不同形式純鎳塊狀再生料的循環(huán)利用

文 豪，李 俊，馮軍寧，郝學(xué)博，馬忠賢

（1.寶鈦集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721014；2.寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西 寶雞 721014）

1 前言

鎳（Nickel）的原子序數(shù)為28，原子量為58.71，常溫下密度為8.9g/cm3，熔點(diǎn)1453℃，沸點(diǎn)2732℃，是一種有鐵磁性的銀白色金屬元素[1]。鎳的耐腐蝕能力很強(qiáng)，表面易形成致密的氧化膜（NiO），在50%沸騰的燒堿溶液中的腐蝕速度不超過每年25μm。此外，鎳還有著很好的延展性﹑強(qiáng)度和可塑性，能夠承受壓力加工[2]。由于純鎳具有優(yōu)良的耐蝕性及優(yōu)良的焊接性能和加工性能，較高的電真空性能和電磁控制性能，在工程應(yīng)用領(lǐng)域，純鎳的需求量極大。純鎳一般被用于加工制造管材﹑板材﹑帶材﹑棒材和線材等眾多產(chǎn)品，而這些產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于化工﹑石油天然氣﹑醫(yī)用儀器﹑制藥﹑電力﹑船舶﹑通信﹑海洋設(shè)備﹑機(jī)械電子等領(lǐng)域[3-7]。

國內(nèi)純鎳加工材的生產(chǎn)工藝是首先利用真空感應(yīng)熔煉(VIM)﹑真空自耗熔煉(VAR)﹑真空感應(yīng)加真空自耗雙真空熔煉(VIM+VAR)﹑真空感應(yīng)加電渣熔煉雙聯(lián)法(VIM+ESR)﹑電子束爐熔煉(EB)﹑電子束熔煉加多次真空自耗熔煉(EB+VAR)等各種方法將電解鎳板熔煉成鑄錠[8]，然后經(jīng)開坯鍛造成棒坯或板坯，再進(jìn)行鍛造或軋制成為各類加工材。目前，純鎳加工材的生產(chǎn)成本仍居高不下，主要由三方面導(dǎo)致：一是原材料電解鎳板的價(jià)格在20萬元/t～30萬元/t之間浮動(dòng)；二是生產(chǎn)工藝較復(fù)雜，為去除非金屬夾雜，生產(chǎn)致密的高質(zhì)量純鎳鑄錠，需要多次重熔精煉處理，能耗較大；三是加工過程易出現(xiàn)出現(xiàn)鍛造開裂和軋制脆斷等現(xiàn)象，需要切頭尾﹑切邊，導(dǎo)致成材率較低，可再生料大量產(chǎn)生。由于鎳資源的重要性，對純鎳塊狀再生料的回收循環(huán)利用意義重大，降低生產(chǎn)成本的同時(shí)也響應(yīng)了國家的綠色低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展理念。

本文對各生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的不同形式的純鎳塊狀再生料進(jìn)行鑒別﹑分類﹑處理（刨銑﹑酸洗﹑噴砂）等，并與電解鎳板一起制備成不同形式的熔煉用一次自耗電極，通過多次真空自耗熔煉(VAR)驗(yàn)證鑄錠化學(xué)成分均勻性，經(jīng)多火次鍛造成板坯﹑多道次軋制﹑退火后，驗(yàn)證純鎳加工材的力學(xué)性能和顯微組織等。

2 再生料的處理和電極制備

2.1 電解鎳

使用金川公司生產(chǎn)的Ni9996電解鎳板，尺寸為880mm×880mm，厚度約10mm，每塊重量46kg～60kg。電解鎳化學(xué)成分見表1。

表1 電解鎳化學(xué)成分（wt%）

2.2 純鎳塊狀再生料的處理和電極制備

2.2.1 純鎳帶材和板條再生料

純鎳帶材和板條類再生料形狀較為規(guī)則，表面未氧化，厚度約為1mm～3mm，表面有劃痕或壓坑等缺陷，無法正常交付使用，見圖1。根據(jù)此類再生料的特點(diǎn)，選擇將其制備成捆綁電極。首先將電解鎳板裁剪成一定尺寸后進(jìn)行拼焊，制作成捆綁電極用芯料，再將清理﹑剪裁后鎳帶材及板條層層捆綁在芯料外部，制備成熔煉用捆綁電極。此種方式制備的電極每根約3t～4t重，可添加再生料的比例約為20%～30%，見圖2。

圖1 純鎳帶材和板條再生料

圖2 捆綁電極

由于純鎳帶材和板條再生料的厚度較薄，非常容易彎曲變形，所制備的捆綁電極強(qiáng)度較差，電極密度較低，在裝爐起吊過程中較為容易散開，導(dǎo)致電極無法使用。為了解決這一問題，對電極制備的方式進(jìn)行改善和優(yōu)化。首先將電解鎳板﹑鎳帶材再生料裁剪成一定尺寸，并將電解鎳板﹑鎳帶材﹑鎳板條等再生料一起沿長度方向?qū)訉訅簩?shí)并進(jìn)行拼焊，制備成組焊電極。此種方式制備的電極強(qiáng)度與平直度更好，重量達(dá)到4t～5t，可添加再生料的比例約為30%～40%，見圖3。

圖3 添加純鎳帶材和板條制備的組焊電極

2.2.2 純鎳板坯和板材再生料

純鎳板坯和板材再生料形狀規(guī)則，但表面有一定的氧化，厚度相對較厚，板面翹曲較為嚴(yán)重，見圖4。為了便于制備熔煉用自耗電極，首先需要對純鎳板坯和板材再生料進(jìn)行矯形，確保板面平直，然后采用刨銑﹑噴砂或酸洗的方式去除再生料表面的氧化層。將處理好的再生料鋸切成一定尺寸并制備成電極芯料，然后在芯料兩側(cè)面焊接裁剪好的電解鎳板，提高電極強(qiáng)度，防止在熔煉過程中出現(xiàn)掉塊等現(xiàn)象。這種方式制備的電極強(qiáng)度好，重量約4t～5t，可添加再生料的比約為45%～55%，見圖5。

圖4 純鎳板坯和板材再生料

圖5 添加純鎳板坯和板材制備的組焊電極

2.2.3 純鎳異形再生料

純鎳異形再生料主要指板坯鍛造過程中產(chǎn)生的板坯頭﹑尾以及板帶材軋制過程中產(chǎn)生的帶卷﹑板材的切邊料等。此類再生料形狀各異且不規(guī)則，尺寸大小不一，部分表面存在氧化﹑油污等現(xiàn)象，難以采用直接捆綁或組焊的方式制備成熔煉用自耗電極，見圖6。

圖6 純鎳異形再生料

根據(jù)此類純鎳異形再生料的特點(diǎn)，可選擇先經(jīng)真空感應(yīng)熔煉(VIM)，澆注成相應(yīng)規(guī)格尺寸﹑重量﹑形狀的坯料再制備熔煉用自耗電極。真空感應(yīng)熔煉具有對原料適應(yīng)性較強(qiáng)，可熔煉塊狀﹑屑狀等各種形狀的再生料，澆注的坯料有方形和圓形等優(yōu)勢。

利用真空感應(yīng)熔煉的這些優(yōu)勢，將此類純鎳異形再生料先進(jìn)行去除表面氧化層或去除表面油污處理合格后，經(jīng)真空感應(yīng)熔煉，澆注成所需要的規(guī)格尺寸，重量達(dá)400kg～500kg的純鎳方坯，見圖7。接下來，將鎳方坯沿長度方向焊接成熔煉電極用芯料，并在芯料兩側(cè)面焊接裁剪好的電解鎳板，提高電極的整體強(qiáng)度。這種方式制備的電極強(qiáng)度好，重量約4t～5t，可添加再生料的比例約為50%～60%，見圖8（a）；為了提高再生料的添加比例，可選擇將鎳方坯沿長度方向雙層擺放并焊接成電極用芯料，在芯料兩側(cè)面焊接電解鎳板，以加固電極，確保所制備電極的強(qiáng)度，這種方式制備的電極單重高達(dá)7t，再生料的添加比例可超過90%，見圖8（b）。

圖7 鎳方坯

圖8 添加鎳方坯制備的組焊電極

綜上，鎳材在各生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量不同形式的塊狀再生料，根據(jù)這些再生料的特點(diǎn)，進(jìn)行分類﹑表面處理后，可以制備成不同形式的熔煉用一次自耗電極如捆綁電極﹑組焊電極等對再生料進(jìn)行回收循環(huán)利用。

3 產(chǎn)品質(zhì)量驗(yàn)證及分析

3.1 純鎳鑄錠熔煉驗(yàn)證及分析

對上述使用各類純鎳塊狀再生料制備的純鎳一次自耗電極，按照圖9的生產(chǎn)工藝，每個(gè)鑄錠均進(jìn)行了3次真空自耗熔煉(VAR)熔煉，整個(gè)熔煉過程特別是一次錠熔煉過程平穩(wěn)﹑可控，未發(fā)生一次自耗電極掉塊﹑斷裂等異?，F(xiàn)象。所生產(chǎn)純鎳鑄錠表面質(zhì)量良好，見圖10。在成品鑄錠頭﹑底位置取樣分析化學(xué)元素成分，具體化學(xué)成分見表2。

圖9 純鎳鑄錠生產(chǎn)工藝

圖10 純鎳鑄錠

由表2可以看出，所生產(chǎn)的6個(gè)N5鑄錠，化學(xué)成分均勻性良好且波動(dòng)較小，其中，Ni含量均大于等于99.9%，雜質(zhì)元素含量較小，均符合GB/T 5235標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 N5鑄錠化學(xué)成分

3.2 純鎳板材軋制驗(yàn)證及分析

按照圖11所示的板材生產(chǎn)工藝，將純鎳鑄錠經(jīng)多火次鍛造后的板坯，熱軋為5mm厚的熱軋板材，以熱軋板材為原料，在二十輥冷軋機(jī)上冷軋到1.0mm厚并經(jīng)退火﹑剪切等工序后，在板材頭部取樣分析力學(xué)性能和檢查顯微組織等。板材力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)分析見圖12，顯微組織見圖13，純鎳板材見圖14。

圖11 純鎳板材生產(chǎn)工藝

圖12 純鎳板材力學(xué)性能

圖13 純鎳板材顯微組織

圖14 純鎳板材

由圖12可以看出，純鎳板材的抗拉強(qiáng)度在355MPa～374MPa之間，屈服強(qiáng)度在139MPa～170MPa之間，延伸率在49.5%～53.5%之間，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均高于GB/T 2054標(biāo)準(zhǔn)的要求，且波動(dòng)較小，產(chǎn)品性能一致性較好，其中抗拉強(qiáng)度富余量較小，存在改善提高的空間。

由圖13可以看出，所生產(chǎn)的純鎳板材發(fā)生了完全再結(jié)晶，晶粒明顯長大并重新轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻牡容S組織，未發(fā)現(xiàn)存在有冷軋后的纖維化趨勢。

由圖14可以看出，所生產(chǎn)的純鎳板材表面光滑﹑光亮﹑平整，不存在裂紋﹑起皮﹑壓折﹑夾雜和分層等缺陷。

通過對使用塊狀再生料所生產(chǎn)的半成品﹑成品進(jìn)行的質(zhì)量驗(yàn)證和分析，說明對純鎳塊狀再生料進(jìn)行鑒別﹑分類﹑表面處理（刨銑﹑酸洗﹑噴砂）以及一次自耗電極制備過程的焊接﹑清理等工序的過程質(zhì)量管控，是實(shí)現(xiàn)再生料回收循環(huán)利用的重要手段和保障，可提升資源循環(huán)利用率。

4 結(jié)論

（1）不同形式的純鎳塊狀再生料進(jìn)行鑒別﹑分類﹑處理（刨銑﹑酸洗﹑噴砂）后，可制備成捆綁電極﹑組焊電極等熔煉用一次自耗電極；根據(jù)純鎳塊狀再生料的不同形式，再生料的添加比例為20%～90%。

（2）使用各類純鎳塊狀再生料制備的自耗電極所生產(chǎn)的純鎳鑄錠，表面質(zhì)量和化學(xué)成分均勻性良好，成分波動(dòng)較小，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）所生產(chǎn)的純鎳板材抗拉強(qiáng)度﹑屈服強(qiáng)度﹑延伸率等各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均高于標(biāo)準(zhǔn)要求，板材顯微組織為均勻的等軸組織，未發(fā)現(xiàn)存在冷軋后的纖維化趨勢。板材表面光滑﹑光亮﹑平整，不存在裂紋﹑起皮﹑壓折﹑夾雜和分層等缺陷。