、鐵較高，質(zhì)量比鈦坨中心部分差。

圖1 海綿鈦加工工序簡要流程

海綿鈦坨根據(jù)雜質(zhì)的分布不同可分成下列幾部分:帽部、中心部、底皮、邊皮。帽部是指鈦坨上部較疏松的產(chǎn)品。中心部是指鈦坨切去帽部和底皮、剝?nèi)ミ吰ず蟮闹虚g部分的產(chǎn)品。底皮是指鈦坨最下部一層致密產(chǎn)品，邊皮是指從鈦坨的側(cè)邊部分剝下的產(chǎn)品。通過對鈦坨不同部位進(jìn)行取樣化驗(yàn)分析（取樣部位示意見圖2），得出以下結(jié)論［2］:

（1）鐵含量在海綿鈦坨中心部分最低，其次是上部，越接近器壁和底部含量越高，底皮和邊皮是含鐵量最高的部位。

（2）氧、氮在鈦坨底部含量較高，邊皮氧、氮含量較高。

（3）氯在爬壁鈦和鈦坨帽部含量最高，在產(chǎn)品中心部和底部有增高趨勢。

（4）硅、碳在海綿鈦坨中是均勻分布的，在貼壁的邊皮和底皮中含量略高。

圖2 鈦坨取樣部位示意圖

4 加工過程可能引入雜質(zhì)

通過對鈦坨各部位進(jìn)行取樣化驗(yàn)以及對雜質(zhì)來源進(jìn)行系統(tǒng)分析，加工過程可能引入雜質(zhì)元素為Fe、O、N等。分析如圖3所示:

圖3 海綿鈦產(chǎn)品質(zhì)量影響因素

通過對海綿鈦加工流程進(jìn)行系統(tǒng)分析，在加工過程中雜質(zhì)的引入途徑主要有以下幾點(diǎn)［1］:

（1）分裂篩分過程中機(jī)器磨損的鐵屑或含鐵雜質(zhì)帶入海綿鈦中。

（2）海綿鈦在加工過程因機(jī)械作用導(dǎo)致局部高溫引起含氮偏高。其主要分布在加工后不規(guī)則的顆粒外表，其顏色為黃色、紫色、藍(lán)色、黑色。

（3）氧與氮的來源一樣。其主要分布在加工后不規(guī)則的顆粒外表，其顏色為黃色。

同時(shí)，若接收的海綿鈦坨或產(chǎn)出品未及時(shí)進(jìn)行處理，長期暴露在空氣中，可能引起部分含Cl雜質(zhì)水解，導(dǎo)致氧被海綿鈦所吸收，外觀呈現(xiàn)為發(fā)黑。

5 加工控制措施

5.1 邊皮、底皮打取

在對分離出爬壁鈦后的海綿鈦坨表面進(jìn)行清理后，其表面含有一些缺陷海綿鈦，這部分海綿鈦在進(jìn)入后續(xù)的加工之前需要將其處理干凈，以保證海綿鈦坨的整體質(zhì)量，防止其對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。這些從鈦坨表面清理下來的海綿鈦，即邊皮鈦。

鈦坨的底部存在大量缺陷鈦，這些缺陷鈦密度較大、硬度較高、污染面積較大且含有的低價(jià)鈦較多，在加工作業(yè)時(shí)容易對設(shè)備造成損害且易引起著火事故。而人工用風(fēng)鎬是無法將其打取分離，必須通過專用設(shè)備將其整體切下，所以在切片時(shí)會(huì)將這部分海綿鈦切下來作為底皮鈦單獨(dú)進(jìn)行處理。

鈦坨剝離爬壁鈦、打取邊皮、切除底皮后形成鈦坯，在此過程中需確保鈦坯外觀無缺陷鈦、污染鈦以及雜物，以避免其對后續(xù)加工過程中正常海綿鈦塊的影響。

5.2 切片控制

在海綿鈦進(jìn)入分裂篩分作業(yè)前，須將其粒度切至分裂設(shè)備要求粒度，該過程為切片。在切片時(shí)要控制好切片的進(jìn)刀量，并對鈦坨底部缺陷鈦情況進(jìn)行觀測，控制好進(jìn)刀量，在不影響正常海綿鈦的情況下，將底部缺陷鈦切除干凈，并單獨(dú)收集處理。同時(shí)，通過對切片進(jìn)刀量的控制，減少不符合分裂設(shè)備要求粒度的鈦塊的產(chǎn)生量。

在切片過程中，針對出現(xiàn)硬心鈦、未蒸餾干凈的鈦塊等異常海綿鈦及時(shí)進(jìn)行檢出，并單獨(dú)進(jìn)行收集與處理。

5.3 分檢控制

海綿鈦在分裂篩分后經(jīng)人工分檢臺(tái)進(jìn)行分檢作業(yè)，并在混料后再次進(jìn)行分檢作業(yè)。即將可能混雜在正品海綿鈦顆粒中的缺陷鈦和非鈦物分檢出來，避免其進(jìn)入到最終的產(chǎn)品中，影響海綿鈦產(chǎn)品的質(zhì)量。

5.4 單一元素偏高產(chǎn)品的優(yōu)化

在產(chǎn)出的產(chǎn)品中，部分產(chǎn)品由于某單一雜質(zhì)元素指標(biāo)含量偏高而導(dǎo)致產(chǎn)品的質(zhì)量等級下降。而海綿鈦加工處理過程為物理過程，無法通過其改變海綿鈦產(chǎn)品中化學(xué)成分含量來提高產(chǎn)品質(zhì)量。鑒于此，可通過產(chǎn)品中元素含量的配比來進(jìn)行優(yōu)化組批，以達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量的效果。

選取兩批次及以上的因不同的單一雜質(zhì)元素含量偏高而導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量等級下降的海綿鈦，按公式1計(jì)算，使得經(jīng)過優(yōu)化組批后，產(chǎn)出產(chǎn)品的各雜質(zhì)元素指標(biāo)含量有一定的改善，達(dá)到最優(yōu)質(zhì)量等級。

式中:Ya——組批后a指標(biāo)元素的百分含量；

Mn——組批料n海綿鈦的重量；

Xn——組批料n中a指標(biāo)元素的百分含量。

5.5 其他優(yōu)化措施

將海綿鈦加工區(qū)域內(nèi)，根據(jù)工藝要求的不同來進(jìn)行區(qū)域劃分，不同區(qū)域使用與工藝要求相適應(yīng)的工具、設(shè)備，穿戴相應(yīng)的勞動(dòng)保護(hù)用品。

在加工域內(nèi)減少非鈦雜質(zhì)進(jìn)入的主要措施有:

（1）不得佩戴飾物進(jìn)行工作，防止其進(jìn)入設(shè)備、物料而造成對產(chǎn)品質(zhì)量的影響；

（2）不得使用易碎、易掉屑的玻璃、木材等材料制作的工具，避免因其碎裂進(jìn)入海綿鈦中而帶入雜質(zhì)；

（3）使用色差與區(qū)域內(nèi)設(shè)備、物料分明的清潔工具，以便于其磨損掉下時(shí)易于發(fā)現(xiàn)、清理；

（4）加工區(qū)域使用專用的作業(yè)用鞋，以防止其他雜質(zhì)帶入。

6 結(jié)語

海綿鈦的雜質(zhì)元素含量與布氏硬度（HB）將直接制約產(chǎn)品的質(zhì)量。在加工過程中通過對產(chǎn)品質(zhì)量控制措施的實(shí)現(xiàn)，可以有效減少在加工環(huán)節(jié)中引入海綿鈦雜質(zhì)的途徑，從而降低海綿鈦產(chǎn)品中雜質(zhì)元素的含量和非鈦雜質(zhì)的混入，達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

［1］莫畏，鄧國珠，羅方承.鈦冶金（第二版）［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1998.

［2］李鴻斌.海綿鈦中雜質(zhì)分布及其對產(chǎn)品質(zhì)量的影響［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2006（03）.