Công nghệ sản xuất tấm titan cán nguội-chi phí thấp

Nhật Bản là một trong những nước sản xuất titan lớn trên thế giới. Ngành công nghiệp của nước này nhập khẩu phần lớn nguyên liệu quặng titan thô và xuất khẩu hơn 60% lượng titan mà nước này sản xuất ra. Với cả hai đầu của chuỗi giá trị đều phụ thuộc vào thị trường bên ngoài, việc cắt giảm chi phí quy trình là đòn bẩy chính mà các nhà sản xuất Nhật Bản sử dụng để duy trì khả năng cạnh tranh - một hạn chế áp dụng bình đẳng cho các nhà sản xuất ở Trung Quốc, Hoa Kỳ và Châu Âu.

NEDO (Tổ chức Phát triển Công nghệ Công nghiệp và Năng lượng Mới) đã đưa titan vào chương trình "nghiên cứu và phát triển vật liệu kết cấu mới mang tính đổi mới". Năm 2013, một tập đoàn gồm các nhà sản xuất titan và thép của Nhật Bản đã khởi động một dự án 10 năm vềcông nghệ tấm titan chi phí thấp-đổi mới. Dự án bao gồm ba tuyến phát triển:

Sản xuất miếng bọt biển titan chất lượng cao-với chi phí thấp;

Công nghệ cán trực tiếp biến miếng bọt biển thành tấm mà không bị nóng chảy; Và

Lắng đọng điện phân để sản xuất lá titan trực tiếp.

Bài viết này đánh giá tiến độ của hai hướng đầu tiên, dựa trên kết quả dự án được báo cáo công khai.

Lộ trình tấm titan cán nguội-thông thường bao gồm: chuẩn bị xốp titan → nấu chảy (nấu chảy lại bằng hồ quang chân không) → tạo phôi → rèn → cán nóng → cán nguội. Mục tiêu của dự án là loại bỏnấu chảy và rènbước, giảm đáng kể đầu tư thiết bị, chi phí năng lượng và tổn thất vật chất.

Bỏ qua sự tan chảy tạo ra hai thách thức. Đầu tiên, các nguyên tố tạp chất như oxy và sắt không còn đồng nhất ở trạng thái lỏng nên chúng phải được kiểm soát ngay trong miếng bọt biển. Thứ hai, magie clorua dư (MgCl2) từ quá trình khử Kroll, thường được loại bỏ trong quá trình tan chảy, phải được giảm thiểu trong miếng bọt biển. Do đó, quá trình lăn trực tiếp đòi hỏi phải có bọt xốp có hàm lượng oxy thấp, hàm lượng sắt thấp và lượng MgCl2 tồn dư thấp.

Để giảm sắt, oxy và MgCl2 dư mà không làm tăng chi phí, nhóm dự án đã phân tích thành phần của sản phẩm trung gian và sản phẩm cuối cùng, đồng thời sử dụng mô phỏng số về điều kiện lò phản ứng để xác định các yếu tố kiểm soát hàm lượng tạp chất và sự phân bố. Điều kiện nguyên liệu thô và các thông số quy trình sau đó được tối ưu hóa.

Để sàng lọc, các khối bọt biển được kiểm tra theo từng vùng và được cắt hoặc nghiền riêng lẻ dựa trên sự phân bố tích lũy mô phỏng của sắt và oxy. Vì miếng bọt biển có hàm lượng sắt cao phản chiếu ánh sáng theo cách khác nên hệ thống kiểm tra quang học đã được phát triển để xác định và tự động loại bỏ các loại hạt có nồng độ sắt cao. Kết quả là dự án đã thiết lập được công nghệ sản xuất ổn định cho-bọt titan chất lượng cao và đạt được ứng dụng công nghiệp.

Trong giai đoạn-tạo và cán phôi, miếng bọt biển-chất lượng cao được nén thành thỏi, được bọc trong tấm titan và phần bên trong được hút chân không để tạo thành phôi titan kín. Phôi được làm nóng đến khoảng 1000 độ và được cán nóng-; trong quá trình cán, tấm đóng gói và lõi xốp được tích hợp thành một cấu trúc dày đặc duy nhất.

Các thử nghiệm ban đầu bị nứt và khuyết tật ở cạnh trong quá trình gia nhiệt và cán nóng. Bằng cách tối ưu hóa hình học bánh xốp, phương pháp làm đầy, kết cấu phôi và các thông số cán, nhóm nghiên cứu đã loại bỏ vết nứt trong quá trình cán phôi lớn dày 220–279 mm sau đó. Tấm cán nóng-có độ dày 5–6 mm; Sau khi loại bỏ lớp oxit bề mặt và cán nguội, tấm thành phẩm mỏng như0,5 mmđã được sản xuất.

Kiểm tra tấm cán nguội-cho thấy tỷ lệ diện tích độ xốp bề mặt nhỏ hơn 0,2%, cho thấy cấu trúc vi mô của tấm cán trực tiếp tương đương với cấu trúc vi mô được tạo ra bằng phương pháp cuộn-nấu chảy thông thường.

Những kết quả này chứng minh rằng, với miếng bọt biển-chất lượng cao, quy trình cán trực tiếp có thể tạo ra tấm titan cán nguội-với các đặc tính cơ học tương đương với sản phẩm thông thường - đồng thời loại bỏ hai bước quy trình tiêu tốn nhiều năng lượng-.

Cán bọt biển titan trực tiếp là gì?

Cán trực tiếp bằng bọt biển titan bỏ qua các bước rèn và nấu chảy lại hồ quang chân không- như quy trình thông thường. Bọt biển có độ tinh khiết-cao được nén thành các phôi, gói gọn trong tấm titan, được chân không, nung nóng và cán nóng-trực tiếp vào tấm, thiết bị cắt, chi phí năng lượng và vật liệu.

Tại sao việc kiểm soát tạp chất lại quan trọng trong quá trình cán xốp trực tiếp?

Nếu không có bước nấu chảy lại, oxy, sắt và magie clorua dư không thể được phân phối lại hoặc loại bỏ, do đó việc cán trực tiếp đòi hỏi miếng bọt biển có hàm lượng oxy/sắt thấp và MgCl2 dư lượng thấp để đáp ứng các yêu cầu về tấm JIS/ASTM.