Innovation of titanium smelting and refining process using hydrogen plasma

氢等离子体钛冶炼精炼工艺创新

• 批准号: 22K18305
• 负责人: 成島 尚之
• 金额: $ 16.31万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-06-30 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K18305/
• 关键词: 脱酸; チタン融体; 高純度化; 原子状水素; 酸素; 鉄; プラズマ

令和4年度は以下の4項目に関して研究を遂行した。(1)溶解用チタン合金の作製：酸素除去（脱酸）の対象とする合金としては、チタン合金の中も最も使用量が多いα+β型Ti-6Al-4V合金を選択した。酸素濃度を約0.15mass%、0.3mass%, 1.5mass%の3レベルで変化させることとした。0.15mass%酸素材は市販のTi-6Al-4V合金をそのまま用い、0.3mass%および1.5mass%酸素材はコールドクルーシブル溶解により約10kg溶製した。これにより制御された酸素濃度を有するTi-6Al-4V合金での脱酸溶解実験が可能となった。(2)水素プラズマアーク溶解条件の検討：半球状鋳型の溶解系において水素プラズマ溶解条件を検討した。水素プラズマアーク溶解→アルゴンプラズマアーク溶解の二段階プロセスではTi-6Al-4V合金融体からの酸素除去が確認された。水素プラズマ溶解のみのワンステッププロセスでも酸素濃度の低下は観察されたものの二段階プロセスと比較すると酸素除去の程度は低かった。(3)引き抜き機構を有する溶解系の構築：チタン融体の溶融域の拡大および得られるインゴットの均一性向上を目的に、プラズマアーク溶解用の引き抜き鋳型を導入した。作製メーカーと綿密な打ち合わせを行うとともに予算を勘案して、直径30mmの引き抜き鋳型を設計・設置した。棒状のTi-6Al-4V合金をサイド部からフィードする構造となっている。引き抜き鋳型を用いた水素プラズマアーク溶解およびアルゴンアーク溶解を行い、いずれの溶解実験においても均一なインゴットが得られることを確認した。(4) チタン融体の熱物質流動解析：プラズマ溶解中のチタン合金の溶融領域および融体流速計算を行った。チタン溶融深さは実験値と良い一致が見られ、融体表層ではマランゴニ流が支配的であることを示した。

2020年度，我们开展了以下四项研究。 (1)熔炼用钛合金的制备：作为要进行除氧(脱氧)的合金，我们选择α+β型Ti-6Al-4V合金，这是最常用的钛合金。我们决定在三个水平上改变氧浓度：约0.15质量%、0.3质量%和1.5质量%。使用市售的Ti-6Al-4V合金作为0.15质量％酸材料，并且通过冷坩埚熔炼将约10kg的0.3质量％和1.5质量％酸材料熔化。这使得在氧浓度受控的 Ti-6Al-4V 合金中进行脱氧和溶解实验成为可能。 (2)氢等离子弧熔化条件的研究：在半球形模具熔化系统中研究氢等离子熔化条件。 Ti-6Al-4V合金的脱氧在氢等离子弧熔炼→氩等离子弧熔炼的两步过程中得到证实。尽管在仅使用氢等离子体溶解的一步法中观察到氧浓度降低，但除氧程度低于两步法。 (3)带有拉丝机构的熔炼系统的构建：引入等离子弧熔炼用拉丝模具，目的是扩大钛熔体的熔化面积，提高所得铸锭的均匀性。在与制造商详细讨论并考虑预算后，我们设计并安装了直径30mm的拉丝模具。其结构为棒状Ti-6Al-4V合金从侧面供料。使用拉丝模具进行氢等离子弧熔炼和氩弧熔炼，并证实在两种熔炼实验中都可以获得均匀的铸锭。 (4)钛熔体热质量流量分析：计算等离子熔炼过程中钛合金的熔化区域和熔体流速。钛熔体深度与实验值吻合较好，表明熔体表层以Marangoni流为主。

项目成果

酸素に着目したチタンの低コスト・高機能化

钛的成本更低、功能更高，重点关注氧

• 发表时间: 2022
• 作者: Tomoharu Uchiyama; Yang Cao; Hanae Aoki; Kenji Ikeda; Nobukiyo Kobayashi; Shigehiro Ohnuma; Hiroshi Masumoto;上田 恭介
• 通讯作者: 上田 恭介

日本チタン協会70周年記念誌

日本钛协会70周年纪念杂志

• 发表时间: 2023
• 作者: Porta Francesco Della;Heima Akira;Shinohara Yuri;Akamine Hiroshi;Nishida Minoru;Inamura Tomonari;成島尚之
• 通讯作者: 成島尚之

チタンの基礎と応用

钛的基础知识和应用

• 发表时间: 2023
• 作者: 江口恭平;村上倫理;龍輝優;王斗艶;富田健太郎;浪平隆男;竹田修，岡部徹 (分担執筆)
• 通讯作者: 竹田修，岡部徹 (分担執筆)