Goedkope-productietechnologie voor koud-gewalste titaniumplaten

Japan is een van de grootste titaniumproducenten ter wereld. De industrie importeert het grootste deel van de titaniumertsgrondstof en exporteert meer dan 60% van het titanium dat zij produceert. Omdat beide uiteinden van de waardeketen afhankelijk zijn van externe markten, is het verlagen van de proceskosten de belangrijkste hefboom die Japanse producenten gebruiken om concurrerend te blijven - een beperking die zowel geldt voor producenten in China, de Verenigde Staten als Europa.

NEDO (New Energy and Industrial Technology Development Organization) nam titanium op in zijn programma voor "innovatief onderzoek en ontwikkeling van nieuwe structurele materialen". In 2013 lanceerde een consortium van Japanse titaniumproducenten en staalproducenten een tienjarig projectinnovatieve, goedkope-technologie voor titaniumplaten. Het project omvatte drie ontwikkelingslijnen:

Lage-productie van titaniumspons van hoge-kwaliteit;

Directe walstechnologie die spons in vel verandert zonder te smelten; En

Elektrolytische afzetting voor directe productie van titaniumfolie.

Dit artikel bespreekt de voortgang van de eerste twee richtingen, gebaseerd op openbaar gerapporteerde projectresultaten.

De conventionele route voor koud{0}}gewalste titaniumplaten bestaat uit: voorbereiding van titaniumspons → smelten (vacuümbooghersmelten) → knuppel maken → smeden → warmwalsen → koudwalsen. Het doel van het project was om desmelten en smedenstappen, waardoor de investeringen in apparatuur, de energiekosten en het materiaalverlies aanzienlijk worden verminderd.

Het weglaten van smelten brengt twee uitdagingen met zich mee. Ten eerste worden onzuiverheidselementen zoals zuurstof en ijzer niet langer gehomogeniseerd in vloeibare toestand, dus moeten ze in de spons zelf worden gecontroleerd. Ten tweede moet het resterende magnesiumchloride (MgCl2) uit het Kroll-reductieproces, dat normaal gesproken tijdens het smelten wordt verwijderd, in de spons tot een minimum worden beperkt. De directe walsroute vereist daarom een ​​spons met weinig zuurstof, weinig ijzer en weinig resterend MgCl2.

Om ijzer, zuurstof en resterend MgCl2 te verminderen zonder de kosten te verhogen, analyseerde het projectteam de samenstelling van tussen- en eindproducten en gebruikte het numerieke simulatie van reactoromstandigheden om de factoren te identificeren die het gehalte aan onzuiverheden en de distributie ervan beheersen. Vervolgens werden de grondstofomstandigheden en procesparameters geoptimaliseerd.

Voor screening worden sponsklonten zone voor zone getest en individueel gesneden of vermalen op basis van de gesimuleerde cumulatieve verdeling van ijzer en zuurstof. Omdat spons met een hoog ijzergehalte het licht anders reflecteert, werd een optisch inspectiesysteem ontwikkeld om granen met een verhoogde ijzerconcentratie te identificeren en automatisch af te keuren. Het resultaat was dat het project een stabiele productietechnologie voor titaniumsponsen van hoge-kwaliteit tot stand bracht en industriële toepassing bereikte.

In de fase van het-maken en walsen van de knuppels wordt een spons van hoge- kwaliteit samengeperst tot een blok, ingekapseld in een titaniumplaat, en de binnenkant wordt geëvacueerd om een ​​afgedichte titanium knuppel te vormen. De knuppel wordt verwarmd tot ongeveer 1000 graden en heet-gewalst; tijdens het walsen worden de inkapselplaat en de sponskern geïntegreerd in een enkele dichte structuur.

Vroege proeven hadden last van scheuren en randdefecten tijdens verhitting en warmwalsen. Door de geometrie van de sponsbriketten, de vulmethode, de constructie van de knuppels en de walsparameters te optimaliseren, elimineerde het team scheuren bij het daaropvolgende walsen van grote knuppels met een dikte van 220-279 mm. De heet-gewalste plaat bereikte een dikte van 5 à 6 mm; na het verwijderen van de oxidehuid op het oppervlak en het koudwalsen, afgewerkte platen zo dun als0,5 mmwerden geproduceerd.

Inspectie van de koud-gewalste plaat toonde een oppervlakteporositeitsverhouding van minder dan 0,2%, wat aangeeft dat de microstructuur van direct gewalste plaat equivalent is aan die geproduceerd door de conventionele smelt- walsroute.

Deze resultaten tonen aan dat, met spons van hoge- kwaliteit, de directe walsroute koud-gewalste titaniumplaten kan opleveren met mechanische eigenschappen die gelijkwaardig zijn aan die van conventionele producten -, terwijl twee energie-intensieve processtappen worden geëlimineerd.

Wat is direct rollen van titaniumspons?

Bij direct rollen met titaniumspons worden de vacuüm-boog-hersmelt- en smeedstappen van de conventionele route overgeslagen. Spons met een hoge-zuiverheid wordt samengeperst tot knuppels, ingekapseld in titaniumplaat, geëvacueerd, verwarmd en heet-direct in plaat gerold, snijapparatuur, energie- en materiaalkosten.

Waarom is controle op onzuiverheden van cruciaal belang bij het direct walsen van sponsen?

Zonder de hersmeltstap kunnen zuurstof, ijzer en resterend magnesiumchloride niet worden herverdeeld of verwijderd, dus voor direct walsen is een spons met laag zuurstof/ijzer en laag resterend MgCl2 nodig om aan de JIS/ASTM-plaatvereisten te voldoen.