Warum Kostenreduzierung bei der Herstellung von Titanblechen wichtig ist
Japan ist einer der weltweit größten Titanproduzenten. Seine Industrie importiert den Großteil des Titanerz-Rohmaterials und exportiert mehr als 60 % des von ihr produzierten Titans. Da beide Enden der Wertschöpfungskette von externen Märkten abhängig sind, ist die Senkung der Prozesskosten für japanische Hersteller der wichtigste Hebel, um wettbewerbsfähig zu bleiben - ein Zwang, der gleichermaßen für Produzenten in China, den Vereinigten Staaten und Europa gilt.
Das NEDO-Projekt: Ziele und Umfang
NEDO (New Energy and Industrial Technology Development Organization) hat Titan in sein Programm „Innovative Forschung und Entwicklung neuer Strukturmaterialien“ aufgenommen. Im Jahr 2013 startete ein Konsortium japanischer Titanproduzenten und Stahlhersteller ein 10-Jahres-Projekt zum Themainnovative, kostengünstige-Titanblechtechnologie. Das Projekt umfasste drei Entwicklungslinien:
Kostengünstige-Produktion eines hochwertigen-Titanschwamms;
Direktwalztechnologie, die den Schwamm in eine Platte umwandelt, ohne zu schmelzen; Und
Elektrolytische Abscheidung zur direkten Herstellung von Titanfolie.
Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Fortschritte der ersten beiden Richtungen, basierend auf öffentlich gemeldeten Projektergebnissen.
Forschungsinhalt: Den konventionellen Weg verkürzen
Der herkömmliche Weg zum Kaltwalzen von Titanplatten besteht aus: Vorbereitung des Titanschwamms → Schmelzen (Umschmelzen im Vakuumlichtbogen) → Knüppelherstellung → Schmieden → Warmwalzen → Kaltwalzen. Ziel des Projekts war es, das wegzulassenSchmelzen und SchmiedenSchritte, wodurch die Ausrüstungsinvestitionen, Energiekosten und Materialverluste erheblich reduziert werden.
Das Weglassen des Schmelzens bringt zwei Herausforderungen mit sich. Erstens werden Verunreinigungselemente wie Sauerstoff und Eisen im flüssigen Zustand nicht mehr homogenisiert und müssen daher im Schwamm selbst kontrolliert werden. Zweitens muss restliches Magnesiumchlorid (MgCl2) aus dem Kroll-Reduktionsprozess, das normalerweise beim Schmelzen entfernt würde, im Schwamm minimiert werden. Die direkte Walzroute erfordert daher Schwamm mit niedrigem Sauerstoff-, Eisen- und geringem Restgehalt an MgCl2.
Kostengünstige-Produktion von qualitativ hochwertigem Titanschwamm
Um Eisen, Sauerstoff und restliches MgCl2 zu reduzieren, ohne die Kosten zu erhöhen, analysierte das Projektteam die Zusammensetzung von Zwischen- und Endprodukten und nutzte eine numerische Simulation der Reaktorbedingungen, um die Faktoren zu identifizieren, die den Gehalt und die Verteilung von Verunreinigungen steuern. Anschließend wurden Rohstoffbedingungen und Prozessparameter optimiert.
Beim Sieben werden Schwammklumpen Zone für Zone getestet und einzeln geschnitten oder zerkleinert, basierend auf der simulierten kumulativen Verteilung von Eisen und Sauerstoff. Da Schwämme mit hohem Eisengehalt Licht anders reflektieren, wurde ein optisches Inspektionssystem entwickelt, um Körner mit erhöhter Eisenkonzentration zu erkennen und automatisch auszusortieren. Als Ergebnis etablierte das Projekt eine stabile Produktionstechnologie für qualitativ hochwertigen Titanschwamm und gelangte zur industriellen Anwendung.
Sponge Direct Rolling-Technologie
Bei der Knüppelherstellung und dem Walzen wird hochwertiger Schwamm zu einem Barren verdichtet, in einer Titanplatte eingekapselt und das Innere evakuiert, um einen versiegelten Titanknüppel zu bilden. Der Knüppel wird auf etwa 1000 Grad erhitzt und warm-gewalzt; Beim Rollen werden die Kapselungsplatte und der Schwammkern zu einer einzigen dichten Struktur integriert.
Frühe Versuche litten unter Rissbildung und Kantendefekten beim Erhitzen und Warmwalzen. Durch die Optimierung der Schwammbrikettgeometrie, der Füllmethode, der Knüppelkonstruktion und der Walzparameter konnte das Team Risse beim anschließenden Walzen großer Knüppel mit einer Dicke von 220–279 mm beseitigen. Das warmgewalzte Blech erreichte eine Dicke von 5–6 mm; Nach dem Entfernen der Oberflächenoxidzunder und dem Kaltwalzen sind die fertigen Bleche so dünn wie0,5 mmwurden produziert.
Qualitätsvergleich: Direktwalzen vs. konventionelles Verfahren
Die Untersuchung des kaltgewalzten Blechs ergab ein Oberflächenporositätsflächenverhältnis von weniger als 0,2 %, was darauf hindeutet, dass die Mikrostruktur des direkt gewalzten Blechs derjenigen entspricht, die durch das herkömmliche Schmelzwalzen erzeugt wird.
| Schwammqualität / Route | Beobachtete Leistung im Vergleich zu herkömmlichem Blatt |
|---|---|
| Schwamm mit Rest-MgCl2 von 600–1000 ppm (direktes Walzen) | Höhere Zugfestigkeit, etwas geringere Dehnung durch höheren Verunreinigungsgehalt; insgesamt nahe an herkömmlichem Blech. |
| Hochwertiger Schwamm mit sehr geringem Rest-MgCl2 (Direktwalzen) | Etwas geringere Festigkeit und höhere Duktilität, entspricht der Leistung herkömmlicher kaltgewalzter Bleche der JIS-Klasse 1. |
| Herkömmliches Schmelz-kaltgewalztes-Blech (JIS-Klasse 1) | Basisreferenz. |
Diese Ergebnisse zeigen, dass mit hochqualitativem Schwamm die Direktwalzroute kalt{1}gewalztes Titanblech mit mechanischen Eigenschaften liefern kann, die denen eines herkömmlichen Produkts entsprechen - und gleichzeitig zwei energieintensive Prozessschritte entfallen-.
FAQ
Was ist Titanschwamm-Direktwalzen?
Beim Direktwalzen von Titanschwamm entfallen die Schritte des Umschmelzens und Schmiedens im Vakuumlichtbogen-der herkömmlichen Methode. Hochreiner Schwamm wird zu Knüppeln verdichtet, in Titanplatten eingekapselt, evakuiert, erhitzt und heiß{3}}direkt zu Platten gewalzt, wobei die Kosten für Schneidausrüstung, Energie und Material anfallen.
Warum ist die Kontrolle von Verunreinigungen beim Schwamm-Direktwalzen von entscheidender Bedeutung?
Ohne den Umschmelzschritt können Sauerstoff, Eisen und restliches Magnesiumchlorid nicht umverteilt oder entfernt werden. Daher ist beim Direktwalzen ein Schwamm mit niedrigem Sauerstoff-/Eisengehalt und geringem Rest-MgCl2 erforderlich, um die JIS/ASTM-Blechanforderungen zu erfüllen.
