引言

鈦及鈦合金憑借其優異的性能，如高強度、低密度、良好的耐腐蝕性、生物相容性等，在航空航天、化工、醫療等領域得到了廣泛應用。隨著鈦及鈦合金使用量的不斷增加，在其生產加工過程中，不可避免地會產生大量的殘料。

對于規整的大塊殘料，可通過表面處理后，直接進行真空 電弧重熔（ｖａｃｕｕｍａｒｃｒｅｍｅｌｔｉｎｇ，VAR）或電子束冷床熔煉（ｅｌｅｃｔｒｏｎｂｅａｍｃｏｌｄｈｅａｒｔｈｍｅｌｔｉｎｇ，EBCHM）重熔回收，回收控制方法相對較為簡單。然而，對于超小規格的殘料，即單個質量小于1ｋｇ、體積小于0.2dm³的各種鈦合金殘料，由于其尺寸小、回收難度大等問題，長期以來未能得到有效的回收利用，造成了資源的浪費和成本的增加。

劉峰等[1]指出，鈦合金殘料回收對資源循環意義重大，但超小規格殘料因回收技術瓶頸，利用率低，制約了行業綠色發展；陳晨等[2]通過實驗分析超小規格鈦及鈦合金殘料的成分特點，提出需針對性開發預處理與熔煉集成技術，以突破回收難題；吳濤等[3]則從成本和效益角度出發，強調高效回收超小規格鈦及鈦合金殘料可降低鈦加工企業的原料成本，提升行業資源利用效率。隨著資源短缺和環保要求的日益提高，開發高效的超小規格鈦及鈦合金殘料回收方法具有重要的現實意義[4]。本文旨在為鈦及鈦合金行業的資源高效利用和可持續發展提供理論支持和實踐指導。

1、產生及分類

1.1　產生

在大型鈦及鈦合金生產企業的生產流程中，超小規格殘料的產生環節眾多。例如，在小規格棒材加工過程中，為了確保棒材的質量和尺寸精度，需要對小棒端部進行切頭、修整等操作，這些過程會產生小棒料頭；檢測實驗室在進行材料性能測試時，會制備拉伸試樣、實驗室塊樣等，測試完成后，這些樣品便成為殘料；金相分析過程中產生的金相小樣以及生產過程中產生的緊固件廢料等，也都屬于超小規格殘料的范疇。此外，機械加工過程中的切削、打磨等工序同樣會產生大量的超小規格殘料。

1.2　分類

超小規格鈦合金殘料主要可分為：①鈦及鈦合金小棒料頭，這類殘料通常是在棒材加工過程中產生的，長度較短，直徑較小。②拉伸試樣，其形狀和尺寸根據測試標準而定，一般為規則的條狀。③實驗室塊樣，用于各種實驗研究，尺寸較小且形狀多樣。④金相小樣，主要用于金相分析，尺寸通常非常小。⑤緊固件廢料，如螺絲、螺母等，以及加工成型材過程中產生的各種小規格殘料，這類殘料形狀復雜且尺寸較小。

2、成分確認

2.1　成分確認的重要性

準確確認超小規格鈦及鈦合金殘料的成分對于后續的回收利用至關重要。在常規企業生產過程中，超小規格殘料極易出現混料問題，導致物料回收難度較大。不同成分的鈦合金具有不同的性能和用途，只有明確殘料的成分，才能采取合適的回收工藝，確保回收后的產品質量符合要求。例如，對于含鋁、釩等合金元素的TC4鈦合金殘料，如果在回收過程中不能準確控制成分，可能會導致回收后的鑄錠性能不穩定，無法滿足實際應用的需求。此外，成分確認還可以幫助企業合理規劃殘料的回收利用方案，提高資源利用率，降低生產成本。

值得注意的是，在成分確認的前端，企業對于殘料的精準分類收集也是至關重要的。殘料的精準分類收集是成分確認的前提。

2.2　成分檢測方法

目前，常用的鈦合金成分檢測方法包括電感耦合等離子體質譜（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙｃｏｕｐｌｅｄｐｌａｓｍａｍａｓｓｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ，ICP-MS）、Ｘ射線熒光光譜（Ｘ?ｒａｙｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，XRF）、直讀光譜儀（ｏｐｔｉｃａｌｅｍｉｓｓｉｏｎｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ，OES）和惰性氣體熔融法（ｉｎｅｒｔｇａｓｆｕｓｉｏｎ，IGF）等。

ICP-MS適用于十億分之一（×10-9）級微量元素的檢測，如氮、氧等元素的檢測，檢測精度可達0.01μg/g，能夠準確分析超小規格殘料中的痕量元素。

XRF可用于快速檢測鈦、鋁、釩等主成分，檢測精度為±0.1％，該方法操作簡便、分析速度快，適合對大量殘料進行初步成分分析。

OES能對碳、鐵等關鍵元素進行高精度檢測，檢測精度在±0.005％，可為殘料回收利用提供準確的成分數據。IGF主要用于氧、氮、氫等氣體雜質元素的定量分析，對于評估殘料的純凈度和質量具有重要意義[5]。

在實際應用中，可根據殘料的具體情況和檢測要求選擇合適的檢測方法，也可以采用多種方法相結合的方式，提高成分檢測的準確性和可靠性[6]。

3、使用及熔煉方法

3.1　VAR方法

3.1.1　電極塊制備

將超小規格的物料、海綿鈦、中間合金等按一定比例混合，由于超小規格物料尺寸小，在壓制過程中可將其壓制在海綿鈦中，制備成電極塊。為了確保電極塊的質量和成分均勻性，混料時需將單塊電極塊所用的海綿鈦、中間合金和超小規格物料分3～5次進行混料，每次混料時長控制在約120ｓ。壓制時采用“多混一壓”的壓制方式，壓制壓力控制在75MPa～80MPa，從而使超小規格物料在電極塊中的壓制比例達到15％以上。

3.1.2　電極焊接與熔煉

首先將制備好的電極塊通過真空等離子焊箱焊接成電極。然后將電極裝入真空自耗電弧爐中進行熔煉。在 熔煉過程中，電極作為陽極，水冷銅坩堝作為陰極。在真空環境下，利用電弧的高溫將電極熔化，熔滴落入水冷銅坩堝中凝固成鑄錠。為保障鑄錠的質量，通常要進行3次VAR熔煉，通過多次熔煉，可進一步均勻鑄錠的成分和組織，提高鑄錠的性能。通過此法熔煉后，鑄錠的縱向鋁（Ａｌ）元素極差一般可控制在1000μg/g水平，成分均勻性良好。

3.2　EBCHM方法

3.2.1　原料收集與表面處理

收集單個質量小于1ｋｇ、體積小于0.2ｄｍ3的超小規格塊料若干，包括鈦及鈦合金小棒料頭、拉伸試樣、實驗室塊樣、金相小樣、緊固件廢料等。同時，收集若干長方體塊料作為打邊料。將超小規格塊料依次進行除油、拋丸、酸洗、烘干的表面處理。除油采用專用金屬除油劑，在50～60℃下浸泡30～50min；拋丸選用直徑為0.5～1.0mm的鋼丸，速度控制在50～60m/s；酸洗采用體積比為1∶5的氫氟酸和硝酸混合溶液，時間為25～35min；烘干溫度控制在80～100℃，時間為2～3ｈ。長方體塊料僅進行常規拋丸、酸洗、烘干處理[7]。

3.2.2　成分檢測與裝料備料

采用成分檢測儀或塊料色選及成分檢測系統，對處理后的小塊料進行成分確認檢測，成分檢測儀的檢測精度在±0.01％，塊料色選及成分檢測系統的篩選效率在95％以上。將海綿鈦、中間合金與一部分超小規格塊料按比例組合混料并壓制為電極塊，混料和壓制方式與VAR法中的電極塊制備類似。將壓制好的電極塊裝在電子束冷床爐料箱的最底層，在料箱四周疊放，用于打邊的長條塊料，將超小規格塊料均勻密實地填滿中部，并與四周的打邊料平齊。料箱尺寸為長3ｍ、寬0.9ｍ、高0.6ｍ，電極塊尺寸為 長0.58ｍ、寬0.38ｍ、高0.15ｍ，超小規格塊料填充高度為0.4ｍ。按照配料工藝依次完成總質量約10噸、共計4個料箱的備料。

3.2.3　物料烘干與熔煉鑄錠

物料備齊后，放入干燥箱中進行烘干，干燥箱溫度控制在120～150℃，烘干時間為4～6ｈ。烘干后的物料裝入電子束冷床爐，按照工藝參數要求熔煉為直徑900mm的鑄錠。熔煉前，爐室真空度應控制在≤0.5Ｐａ，爐室漏氣率應控制在≤0.5Pa/min；啟槍階段，各臺電子槍的電子束功率控制范圍為500～850kW，啟槍時長≤2.5ｈ；制底階段各臺電子槍電子束功率控制范圍為1125～1450kW，制底時長為0.8ｈ±0.1ｈ；正常熔煉階段各臺電子槍電子束功率控制范圍為1850～1900kW，熔煉速度控制范圍為900～950ｋｇ／ｈ，拉錠速度為5mm/min±1mm/min，推料速度為8mm/min±1mm/min，直至熔煉結束。

通過此方法熔煉后，鑄錠的縱向Ａｌ元素極差可控制在2000μg/g水平，成分均勻性良好。將電子束冷床爐熔煉出的鑄錠經過1～2次VAR后，可獲得縱向Ａｌ元素極差在1000μg/g以內的鑄錠。

4、兩種方法在行業中的推廣及應用

4.1　VAR方法的推廣及應用

VAR方法是目前鈦及鈦合金熔煉的主要方法之一，在行業中應用廣泛。該方法具有功率消耗低、熔化速度快以及良好的質量重現性等優點，能夠生產出化學成分均勻、結晶組織良好的鑄錠。尤其是在航空航天等對鑄錠質量要求較高的領域，VAR法生產的鑄錠得到了廣泛的認可和應用。然而，對于超小規格殘料的回收利用，VAR法存在一定的局限性。由于超小規格殘料尺寸過小，在電極制備過程中添加比例有限，通常不足10％，導致大量超小規格殘料無法得到有效回收[8]。

4.2　EBCHM方法的推廣及應用

EBCHM方法是一種新興的鈦及鈦合金熔煉技術，近年來在行業中的應用逐漸增多。該方法具有能夠有效去除夾雜缺陷、可接受多種加料方式、殘料回收較為容易等優勢，特別適合超小規格殘料的回收利用。在實際應用中，EBCHM可以使超小規格塊料在電極塊中的壓制比例達到15％以上，總的殘料占比在75％以上，遠高于VAR法的回收比例。此外，該方法還可以直接生產矩形鑄錠，省去了鍛造開坯工序，從而大幅度降低了金屬損耗。但是，EBCHM設備投資成本高，運行和維護費用也相對較高，對人員操作要求也比較高，這在一定程度上限制了其在一些中小企業中的推廣應用[9]。

5、兩種方法對比的數據分析

5.1　回收比例對比

通過實際生產數據統計，在處理相同批次的超小規格鈦及鈦合金殘料時，采用VAR方法，超小規格棒頭在電極塊中的壓制比例通常不足10％，總的殘料占比一般在30％～50％。而在EBCHM方法中，超小規格棒頭的壓制比例可達到15％以上，總的殘料占比可達到75％以上。

例如，在某企業的一次生產實踐中，使用VAR法處理100噸超小規格殘料，最終回收利用的殘料量為40噸，殘料占比為40％。而使用EBCHM法處理相同的100噸殘料，回收利用的殘料量達到了78噸，殘料占比為78％[10]。

5.2　產品質量對比

對兩種方法熔煉得到的鑄錠進行了成分分析和性能測試。結果表明：采用VAR法熔煉的鑄錠，元素極差范圍 一般在1000μg/g。經過EBCHM法熔煉的鑄錠，再經過1～2次VAR法熔煉后，元素偏差范圍也可以控制在1000μg/g以內。而在力學性能方面，EBCHM法生產的鑄錠在強度和韌性等性能指標上略優于VAR法生產的鑄錠。例如，對于TC4鈦合金鑄錠，VAR法生產的鑄錠抗拉強度為900MPa～950MPa，延伸率為10％～12％。而 EBCHM法生產的鑄錠抗拉強度為920MPa～960MPa，延伸率為12％～14％。

5.3　生產成本對比

綜合考慮設備投資、運行成本、原材料消耗等因素， VAR法的生產成本相對較低。VAR設備的投資成本在 500萬元～1000萬元，運行成本主要包括電費、耗材費等， 每噸鑄錠的運行成本為5000～8000元。而EBCHM設備 投資成本較高，在2000萬元～5000萬元，運行成本也較 高，每噸鑄錠的運行成本為8000～12000元。由于 EBCHM法能夠回收更多的殘料，從而減少了原材料采購 費用，從長期來看，其總成本可能會與VAR法相當，甚至 更低。例如，某企業在采用VAR法生產時，每年需要采購 海綿鈦等原材料的費用為1000萬元，加上生產成本，每年 總費用為1500萬元。在采用EBCHM法后，雖然設備投資 增加，但殘料回收量增多，原材料采購費用降低至600萬 元，加上生產成本，每年總費用為1400萬元。

6、未來超小規格殘料的應用方向

6.1開發新型鈦合金材料

隨著科技的不斷發展，對鈦合金材料的性能要求越來 越高。未來可利用超小規格殘料，通過合理的成分設計和 熔煉工藝，開發出具有更高強度、更好耐腐蝕性或特殊功能 的新型鈦合金材料。例如，在殘料中添加適量稀土元素，開 發出具有優異高溫性能的鈦合金，用于航空發動機高溫部 件。或添加生物活性元素，開發出生物相容性更好的醫用 鈦合金，用于制造人工關節、牙科植入物等醫療器械。

6.2　拓展在新興領域的應用

除了傳統的航空航天、化工、醫療等領域，未來超小規 格殘料回收制成的鈦及鈦合金材料還可以拓展到新興領 域。在新能源領域，鈦合金具有良好的耐腐蝕性和機械性 能，可用于制造氫燃料電池極板等；在電子信息領域，鈦合 金可用于制造電子設備的外殼、散熱器等部件，利用其高 強度和良好的散熱性能，提高電子設備的性能和可靠性； 在海洋工程領域，鈦合金對海水具有優異的耐腐蝕性，可 用于制造海洋平臺結構件、海水淡化設備等[11] 。

6.3　加強與其他材料的復合應用

將超小規格殘料回收制成的鈦及鈦合金與其他材料 進行復合，開發出性能更加優異的復合材料，也是未來的 一個重要應用方向。例如，將鈦合金與碳纖維復合，制備 出的鈦基碳纖維復合材料具有高強度、低密度的特點，可 用于航空航天、汽車制造等領域；將鈦合金與陶瓷材料復 合，開發出的鈦基陶瓷復合材料具有良好的耐磨性和耐高 溫性能，可用于制造切削刀具、發動機熱端部件等。通過 材料復合，可以充分發揮鈦合金與其他材料的優勢，滿足 不同領域對材料性能的多樣化需求。

7、結語

超小規格鈦及鈦合金殘料的回收利用，對于鈦行業的 可持續發展具有重要意義。通過對殘料的產生來源、分類 和成分確認方法的研究，明確了回收利用的基礎條件。 VAR和EBCHM兩種方法為超小規格殘料的回收提供了 可行的技術途徑，二者在回收比例、產品質量和生產成本 等方面各有優劣。在未來的發展中，應進一步加強技術創 新，以提高殘料的回收效率和產品質量，降低生產成本。

[參考文獻]

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[11]李增揆．等離子束爐熔煉殘鈦屑的工藝研究[Ｊ]．稀有金屬 合金加工，1981，10（4）：9-13，89．

(注：原文標題：超小規格鈦及鈦合金殘料的產生及回收利用研究_吳江濤）