电子束冷床炉熔炼纯钛铸锭的工艺研究

西安建筑科技大学硕士论文

目录

1 概 述 (1)

1.1钛的冶金特性 (1)

1.1.1 钛的物理性质 (1)

1.1.2 钛的化学性质 (1)

1.1.3 全球钛资源分布慨况 (2)

1.1.4 国内海绵钛生产现状 (3)

1.2电子束冷床熔炼发展的背景及现状 (4)

1.3电子束冷床炉熔炼技术研究进展 (5)

1.4本课题研究的主要内容 (7)

1.4.1 课题的理论意义、实用价值和社会经济效益 (7)

1.4.2本课题研究的主要内容 (7)

2 电子束冷床炉熔炼基本理论 (8)

2.1钛的真空熔炼热力学 (8)

2.2钛的真空熔炼动力学 (9)

2.3电子束冷床炉的工作原理 (9)

2.3.1钛金属熔化 (10)

2.3.2钛金属凝固 (10)

2.3.3凝固时的收缩 (11)

2.3.4熔炼中的提纯 (11)

2.4电子束冷床炉的结构 (13)

2.4.1 电子束枪 (14)

2.4.2 真空系统 (16)

2.4.3 进料系统 (17)

2.4.4 熔炼系统 (17)

2.4.5 熔炼铸锭拉锭系统 (17)

2.5电子束冷床炉熔炼的特点及优势 (18)

3 电子束冷床炉工业化生产纯钛铸锭 (20)

3.1试验使用设备简介 (20)

3.2工艺流程 (20)

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3.3海绵钛 (21)

3.4钛返回炉料 (22)

3.5自耗电极的制备 (23)

3.5.1垂直进料时的原料形式 (23)

3.5.2水平进料时原料形式 (23)

3.5.3纯钛自耗电极制备 (23)

3.6纯钛铸锭的电子束熔炼 (24)

3.6.1纯钛铸锭的熔炼过程 (25)

3.6.2电子束扫描花样 (26)

3.6.3熔炼参数 (29)

3.6.4熔速的提高 (29)

3.6.5挥发的控制 (30)

3.6.6铸锭均匀性控制 (30)

4 电子束冷床炉熔炼试验结果及讨论 (32)

4.1两种炉型铸锭表面质量比较 (32)

4.2电子束冷床炉熔炼纯钛试验结果 (33)

4.2.1纯钛铸锭成分化学分析结果 (33)

4.2.2宏观铸态组织分析 (41)

4.2.3 铸锭表面质量控制 (44)

4.2.4铸锭补缩工艺研究及缩孔结果 (44)

4.3电子束冷床炉铸坯对后续材料性能的影响 (46)

5 结论 (49)

致 谢 (50)

参考文献 (51)

硕士期间取得成果 (56)

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1 概述

1.1 钛的冶金特性

钛是一种稀有轻金属，由于它具有一系列的优异特性，其密度小、强度高、

比强度大；耐蚀性能优异、耐热性能好、低温性能好；无磁、热导率小、抗阻尼

性能低；弹性模量低、抗拉强度与屈服强度很接近。所以被广泛应用于航空、航

天，因此被称为“空中金属”，其后又逐步扩展到海洋工程(包括快艇、潜水艇、

浮台、海洋石油开采等)、陆军武器装备、汽车、化工、体育等领域，从而成为身

兼“空中金属”、“海洋金属”和“陆用金属”三种身份的“三栖金属”[1,2,3]。

1.1.1 钛的物理性质

钛在化学元素周期表中属于IVB族元素，其原子序数为22。它在地壳中含量

为0.61%，在所有元素中，名列第九，钛在地壳中大都以金红石（TiO2）和钛铁矿

等形式存在。具有工业意义的金属钛直到20世纪40年代才生产出来，因而一般

将钛称为稀有轻金属。钛的主要物理性能见表1.1。

表1.1 钛的主要物理性能

原子序数 22

原子量 47.90

熔点℃1668+4

沸点℃3535

密度g/cm3 4.505 导热系数 K/cm.s.℃0.036

热膨胀系数×10-6/℃8.2

弹性模量GPa 103(拉伸）105（压缩）

1.1.2 钛的化学性质

钛是一种非常耐腐蚀的金属，它在适当的氧化性环境中生成一种薄而坚固的

氧化物，具有优异的耐腐蚀性能，它还具有非磁性，线膨胀系数小等特性，这就

决定了钛及钛合金称为重要的宇航结构材料，应用于舰船制造、化学工业、航空

航天等领域，并得到快速发展。

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