超声波清洗预处理流程及工艺设计 [page::1]

• 使用40kHz超声波频率，Ti屑浸入低浓度碱性溶液10分钟清洗，随后真空烘干2小时，制备预处理材料

- 预处理溶液以NaOH和焦磷酸钠（TSPP）为主，探讨不同浓度及组合对清洗效果的影响

碱性溶液去油机理与接触角变化分析 [page::2][page::3][page::4]

• 油污去除机制包括滚动分离、乳化和溶解化，接触角θ由溶液、油与基底的界面张力决定

- 酸碱溶液pH调整影响接触角及清洗效率，最佳pH区域约为9.5-10.5

• 不同溶液组合（PT-1~PT-6）中焦磷酸钠方案（PT-2、PT-3）结合超声波表现最佳，NaOH高浓度时清洗效果下降

- 接触角随时间变化实验显示PT-2方案油珠球化并部分脱落，显著优于其他方案

气体杂质含量显著降低与最佳预处理方案确定 [page::4]

| 杂质种类 | 原始Ti屑(ppm) | PT-1(ppm) | PT-2(ppm) | PT-3(ppm) | PT-4(ppm) |
|---------|-------------|------------|-----------|------------|-----------|
| Carbon | 6820 | 700 | 195 | 225 | 1135 |
| Oxygen | 2355 | ~970 | 970 | 970 | 1000+ |
| Nitrogen| 705 | ~325 | 325 | 325 | ~1000 |

• PT-2预处理组合即10g/L焦磷酸钠溶液在合适pH下表现最佳，碳杂质降低超97%，氧氮分别下降约59%和29%

钛铁合金锭材料性能及熔炼工艺对杂质去除的影响 [page::4][page::5]

• XRD分析显示使用PT-2处理的Ti屑制备的合金中无TiC峰，说明大幅削减了碳含量，提升材料性能

| 熔炼方式及时间 | C(ppm) | O(ppm) | N(ppm) | 总ppm | 杂质去除率RDav(%) |
|--------------|--------|--------|--------|-------|-----------------|
| 预熔制 | 175 | 960 | 290 | 1425 | - |
| VAM 10 min | 170 | 935 | 265 | 1370 | 3.86 |
| VAM 20 min | 160 | 890 | 215 | 1265 | 11.23 |
| PAM 10 min | 145 | 890 | 255 | 1290 | 9.47 |
| PAM 20 min | 135 | 865 | 210 | 1210 | 15.09 |

• PAM（等离子体弧熔）较VAM（真空弧熔）具有更高的杂质去除效率，长时间熔炼可进一步降低C、O、N含量

显微组织与元素分布 [page::5]

• SEM及EDS映射显示合金中铁均匀分布于析出相，钛富集于基体，碳含量低且未见明显碳化物沉淀，佐证高纯度合金生成

结论总结 [page::6]

• 优化超声波与低浓度碱性溶液结合有利于去除切削油，提高Ti屑回收效率(去C97.6%)

- 合理控制pH值大幅提升接触角，使油污改性呈球形易分离，滚动机制主导清洗效率

• PAM熔炼制备钛铁合金，碳含量控制低于200ppm，气体杂质大幅减少，性能优异

- 本方法绿色环保，克服了传统酸性清洗的环境及安全隐患，具有应用推广价值

详细金融研究报告分析 —— 《Effect of Ultrasonic Cleaning of Titanium Turning Scraps Immersed in Alkaline Solution and Subsequent Preparation of Ferrotitanium Ingots》

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1. 元数据与概览

报告标题: Effect of Ultrasonic Cleaning of Titanium Turning Scraps Immersed in Alkaline Solution and Subsequent Preparation of Ferrotitanium Ingots
作者: Suhwan Yoo, Jikwang Chae, Jung-Min Oh, Jae-Won Lim
机构: Jeonbuk National University, Division of Advanced Materials Engineering; The Research Institute of Mineral Resources and Energy Development, Republic of Korea
日期: 收稿于2020年8月13日，接受于2020年12月29日
主题: 钛基废料的超声清洗预处理技术及其对后续冶炼成铁钛合金锭品质的影响

核心论点与主要信息:
本报告聚焦于钛加工废料（钛切屑）回收利用前的预处理，核心创新点是采用超声清洗技术，实现使用低浓度碱性溶液有效去除钛废料表面油污，降低原材料杂质含量，提升铁钛合金锭的品质。本文探讨了不同碱性溶液配方的清洗效果及物理机制，详细比较了两种熔炼方法（真空电弧熔炼VAM和等离子弧熔炼PAM）对合金品质的影响。作者系统性地量化了碳、氧、氮等气态杂质含量及去除效率，展示超声清洗显著改善杂质去除率，最终制备出含碳低于200ppm的高质量铁钛合金锭。[page::0,1,3,4,5,6]

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2. 逐节深度解读

2.1 摘要（Abstract）

摘要明确指出钛材质因高熔点和加工难度高，成本偏贵。采用回收钛废料是降低成本的可行途径，但切屑表面油污是回收利用的障碍。传统浸泡碱溶液法效率低且需要高浓度碱液，本文采用超声震波辅助低浓度碱液清洗，显著降低碳、氧、氮含量，尤其碳含量由6800ppm降至约200ppm。随后使用预处理废料与电解铁按7:3比例通过VAM和PAM制备合金锭，PAM熔炼的杂质含量更低，熔炼时间越长去除效果越好。[page::0]

2.2 引言（Introduction）

钛及钛合金以其高强度、韧性、耐腐蚀和生物相容性优势，被广泛用于航空航天、汽车和医疗植入领域。但钛加工因其高化学活性和高反应性，导致制造过程能耗高，废料较多，成品成本昂贵。为应对成本和资源问题，钛废料的回收研究日益重要。其中特别关注利用钛切屑作为生产铁钛合金原料，铁钛合金被广泛应用于氢储存合金、航空和钢铁脱氧剂，利用钛废料制造不仅降低成本且资源利用高效。[page::0]

切屑加工过程中常含有水性切削油，残留于废料表面。切削油虽具冷却润滑效果，但用过后的油会失效且含有杂质，成为后续回收产品中气态杂质来源，尤其是碳残留，导致金属品质降低。因此，切屑的高效去油预处理是钛废料回收关键环节。[page::0]

2.3 背景与预处理方法（Pre-treatment）

传统去油方法多用强酸或有机溶剂，效率虽高但对环境和安全有负面影响。本文推崇用碱性水溶液（如氢氧化钠NaOH）实现环境友好型清洗。碱清洗主要通过皂化反应将油脂分解成可溶性钠盐和甘油，达到去油目的。[page::1]

之前研究表明单纯浸泡法需高浓度碱液且效率低。本文创新点是结合超声清洗技术，利用超声波激发溶液空化效应，诱发微米范围泡沫塌陷，形成冲击波，从而清除附着油污。此措施有效提升低浓度碱液的去油效率，实现环保与高效清洗双目标。[page::1]

实验流程主要包括称重切屑、超声清洗、真空干燥、压制成型、熔炼成锭和多检测手段分析（XRD, SEM, EDS等）。合金熔炼选用两种主流方法：真空电弧熔炼（VAM）和等离子弧熔炼（PAM），比较其对气态杂质清除的影响。[page::1]

2.4 清洗机理与预处理配方优化（Cleaning Mechanism & Pre-treatment Optimization）

图2系示意图展示油的三种去除机制：

• (a) Roll-up（卷起）：条件为碱液与基体附着力大于油和基体附着力，导致油球体聚集于液体中被带走，表现为接触角大于90度。

- (b) Emulsification（乳化）：油与溶液混合成乳液，局部油层破裂但无完整去除，接触角小于90度。

• (c) Solubilization（溶解）：油被溶剂完全溶解，一般需足够表面活性剂支持。

接触角通过Young方程计算，关系式为：

$$
\cos\theta = \frac{\gamma{ws} - \gamma{os}}{\gamma{ow}}
$$

其中，$\gamma{ws}$、$\gamma{os}$和$\gamma{ow}$分别为溶液-基体、油-基体及油-溶液间界面张力。

文中强调pH对接触角的调节作用，pH约9.5-10.5时清洗效果较佳，如Ti切屑在此范围内亲水性提升，支持roll-up机制有效去油。[page::2]

作者设计多组预处理配方PT-1至PT-6（见表1），变量为NaOH和TSPP（焦磷酸钠）浓度及超声清洗有无。PT-6为对照组，不施加超声。结果表明，虽然NaOH皂化反应理论上与浓度正相关，实验中高NaOH浓度反而降低清洗效果（PT-4碱性过强导致接触角变小，乳化剂作用弱化），清洗效果更多依赖于pH调控下的润湿性控制而非单纯皂化反应，且TSPP体系稳定pH，表现出更优清洗性能。[page::3]

2.5 清洗效果实验数据分析（Cleaning Effectiveness）

图3和相关文字说明通过接触角测量验证不同溶液油滴形态变化：

• PT-1（低浓度NaOH）：油滴15秒内球化，表明滚起机制有效；

- PT-4（高浓度NaOH）：接触角小，油滴铺展湿润，残留油污多；

• PT-2、PT-3（含TSPP）：油滴球化后脱落，表明清洗效率显著。[page::4]

图4呈现清洗前后Ti废料中主要气态杂质C、O、N含量变化，PT-2配方整体去除效果最佳，碳含量由6820ppm降至195ppm，氧和氮分别下降超过50%和约30%。该数据清晰验证预处理对去除切削油相关气态杂质的高效作用，且其关键驱动是清洗液适宜pH和润湿角度调控。[page::4]

2.6 合金表征与分析（Ferrotitanium Characterization）

图5为使用原废料和PT-2预处理废料制备的铁钛合金XRD图谱。

• 两种锭体均含α-Ti、β-Ti及TiFe相；

- 原废料制品出现TiC峰，化合碳化物说明碳含量高，降低脱氧剂性能；

• PT-2锭体无TiC峰，说明预处理有效去除碳，合金质量显著提升。[page::4]

图6及表3展示两种熔炼技术VAM和PAM在不同熔炼时间（10、20分钟）下气态杂质（C、O、N）含量变化规律：

• 随熔炼时间延长，气态杂质含量均出现下降趋势；

- PAM熔炼出品普遍杂质含量低于VAM，显示PAM能量密度高，熔炼效果更优；

• 气体杂质总体去除率RD从低于4%提升至最高15%范围内，PAM略优。[page::5,6]

图7为PAM熔炼锭的SEM与EDS元素分布图，显示Fe主要集聚于析出相，Ti分布于基体。在C元素图中，碳含量低且无明显碳化物聚集，支持XRD无TiC证据，进一步佐证预处理及PAM熔炼低碳杂质效果明显。[page::5,6]

2.7 结论（Conclusions）

报告总结如下几大核心结论：

1. 超声清洗结合低浓度碱液（10g/L TSPP，pH约9.66）可高效去除Ti切屑表面油污。

2. 合适pH下，油滴接触角增大，更有利于油污快速卷起去除；

1. 高pH（强碱）环境清洗效率反而降低，乳化机制主导残留；

4. 预处理去除气态C、O、N分别达97.6%，58.8%，29.2%；

1. PAM熔炼工艺制备的铁钛锭碳含量低于200ppm，性能优异。[page::6]

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3. 图表深度解读

图1 流程示意与材料照片（page 1）

展示了实验流程：钛切屑称重、超声预处理、真空干燥、压制、熔炼及分析。配以钛切屑、电解铁、铁钛锭的实物照片，直观显示材料外观和尺寸。流程清晰，操作步骤科学严谨。[page::1]

图2 油去除机理示意图（page 2）

直观呈现三大油污去除模式，辅助理解后续接触角及界面张力对油污清洗影响的理论基础。为实验设计及结果分析提供机理解释框架。[page::2]

表1 预处理液实验设计（page 3）

罗列6种预处理配方，标明成分类型、浓度及清洗前后pH值，明确试验变量。数据显示纯NaOH溶液pH高达14，含TSPP溶液pH控制在9.5～10间，调控pH作为影响清洗效果关键参数。[page::3]

表2 各预处理方案后碳含量（page 3）

展示不同方案清洗后Ti切屑残余碳含量，从6800ppm原料到最低195ppm（PT-2），说明TSPP配方的优越性。数值较高的NaOH方案效果反倒不佳，与pH及接触角机制分析一致。[page::3]

图3 不同溶液条件下油滴形态随时间变化照片（page 4）

通过光学显微镜系列照片对比，直观展现低浓度NaOH及TSPP体系油滴球化及脱落现象与高浓度NaOH体系油铺展湿润的差异，影像化验证接触角理论对清洁效果的影响。[page::4]

图4 气态杂质含量对比柱状图（page 4）

显示原料和各预处理后Ti切屑中碳、氧、氮含量对比，明显看出PT-2方案去除最彻底。数据严谨指出清洗的关键指标，且以多组分气态杂质强调综合去污能力。[page::4]

图5 Fe-Ti锭XRD图谱（page 4）

提供两种材料制成铁钛合金的晶相成分，尖峰标识清晰区分不同晶体相。PT-2合金无碳化物显示预处理对去除油及碳有直接功效，反映材料性能提升。[page::4]

图6 熔炼时间与工艺对杂质含量影响曲线图（page 5）

趋势图明确显示延长熔炼时间，有效减低C、O、N含量，且PAM工艺效果优于VAM，体现能量密度对脱杂质效率的提升，指导工艺优化选择。[page::5]

表3 VAM与PAM气态杂质量变化统计（page 5）

量化各熔炼条件下杂质含量及去除率，实验数据支持PAM的优越性能，去除率数字展示实际效果，增强结论的科学权重。[page::5]

图7 PAM熔炼锭SEM与EDS元素分布图（page 5）

高分辨影像结合元素映射，展示Fe、Ti及C的微观分布。结果表明合金基体为β-Ti，相析出为TiFe，且无碳化合物，验证熔炼后杂质低残留。同时，数据一致性强，图文对应充分。[page::5]

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4. 估值分析（非传统金融估值，但工艺价值评估）

虽然非金融资产估值，本报告对技术和产品价值提供了一定“估值”框架：

• 通过超声清洗使得钛废料原料品质大幅提升，碳含量下降超过96%，显著提升后续铁钛合金作为脱氧剂的性能及市场竞争力；

- PAM工艺相较VAM带来更高效的杂质移除，提高产品质量和熔炼的经济效益；

• 采用低浓度碱液和超声清洗技术实现环保与成本节约，有潜在显著成本优势；

- 综上，技术路径优化及工艺改良形成的性能提升，可视为提升铁钛合金锭市场价值和可持续回收利用价值的“估值”体现。

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5. 风险因素评估

报告虽未专门罗列风险条目，但结合内容可识别若干潜在风险：

• 预处理液配方与pH控制风险：超声清洗效果对溶液pH敏感，偏离最佳pH范围可能导致清洗效率明显下降，影响最终产品品质；

- 超声清洗设备能耗与规模化挑战：实验室条件下效果显著，但工业化大规模设备效率和成本控制需进一步验证；

• 熔炼工艺差异风险：PAM设备成本及维护高于VAM，成本效益权衡需进一步分析；

- 杂质残留的变异风险：切屑原料不同批次的油污及污染物性质差异可能影响清洗和合金性能稳定性；

• 环境安全风险：部分碱性溶液浓度和废水处理需确保符合环保标准，尤其高pH溶液可能带来处理难题。

报告在研究阶段未明确缓解策略，实际推广时需结合生产工艺优化和质量控制管理系统保证有效。[page::0-6]

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6. 批判性视角与细微差别

• 优点与创新显著：本研究系统结合表面化学、界面工程及材料制备技术，实验设计合理，数据充分，有力支撑超声清洗低浓度碱液的优越性；

- 潜在局限：
- 高浓度NaOH降低清洗效率的具体机理虽提及接触角变化，但缺乏更深层次物理化学解析，建议后续补充界面分子动力学模拟或实测数据；
- 超声清洗时间和频率参数未深入优化，多变量交互作用未完全展开，此对工业应用细节影响较大；
- 熔炼环节仅简要比较两种方法，无详细热力学及能耗成本分析，限制工艺推广范围评估；
- 仅报道个别气体杂质的含量变化，缺乏对其他潜在杂质（金属杂质等）影响的探讨；

• 报告内部一致性良好，实验结果、理论推导与结论吻合，图表与文本相互验证，数据支持充分。

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7. 结论性综合

本文成功展示了利用超声清洗技术辅助低浓度碱性溶液对钛切屑进行高效去油预处理的创新方案。研究不仅揭示了清洗过程中的物理化学机制（尤其pH对油滴接触角和清洁效率的决定作用），还通过一系列严密的化学与材料分析体系（气体杂质含量、XRD、SEM-EDS）验证了预处理在降低碳、氧、氮等关键杂质含量方面的显著效能。

图4提供的气体杂质削减数据与表2对比，清洗优化方案PT-2最优，碳杂质降幅超90%，与后续XRD图5的无碳化物峰对应，直接反映切屑回收再利用的品质提升。图6和表3揭示了熔炼时长及设备选择（PAM优于VAM）对杂质量降低的影响规律，结合图7详细揭示微观结构和元素分布，全面佐证研究结论的可靠性。

该研究成果不仅为钛废料再循环前处理策略提供理论与技术支持，也为高性能铁钛合金的环保制备提供了明确方向。推荐以PT-2配方和PAM熔炼相结合作为工业应用最佳实践，达到低杂质和成本效益平衡。

总结作者观点，超声清洗结合低浓度TSPP溶液提供了一条高效、环保、工业可行的钛废料预处理技术路径，为钛资源循环利用和铁钛合金高品质制备做出重要贡献。[page::0-6]

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附：重要引用

• Ti切屑含碳6800ppm，预处理后降至196ppm，碳去除率97.6% [page::0,4]

- 预处理溶液pH影响接触角，清洁主要靠roll-up机制而非单一皂化反应 [page::2,3]

• 低浓度TSPP 10 g/L配方（PT-2）效果最佳，保持pH≈9.66 [page::3]

- PAM熔炼的铁钛合金杂质更低，能够通过20分钟熔炼制备含碳低于200ppm的锭体 [page::5,6]

• XRD显示无TiC峰，合金结构主要为β-Ti与TiFe 双相共存 [page::4]

- SEM-EDS确认微观无碳化物，元素分布均匀，物理性能有保障 [page::5]

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以上为针对该材料科学报告的全面、深入解析，覆盖实验设计、机理、数据表现、图表解读、技术价值评估及局限性分析，满足学术及行业应用场景需求。

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