不同形式純鎳塊狀再生料的循環利用

文 豪，李 俊，馮軍寧，郝學博，馬忠賢

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

1 前言

鎳（Nickel）的原子序數為28，原子量為58.71，常溫下密度為8.9g/cm3，熔點1453℃，沸點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，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﹑強度和可塑性，能夠承受壓力加工[2]。由于純鎳具有優良的耐蝕性及優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，在工程應用領域，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品，而這些產品廣泛應用于化工﹑石油天然氣﹑醫用儀器﹑制藥﹑電力﹑船舶﹑通信﹑海洋設備﹑機械電子等領域[3-7]。

國內純鎳加工材的生產工藝是首先利用真空感應熔煉(VIM)﹑真空自耗熔煉(VAR)﹑真空感應加真空自耗雙真空熔煉(VIM+VAR)﹑真空感應加電渣熔煉雙聯法(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]，然后經開坯鍛造成棒坯或板坯，再進行鍛造或軋制成為各類加工材。目前，純鎳加工材的生產成本仍居高不下，主要由三方面導致：一是原材料電解鎳板的價格在20萬元/t～30萬元/t之間浮動；二是生產工藝較復雜，為去除非金屬夾雜，生產致密的高質量純鎳鑄錠，需要多次重熔精煉處理，能耗較大；三是加工過程易出現出現鍛造開裂和軋制脆斷等現象，需要切頭尾﹑切邊，導致成材率較低，可再生料大量產生。由于鎳資源的重要性，對純鎳塊狀再生料的回收循環利用意義重大，降低生產成本的同時也響應了國家的綠色低碳循環經濟發展理念。

本文對各生產過程中產生的不同形式的純鎳塊狀再生料進行鑒別﹑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)驗證鑄錠化學成分均勻性，經多火次鍛造成板坯﹑多道次軋制﹑退火后，驗證純鎳加工材的力學性能和顯微組織等。

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。電解鎳化學成分見表1。

表1 電解鎳化學成分（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。根據此類再生料的特點，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度較差，電極密度較低，在裝爐起吊過程中較為容易散開，導致電極無法使用。為了解決這一問題，對電極制備的方式進行改善和優化。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層層壓實并進行拼焊，制備成組焊電極。此種方式制備的電極強度與平直度更好，重量達到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則，但表面有一定的氧化，厚度相對較厚，板面翹曲較為嚴重，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，然后在芯料兩側面焊接裁剪好的電解鎳板，提高電極強度，防止在熔煉過程中出現掉塊等現象。這種方式制備的電極強度好，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生的板坯頭﹑尾以及板帶材軋制過程中產生的帶卷﹑板材的切邊料等。此類再生料形狀各異且不規則，尺寸大小不一，部分表面存在氧化﹑油污等現象，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

根據此類純鎳異形再生料的特點，可選擇先經真空感應熔煉(VIM)，澆注成相應規格尺寸﹑重量﹑形狀的坯料再制備熔煉用自耗電極。真空感應熔煉具有對原料適應性較強，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勢。

利用真空感應熔煉的這些優勢，將此類純鎳異形再生料先進行去除表面氧化層或去除表面油污處理合格后，經真空感應熔煉，澆注成所需要的規格尺寸，重量達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，并在芯料兩側面焊接裁剪好的電解鎳板，提高電極的整體強度。這種方式制備的電極強度好，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，在芯料兩側面焊接電解鎳板，以加固電極，確保所制備電極的強度，這種方式制備的電極單重高達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，鎳材在各生產過程中會產生大量不同形式的塊狀再生料，根據這些再生料的特點，進行分類﹑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行回收循環利用。

3 產品質量驗證及分析

3.1 純鎳鑄錠熔煉驗證及分析

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的生產工藝，每個鑄錠均進行了3次真空自耗熔煉(VAR)熔煉，整個熔煉過程特別是一次錠熔煉過程平穩﹑可控，未發生一次自耗電極掉塊﹑斷裂等異?，F象。所生產純鎳鑄錠表面質量良好，見圖10。在成品鑄錠頭﹑底位置取樣分析化學元素成分，具體化學成分見表2。

圖9 純鎳鑄錠生產工藝

圖10 純鎳鑄錠

由表2可以看出，所生產的6個N5鑄錠，化學成分均勻性良好且波動較小，其中，Ni含量均大于等于99.9%，雜質元素含量較小，均符合GB/T 5235標準要求。

表2 N5鑄錠化學成分

3.2 純鎳板材軋制驗證及分析

按照圖11所示的板材生產工藝，將純鎳鑄錠經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，在二十輥冷軋機上冷軋到1.0mm厚并經退火﹑剪切等工序后，在板材頭部取樣分析力學性能和檢查顯微組織等。板材力學性能統計分析見圖12，顯微組織見圖13，純鎳板材見圖14。

圖11 純鎳板材生產工藝

圖12 純鎳板材力學性能

圖13 純鎳板材顯微組織

圖14 純鎳板材

由圖12可以看出，純鎳板材的抗拉強度在355MPa～374MPa之間，屈服強度在139MPa～170MPa之間，延伸率在49.5%～53.5%之間，各項力學性能指標均高于GB/T 2054標準的要求，且波動較小，產品性能一致性較好，其中抗拉強度富余量較小，存在改善提高的空間。

由圖13可以看出，所生產的純鎳板材發生了完全再結晶，晶粒明顯長大并重新轉變為均勻的等軸組織，未發現存在有冷軋后的纖維化趨勢。

由圖14可以看出，所生產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的半成品﹑成品進行的質量驗證和分析，說明對純鎳塊狀再生料進行鑒別﹑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量管控，是實現再生料回收循環利用的重要手段和保障，可提升資源循環利用率。

4 結論

（1）不同形式的純鎳塊狀再生料進行鑒別﹑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的純鎳鑄錠，表面質量和化學成分均勻性良好，成分波動較小，均符合標準要求。

（3）所生產的純鎳板材抗拉強度﹑屈服強度﹑延伸率等各項力學性能指標均高于標準要求，板材顯微組織為均勻的等軸組織，未發現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。