文 豪，李 俊，冯军宁，郝学博，马忠贤

（1.宝钛集团有限公司，陕西 宝鸡 721014；2.宝鸡钛业股份有限公司，陕西 宝鸡 721014）

1 前言

镍（Nickel）的原子序数为28，原子量为58.71，常温下密度为8.9g/cm3，熔点1453℃，沸点2732℃，是一种有铁磁性的银白色金属元素[1]。镍的耐腐蚀能力很强，表面易形成致密的氧化膜（NiO），在50%沸腾的烧碱溶液中的腐蚀速度不超过每年25μm。此外，镍还有着很好的延展性﹑强度和可塑性，能够承受压力加工[2]。由于纯镍具有优良的耐蚀性及优良的焊接性能和加工性能，较高的电真空性能和电磁控制性能，在工程应用领域，纯镍的需求量极大。纯镍一般被用于加工制造管材﹑板材﹑带材﹑棒材和线材等众多产品，而这些产品广泛应用于化工﹑石油天然气﹑医用仪器﹑制药﹑电力﹑船舶﹑通信﹑海洋设备﹑机械电子等领域[3-7]。

国内纯镍加工材的生产工艺是首先利用真空感应熔炼(VIM)﹑真空自耗熔炼(VAR)﹑真空感应加真空自耗双真空熔炼(VIM+VAR)﹑真空感应加电渣熔炼双联法(VIM+ESR)﹑电子束炉熔炼(EB)﹑电子束熔炼加多次真空自耗熔炼(EB+VAR)等各种方法将电解镍板熔炼成铸锭[8]，然后经开坯锻造成棒坯或板坯，再进行锻造或轧制成为各类加工材。目前，纯镍加工材的生产成本仍居高不下，主要由三方面导致：一是原材料电解镍板的价格在20万元/t～30万元/t之间浮动；二是生产工艺较复杂，为去除非金属夹杂，生产致密的高质量纯镍铸锭，需要多次重熔精炼处理，能耗较大；三是加工过程易出现出现锻造开裂和轧制脆断等现象，需要切头尾﹑切边，导致成材率较低，可再生料大量产生。由于镍资源的重要性，对纯镍块状再生料的回收循环利用意义重大，降低生产成本的同时也响应了国家的绿色低碳循环经济发展理念。

本文对各生产过程中产生的不同形式的纯镍块状再生料进行鉴别﹑分类﹑处理（刨铣﹑酸洗﹑喷砂）等，并与电解镍板一起制备成不同形式的熔炼用一次自耗电极，通过多次真空自耗熔炼(VAR)验证铸锭化学成分均匀性，经多火次锻造成板坯﹑多道次轧制﹑退火后，验证纯镍加工材的力学性能和显微组织等。

2 再生料的处理和电极制备

2.1 电解镍

使用金川公司生产的Ni9996电解镍板，尺寸为880mm×880mm，厚度约10mm，每块重量46kg～60kg。电解镍化学成分见表1。

表1 电解镍化学成分（wt%）

2.2 纯镍块状再生料的处理和电极制备

2.2.1 纯镍带材和板条再生料

纯镍带材和板条类再生料形状较为规则，表面未氧化，厚度约为1mm～3mm，表面有划痕或压坑等缺陷，无法正常交付使用，见图1。根据此类再生料的特点，选择将其制备成捆绑电极。首先将电解镍板裁剪成一定尺寸后进行拼焊，制作成捆绑电极用芯料，再将清理﹑剪裁后镍带材及板条层层捆绑在芯料外部，制备成熔炼用捆绑电极。此种方式制备的电极每根约3t～4t重，可添加再生料的比例约为20%～30%，见图2。

图1 纯镍带材和板条再生料

图2 捆绑电极

由于纯镍带材和板条再生料的厚度较薄，非常容易弯曲变形，所制备的捆绑电极强度较差，电极密度较低，在装炉起吊过程中较为容易散开，导致电极无法使用。为了解决这一问题，对电极制备的方式进行改善和优化。首先将电解镍板﹑镍带材再生料裁剪成一定尺寸，并将电解镍板﹑镍带材﹑镍板条等再生料一起沿长度方向层层压实并进行拼焊，制备成组焊电极。此种方式制备的电极强度与平直度更好，重量达到4t～5t，可添加再生料的比例约为30%～40%，见图3。

图3 添加纯镍带材和板条制备的组焊电极

2.2.2 纯镍板坯和板材再生料

纯镍板坯和板材再生料形状规则，但表面有一定的氧化，厚度相对较厚，板面翘曲较为严重，见图4。为了便于制备熔炼用自耗电极，首先需要对纯镍板坯和板材再生料进行矫形，确保板面平直，然后采用刨铣﹑喷砂或酸洗的方式去除再生料表面的氧化层。将处理好的再生料锯切成一定尺寸并制备成电极芯料，然后在芯料两侧面焊接裁剪好的电解镍板，提高电极强度，防止在熔炼过程中出现掉块等现象。这种方式制备的电极强度好，重量约4t～5t，可添加再生料的比约为45%～55%，见图5。

图4 纯镍板坯和板材再生料

图5 添加纯镍板坯和板材制备的组焊电极

2.2.3 纯镍异形再生料

纯镍异形再生料主要指板坯锻造过程中产生的板坯头﹑尾以及板带材轧制过程中产生的带卷﹑板材的切边料等。此类再生料形状各异且不规则，尺寸大小不一，部分表面存在氧化﹑油污等现象，难以采用直接捆绑或组焊的方式制备成熔炼用自耗电极，见图6。

图6 纯镍异形再生料

根据此类纯镍异形再生料的特点，可选择先经真空感应熔炼(VIM)，浇注成相应规格尺寸﹑重量﹑形状的坯料再制备熔炼用自耗电极。真空感应熔炼具有对原料适应性较强，可熔炼块状﹑屑状等各种形状的再生料，浇注的坯料有方形和圆形等优势。

利用真空感应熔炼的这些优势，将此类纯镍异形再生料先进行去除表面氧化层或去除表面油污处理合格后，经真空感应熔炼，浇注成所需要的规格尺寸，重量达400kg～500kg的纯镍方坯，见图7。接下来，将镍方坯沿长度方向焊接成熔炼电极用芯料，并在芯料两侧面焊接裁剪好的电解镍板，提高电极的整体强度。这种方式制备的电极强度好，重量约4t～5t，可添加再生料的比例约为50%～60%，见图8（a）；为了提高再生料的添加比例，可选择将镍方坯沿长度方向双层摆放并焊接成电极用芯料，在芯料两侧面焊接电解镍板，以加固电极，确保所制备电极的强度，这种方式制备的电极单重高达7t，再生料的添加比例可超过90%，见图8（b）。

图7 镍方坯

图8 添加镍方坯制备的组焊电极

综上，镍材在各生产过程中会产生大量不同形式的块状再生料，根据这些再生料的特点，进行分类﹑表面处理后，可以制备成不同形式的熔炼用一次自耗电极如捆绑电极﹑组焊电极等对再生料进行回收循环利用。

3 产品质量验证及分析

3.1 纯镍铸锭熔炼验证及分析

对上述使用各类纯镍块状再生料制备的纯镍一次自耗电极，按照图9的生产工艺，每个铸锭均进行了3次真空自耗熔炼(VAR)熔炼，整个熔炼过程特别是一次锭熔炼过程平稳﹑可控，未发生一次自耗电极掉块﹑断裂等异常现象。所生产纯镍铸锭表面质量良好，见图10。在成品铸锭头﹑底位置取样分析化学元素成分，具体化学成分见表2。

图9 纯镍铸锭生产工艺

图10 纯镍铸锭

由表2可以看出，所生产的6个N5铸锭，化学成分均匀性良好且波动较小，其中，Ni含量均大于等于99.9%，杂质元素含量较小，均符合GB/T 5235标准要求。

表2 N5铸锭化学成分

3.2 纯镍板材轧制验证及分析

按照图11所示的板材生产工艺，将纯镍铸锭经多火次锻造后的板坯，热轧为5mm厚的热轧板材，以热轧板材为原料，在二十辊冷轧机上冷轧到1.0mm厚并经退火﹑剪切等工序后，在板材头部取样分析力学性能和检查显微组织等。板材力学性能统计分析见图12，显微组织见图13，纯镍板材见图14。

图11 纯镍板材生产工艺

图12 纯镍板材力学性能

图13 纯镍板材显微组织

图14 纯镍板材

由图12可以看出，纯镍板材的抗拉强度在355MPa～374MPa之间，屈服强度在139MPa～170MPa之间，延伸率在49.5%～53.5%之间，各项力学性能指标均高于GB/T 2054标准的要求，且波动较小，产品性能一致性较好，其中抗拉强度富余量较小，存在改善提高的空间。

由图13可以看出，所生产的纯镍板材发生了完全再结晶，晶粒明显长大并重新转变为均匀的等轴组织，未发现存在有冷轧后的纤维化趋势。

由图14可以看出，所生产的纯镍板材表面光滑﹑光亮﹑平整，不存在裂纹﹑起皮﹑压折﹑夹杂和分层等缺陷。

通过对使用块状再生料所生产的半成品﹑成品进行的质量验证和分析，说明对纯镍块状再生料进行鉴别﹑分类﹑表面处理（刨铣﹑酸洗﹑喷砂）以及一次自耗电极制备过程的焊接﹑清理等工序的过程质量管控，是实现再生料回收循环利用的重要手段和保障，可提升资源循环利用率。

4 结论

（1）不同形式的纯镍块状再生料进行鉴别﹑分类﹑处理（刨铣﹑酸洗﹑喷砂）后，可制备成捆绑电极﹑组焊电极等熔炼用一次自耗电极；根据纯镍块状再生料的不同形式，再生料的添加比例为20%～90%。

（2）使用各类纯镍块状再生料制备的自耗电极所生产的纯镍铸锭，表面质量和化学成分均匀性良好，成分波动较小，均符合标准要求。

（3）所生产的纯镍板材抗拉强度﹑屈服强度﹑延伸率等各项力学性能指标均高于标准要求，板材显微组织为均匀的等轴组织，未发现存在冷轧后的纤维化趋势。板材表面光滑﹑光亮﹑平整，不存在裂纹﹑起皮﹑压折﹑夹杂和分层等缺陷。